CN102401032A - 基于电流变和磁流变离合器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电流变和磁流变离合器的设计方法，采用圆盘式ER和MR离台器模型，然后再采用无量纲模型进行无量纲化处理；所述采用圆盘式ER和MR离台器模型，是指利用Bingham模型描述电流变和磁流变效应，液体的剪切应力；所述采用无量纲模型进行无量纲化处理，是指：对传递力矩的表达式进行无量纲化处理，并根据实际工作结构进行简化处理，得到传递力矩的无量纲表达式。本发明控制方便、快速，而且控制过程可逆，容易实现自动控制。

Description

基于电流变和磁流变离合器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种离合器，具体地说，涉及的是一种基于电流变和磁流变离合器的设计方法。

背景技术

电流变流体(简称ER流体)和磁流变流体(简称MR流体)均属于智能流体，在电场或磁场的作用下，其表观粘度能发生巨大变化，比零场粘度提高几个数量级，且表现出具有弹性模量和屈服强度等类固体的性质，这种变化称为电流变效应或磁流变效应。一般来讲，ER流体和MR流体都是由作为分散相的微纳尺度的固体颗粒和作为分散介质的液体以及适当的添加剂组成的悬浮液组成。ER流体的分散相为能够产生极化的介电颗粒，分散介质为绝缘液体；MR流体的分散相为铁磁性颗粒，分散介质为非磁化液体。电流变和磁流变效应快速可逆，响应时间一般在毫秒量级，在电场或磁场撤去后，ER流体和MR流体又能恢复牛顿流体特性。

1948年美国人Rabinow首先报道了磁流变效应，次年美国人Winslow公开了电流变效应。电流变和磁流变效应的机理可以用分散相在外加场作用下，在分散介质中形成链状结构来解释。由于电场或磁场的作用，分散相颗粒产生极化或磁化，异性电极或磁极相互吸引导致颗粒沿场方向排列，形成纤维状结构。异性电极或磁极之间的引力从微观上决定了颗粒链的断裂强度，从宏观上决定了电流变或磁流变的强度。这种引力的大小决定于分散相、分散介质的特性，外加场的强度和频率，以及环境温度等等。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述不足，提供一种基于电流变和磁流变离合器的设计方法，控制方便、快速，而且控制过程可逆，容易实现自动控制。

为实现上述的目的，本发明所述的基于电流变和磁流变离合器的设计方法，采用圆盘式ER和MR离台器模型，然后再采用无量纲模型进行设计。

所述采用圆盘式ER和MR离台器模型，是指利用Bingham模型描述电流变和磁流变效应，液体的剪切应力

$\mathrm{\τ}={\mathrm{\τ}}_b+{\mathrm{\η}}_0\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}---\left(1\right)$

式中τ_b——场致屈服应力；η₀——无场作用时的液体粘度；

——剪切率。

以F表示场强，则场致屈服应力

τ_b＝αF^β                                                    (2)

式中α，β——ER流体和MR流体的特征参数。

ER流体和MR流体的工作模式有3种：流动模式、剪切模式、压缩模式。设圆盘式ER和MR离合器主动盘的角速度为ω₁，从动盘的角速度为ω₂，则两盘之间的流体剪切率

$\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}=\frac{({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)r}{b}---\left(3\right)$

在忽略摩擦力产生的力矩的情况下，离合器传递的力矩T_u由流体粘度引起的粘致力矩T_η和剪切屈服应力引起的场致力矩T_f两部分组成，即

T_u＝T_η+T_f                                            (4)

对圆盘进行受力分析，可以得到

$T_{\mathrm{\η}}={\∫}_{R_1}^{R_2}{2\mathrm{\π\ηr}}^2\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}\mathrm{dr}=\frac{\mathrm{\π\η}(R_2^4-R_1^4)}{2b}({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)---\left(5\right)$

$T_f={\∫}_{R_1}^{R_2}{2\mathrm{\πr}}^2{\mathrm{\τ}}_b\mathrm{dr}=\frac{2\mathrm{\π\α}(R_2^3-R_1^3)}{3}{F}^{\mathrm{\β}}---\left(6\right)$

如果离合器由多个极板组成，形成N个流体作用的间隙，则总传递力矩

T＝NT_u                                                    (7)

所述采用无量纲模型进行设计，是指：为了更加直观地表示离合器的主要参数对传递力矩的影响.可以对传递力矩的表达式进行适当的无量纲化处理，令

$T_u^{*}=\frac{T_u}{\mathrm{\π\η}({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)h^3}---\left(8\right)$

${\mathrm{\τ}}_b^{*}=\frac{{\mathrm{\τ}}_b}{\mathrm{\η}({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}---\left(9\right)$

