CN103470654B - 压电挤压式磁流变离合器及其传递扭矩计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了压电挤压式磁流变离合器，包括设有圆柱形通孔的壳体，所述壳体内设有线圈，所述通孔内设有主动盘和从动盘，所述主动盘与从动盘之间设有磁流变液，所述主动盘的工作面设有至少两圈同心凸条，所述从动盘的工作面开有至少两圈与凸条相适配的凹槽，所述从动盘上设有驱动从动盘沿轴向朝向主动盘运动的叠堆型压电驱动器，所述主动轴上设有容纳多余磁流变液的微调装置。一种压电挤压式磁流变离合器的传递扭矩计算方法：离合器传递转矩T_挤为：。本发明的优点是：压电叠堆促动器挤压磁流变液可提高磁流变液的剪切屈服应力，故传递转矩能力大大增强，能耗低，离合器传递能力控制能力强，密封性能好。

Description

压电挤压式磁流变离合器及其传递扭矩计算方法

技术领域

本发明涉及压电挤压式磁流变离合器及其传递扭矩计算方法。

背景技术

磁流变离合器是通过对外加磁场强度的控制实现主／从动件结合、分离功能，甚至可以实现转矩传递的无级变化控制。它克服了传统电磁／磁粉／摩擦式离合器易磨损，噪音大等缺点，以其结构简单、无机械磨损、低噪音、响应迅速(10毫秒内)、能耗低等优点引起了国内外学者和工业界的广泛研究，近年来取得了显著进展。

目前国内外现有的磁流变离合器可以分为筒／盘式，如国外专利：U.S.5896965公开的单盘式磁流变风扇离合器，U.S.Pantent5823309公开的一种多盘式磁流变离合器；国内专利：CN101915277A公开的一种单片三盘面式磁流变离合器，ZL00104451.6公开的径向自加压磁流变液离合器，ZL01137376.6公开的离心式磁流变液离合器等，均具有结构简单、响应迅速、通用性强，但也存在一些不足，如：①筒／盘式磁流变离合器转矩传递完全依赖磁流变液自身的剪切屈服应力(仅为50kPa-100kPa)，故传递转矩较小(最大为13N·m)，无法用于传递较大转矩及使用空间受限的场合；②磁流变液颗粒因离心力作用甩向圆盘(片)的外径边缘处，致使磁流变离合器易泄漏、难密封；③磁流变离合器主／从动件在滑差状态下工作使装置温度升高，导致离合器传动性能和使用寿命下降。

发明内容

本发明的目的在于提供压电挤压式磁流变离合器及其传递扭矩计算方法，即利用压电驱动技术通过叠堆型压电驱动器挤压磁流变液以提高磁流变液的剪切屈服应力，进而消除或降低现有磁流变离合器传递扭矩有限、体积庞大等弊端，所形成的压电挤压式磁流变离合器是压电驱动、挤压-剪切混合模式及磁流变液技术的融合与发展。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：压电挤压式磁流变离合器，包括设有圆柱形通孔的壳体，所述壳体的两端分别设有封闭通孔的外端盖，所述壳体内设有线圈，所述通孔内设有主动盘和从动盘，所述主动盘与从动盘之间设有磁流变液，所述主动盘的工作面设有至少两圈同心凸条，所述凸条与主动盘同圆心，所述从动盘的工作面开有至少两圈与凸条相适配的凹槽，所述主动盘上连有穿出一侧外端盖的主动轴，所述从动盘上连有穿出另一侧外端盖的从动轴，所述从动盘上设有驱动从动盘沿轴向朝向主动盘运动的叠堆型压电驱动器，所述主动轴上设有当主动盘与从动盘之间空间变小时容纳多余磁流变液的微调装置。

优选的，所述主动盘的直径大于从动盘直径，所述从动盘的外圈套有一圈隔磁环，所述隔磁环与从动盘侧壁之间还设有密封装置，所述隔磁环的一侧平面侧壁与主动盘之间通过螺栓固定连接，所述隔磁环的另一侧平面侧壁通过螺栓与辅助环的一侧平面侧壁固定连接，所述辅助环的另一侧平面上固定有内端盖，所述叠堆型压电驱动器设置在从动盘与内端盖之间；给叠堆型压电驱动器一个支撑，使其更好的推动从动盘工作。

优选的，所述主动轴为空心轴，所述主动轴的空心部分由外至内依次设有固定螺母、复位弹簧、活塞，所述活塞的一侧与磁流变液接触；在从动盘发生位移时起微调作用，容纳一部分磁流变液。

优选的，所述从动盘相邻两条凹槽之间凸出的部分也与主动盘相邻两条凸条之间下凹的部分相适配；增大磁流变液与主动盘和从动盘的接触面积。

优选的，所述凸条的横截面为梯形；增大磁流变液与主动盘和从动盘的接触面积。

一种压电挤压式磁流变离合器的传递扭矩计算方法：离合器传递转矩T_挤为：

式中：

${\mathrm{\τ}}_1=\frac{9\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_f{\mathrm{\β}}^2{r}^3{\left(H(1-\mathrm{\α\β})\right)}^2\mathrm{\Φ}}{2d^3}\mathrm{\Σ}\frac{k(\mathrm{i\μ}+\mathrm{\γk})(4k-{(\mathrm{i\μ}+\mathrm{\γk})}^2-{\left(\mathrm{j\μ}\right)}^2)}{{({(\mathrm{i\μ}+\mathrm{\γk})}^2+{\left(\mathrm{j\μ}\right)}^2+k^2)}^{7/2}};$