$R_2^{*}=\frac{R_2}{h}---\left(10\right)$

并根据实际工作结构进行简化处理，假设

可以得到传递力矩的无量纲表达式

$T_u^{*}=\frac{1}{2}{R}_2^{*4}+\frac{2}{3}{R}_2^{*3}{\mathrm{\τ}}_b^{*}---\left(11\right)$

经分析可以发现，

实际上是流变流体在场作用下的剪切屈服应力和粘性剪切应力的比值，它的大小代表了离合器输出力矩的调控能力。而

是离合器的主结构参数，在离合器工作状态和选用的流变流体确定的情况下，通过调整参数

来满足设计要求，还可以用来估算所设计离合器的外形尺寸以及流变流体的用量。

本发明中，ER流体的工作电压一般在1～5kV，在设计时要考虑零部件之间的绝缘，还要根据ER流体的耐压强度合理设计极板间隙，防止ER流体的电击穿。

本发明中，磁路设计对于磁流变离合器是非常重要的，尤其在设计多盘离合器的场合。合理的磁路设计可以降低离合器的控制功率损耗。在大扭矩传递的情况下，可以考虑用永磁体和电磁体联合使用以增加流变效应和调控比。

与现有技术相比，本发明中，基于ER和MR流体离合器的显著特点在于控制方便、快速，而且控制过程可逆，容易实现自动控制。ER和MR离合器的输出力矩和转速均可调控，可以用于防止冲击和过载；实现大型设备的软启动；在多原动机驱动时用于均载或功率分配；通过转速调节可以实现无级变速、转速恒定等等。

附图说明

图1为现有电流变流体和磁流变流体离合器结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的解释，但是以下的内容不用于限定本发明的保护范围。

本实施例提供一种基于电流变和磁流变离合器的设计方法。

通常利用Bingham模型描述电流变和磁流变效应，液体的剪切应力

$\mathrm{\τ}={\mathrm{\τ}}_b+{\mathrm{\η}}_0\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}---\left(1\right)$

式中τ_b——场致屈服应力；η₀——无场作用时的液体粘度；

——剪切率。

以F表示场强，则场致屈服应力

τ_b＝αF^β                                        (2)

式中α，β——ER流体和MR流体的特征参数。

ER流体和MR流体的工作模式有3种：流动模式、剪切模式、压缩模式。基于ERF和MRF的液压阀，一般采用流动模式；用于振动控制的器件，如阻尼器，一般采用压缩模式；而用于动力传动的器件，如离合器，一般采用剪切模式。基于ER和MR流体的离合器有2种：圆盘式和同心筒式。圆盘式ER和MR离合器的结构示意图见图1。主动盘的角速度为ω₁，从动盘的角速度为ω₂，则两盘之间的流体剪切率

$\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}=\frac{({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)r}{b}---\left(3\right)$

在忽略摩擦力产生的力矩的情况下，离合器传递的力矩T_u由流体粘度引起的粘致力矩T_η和剪切屈服应力引起的场致力矩T_f两部分组成，即

T_u＝T_η+T_f                                                 (4)

对圆盘进行受力分析，可以得到

$T_{\mathrm{\η}}={\∫}_{R_1}^{R_2}{2\mathrm{\π\ηr}}^2\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}\mathrm{dr}=\frac{\mathrm{\π\η}(R_2^4-R_1^4)}{2b}({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)---\left(5\right)$

$T_f={\∫}_{R_1}^{R_2}{2\mathrm{\πr}}^2{\mathrm{\τ}}_b\mathrm{dr}=\frac{2\mathrm{\π\α}(R_2^3-R_1^3)}{3}{F}^{\mathrm{\β}}---\left(6\right)$

如果离合器由多个极板组成，形成N个流体作用的间隙，则总传递力矩

T＝NT_u                                                            (7)

3无量纲模型和设计分析

为了更加直观地表示离合器的主要参数对传递力矩的影响.可以对传递力矩的表达式进行适当的无量纲化处理，令

$T_u^{*}=\frac{T_u}{\mathrm{\π\η}({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)h^3}---\left(8\right)$

${\mathrm{\τ}}_b^{*}=\frac{{\mathrm{\τ}}_b}{\mathrm{\η}({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}---\left(9\right)$

$R_2^{*}=\frac{R_2}{h}---\left(10\right)$

并根据实际工作结构进行简化处理，假设

可以得到传递力矩的无量纲表达式

$T_u^{*}=\frac{1}{2}{R}_2^{*4}+\frac{2}{3}{R}_2^{*3}{\mathrm{\τ}}_b^{*}---\left(11\right)$

经分析可以发现，

实际上是流变流体在场作用下的剪切屈服应力和粘性剪切应力的比值，它的大小代表了离合器输出力矩的调控能力。而是离合器的主结构参数，在离合器工作状态和选用的流变流体确定的情况下，通过调整参数

来满足设计要求，还可以用来估算所设计离合器的外形尺寸以及流变流体的用量。

4设计时应注意的问题

(1)电流变离合器的绝缘

ER流体的工作电压一般在1～5kV，在设计时要考虑零部件之间的绝缘，还要根据ER流体的耐压强度合理设计极板间隙，防止ER流体的电击穿。

(2)磁流变离合器的磁路设计

磁路设计对于磁流变离合器是非常重要的，尤其在设计多盘离合器的场合。合理的磁路设计可以降低离合器的控制功率损耗。在大扭矩传递的情况下，可以考虑用永磁体和电磁体联合使用以增加流变效应和调控比。

由以上的实施例可以看出，ER和MR流体以其独特的力学性能而引起了广泛关注，虽然在实际应用中还存在一定的困难，但人们普遍认为ER和MR流体将对传统的传动机构带来革命性的影响。基于ER和MR流体离合器的显著特点在于控制方便、快速，而且控制过程可逆，容易实现自动控制。ER和MR离合器的输出力矩和转速均可调控，可以用于防止冲击和过载；实现大型设备的软启动；在多原动机驱动时用于均载或功率分配；通过转速调节可以实现无级变速、转速恒定等等。

Claims (3)

1.一种基于电流变和磁流变离合器的设计方法，其特征在于采用圆盘式ER和MR离台器模型，然后再采用无量纲模型进行无量纲化处理；

所述采用圆盘式ER和MR离台器模型，是指利用Bingham模型描述电流变和磁流变效应，液体的剪切应力

$\mathrm{\τ}={\mathrm{\τ}}_b+{\mathrm{\η}}_0\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}---\left(1\right)$

式中τ_b——场致屈服应力；η₀——无场作用时的液体粘度；

——剪切率；

以F表示场强，则场致屈服应力

τ_b＝αF^β                                                    (2)

式中α，β——ER流体和MR流体的特征参数；

设圆盘式ER和MR离合器主动盘的角速度为ω₁，从动盘的角速度为ω₂，则两盘之间的流体剪切率

$\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}=\frac{({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)r}{b}---\left(3\right)$

在忽略摩擦力产生的力矩的情况下，离合器传递的力矩T_u由流体粘度引起的粘致力矩T_η和剪切屈服应力引起的场致力矩T_f两部分组成，即

T_u＝T_η+T_f                                                    (4)

对圆盘进行受力分析，得到

$T_{\mathrm{\η}}={\∫}_{R_1}^{R_2}{2\mathrm{\π\ηr}}^2\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}\mathrm{dr}=\frac{\mathrm{\π\η}(R_2^4-R_1^4)}{2b}({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)---\left(5\right)$

$T_f={\∫}_{R_1}^{R_2}{2\mathrm{\πr}}^2{\mathrm{\τ}}_b\mathrm{dr}=\frac{2\mathrm{\π\α}(R_2^3-R_1^3)}{3}{F}^{\mathrm{\β}}---\left(6\right)$

如果离合器由多个极板组成，形成N个流体作用的间隙，则总传递力矩

T＝NT_u                                                    (7)

所述采用无量纲模型进行无量纲化处理，是指：对传递力矩的表达式进行无量纲化处理，令

$T_u^{*}=\frac{T_u}{\mathrm{\π\η}({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)h^3}---\left(8\right)$

${\mathrm{\τ}}_b^{*}=\frac{{\mathrm{\τ}}_b}{\mathrm{\η}({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)}---\left(9\right)$

$R_2^{*}=\frac{R_2}{h}---\left(10\right)$

并根据实际工作结构进行简化处理，假设

得到传递力矩的无量纲表达式

$T_u^{*}=\frac{1}{2}{R}_2^{*4}+\frac{2}{3}{R}_2^{*3}{\mathrm{\τ}}_b^{*}---\left(11\right)$

实际上是流变流体在场作用下的剪切屈服应力和粘性剪切应力的比值，它的大小代表了离合器输出力矩的调控能力；而

是离合器的主结构参数，在离合器工作状态和选用的流变流体确定的情况下，通过调整参数

来满足设计要求，还能用来估算所设计离合器的外形尺寸以及流变流体的用量。

2.根据权利要求1所述的基于电流变和磁流变离合器的设计方法，其特征在于：ER流体的工作电压在1～5kV，在设计时要考虑零部件之间的绝缘，还要根据ER流体的耐压强度合理设计极板间隙，防止ER流体的电击穿。

3.根据权利要求1所述的基于电流变和磁流变离合器的设计方法，其特征在于：磁路设计对于磁流变离合器是非常重要的，在大扭矩传递的情况下，虑用永磁体和电磁体联合使用以增加流变效应和调控比。

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