${\mathrm{\τ}}_2=\frac{K_{2}M{k}_a(V{\mathrm{nd}}_{33}-x)}{A};$

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\μ}}_p-{\mathrm{\μ}}_f}{{\mathrm{\μ}}_p+2{\mathrm{\μ}}_f};\mathrm{\α}=\frac{-2{\mathrm{er}}^3\·4\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_f}{m^2};$

R³=R₁ ³-R₂ ³+R₃ ³-R₄ ³+…+R_N-1 ³-R_N ³，

R₁～R_N为离合器主、从动盘圆心分别到不同锥形位置的半径；K₁、K₂分别为τ₁、τ₂的影响因子，为离合器主／从动盘的圆锥顶角的一半，μ₀为真空磁导率，μ_f为基体相对磁导率，μ_p为颗粒相对磁导率，r为颗粒半径，H为外加磁场强度，Φ为颗粒体积比浓度，i、j、k为整数且从1到∞，m为磁偶极矩，γ为剪切应变，a为相邻链与链之间的间隔，d为链内颗粒间距，M为磁性颗粒被挤压后摩擦引起的摩擦角的正切值，k_a为压电叠堆刚度，V为压电叠堆输入电压(其范围为0～150V)，n为压电叠堆层数，d₃₃为压电叠堆的压电常数，x为压电叠堆位移，A为活塞的面积。

与现有技术相比，本发明的优点是：①压电叠堆促动器挤压磁流变液可提高磁流变液的剪切屈服应力，故传递转矩能力大大增强；②对于压电叠堆促动器，给定一个电压，产生一个挤压力，最大输入电压只有150v，故能耗低；③根据调节压电叠堆输入电压和位移确定磁流变液挤压力，故离合器的传递能力控制能力强；④通过压电叠堆促动器控制使主／从动件快速接合／分离，缩短／消除滑差过程，故可降低／消除温升；⑤挤压可阻止磁流变液中颗粒因离心力作用甩向圆盘(筒)边缘处致使磁流变离合器泄漏，故密封性好。

附图说明

图1为本发明压电挤压式磁流变离合器的结构示意图；

图2为本发明压电挤压式磁流变离合器中从动盘的结构示意图。

具体实施方式

参阅图1、图2为本发明压电挤压式磁流变离合器及其传递扭矩计算方法的实施例，压电挤压式磁流变离合器，包括设有圆柱形通孔的壳体1，所述壳体1的两端分别设有封闭通孔的外端盖4，所述壳体1内设有线圈2，所述通孔内设有主动盘5和从动盘14，所述主动盘5与从动盘14之间设有磁流变液10，所述主动盘5的工作面设有至少两圈同心凸条，所述凸条与主动盘5同圆心，所述从动盘14的工作面开有至少两圈与凸条相适配的凹槽，所述主动盘5上连有穿出一侧外端盖4的主动轴9，所述从动盘14上连有穿出另一侧外端盖4的从动轴12，所述从动盘14上设有驱动从动盘14沿轴向朝向主动盘5运动的叠堆型压电驱动器13，所述主动轴9上设有当主动盘5与从动盘14之间空间变小时容纳多余磁流变液10的微调装置。

所述主动盘5的直径大于从动盘14直径，所述从动盘14的外圈套有一圈隔磁环3，所述隔磁环3与从动盘14侧壁之间还设有密封装置15，所述隔磁环3的一侧平面侧壁与主动盘5之间通过螺栓固定连接，所述隔磁环3的另一侧平面侧壁通过螺栓与辅助环16的一侧平面侧壁固定连接，所述辅助环16的另一侧平面上固定有内端盖11，所述叠堆型压电驱动器13设置在从动盘14与内端盖11之间。

所述主动轴9为空心轴，所述主动轴9的空心部分由外至内依次设有固定螺母8、复位弹簧7、活塞6，所述活塞6的一侧与磁流变液10接触，由此组成微调装置，容纳主动盘5和从动盘14相对距离缩小收多余的磁流变液10。

所述从动盘14相邻两条凹槽之间凸出的部分也与主动盘5相邻两条凸条之间下凹的部分相适配，所述凸条的横截面为梯形，也可以做成主动盘5和从动盘14的工作面均为凹凸相间圆环形且凹下去的部分与凸出来的部分形状尺寸完全相同，只是主动盘5和从动盘14是错位的，即主动盘5凸出的部分与从动盘14凹进去的部分对应，使主动盘5与从动盘14之间形成若干段横截面为S形的空间，磁流变液10就位于这个空间内。

需要本装置离合器吸合时，给线圈2接通电源，线圈2产生磁场使磁流变液10由液态变为固态，需要加大传输扭矩时再给叠堆型压电驱动器13通电，叠堆型压电驱动器13将使主动盘5和从动盘14之间的间距缩小，被挤压的一部分磁流变液10将挤压活塞6后退从而进入主动轴9内，由于挤压的缘故，使此时的传递扭矩成倍增加，从而实现大扭矩的输出。

一种压电挤压式磁流变离合器的传递扭矩计算方法：离合器传递转矩T_挤为：

式中：

${\mathrm{\τ}}_1=\frac{9\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_f{\mathrm{\β}}^2{r}^3{\left(H(1-\mathrm{\α\β})\right)}^2\mathrm{\Φ}}{2d^3}\mathrm{\Σ}\frac{k(\mathrm{i\μ}+\mathrm{\γk})(4k-{(\mathrm{i\μ}+\mathrm{\γk})}^2-{\left(\mathrm{j\μ}\right)}^2)}{{({(\mathrm{i\μ}+\mathrm{\γk})}^2+{\left(\mathrm{j\μ}\right)}^2+k^2)}^{7/2}};$

${\mathrm{\τ}}_2=\frac{K_{2}M{k}_a(V{\mathrm{nd}}_{33}-x)}{A};$

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\μ}}_p-{\mathrm{\μ}}_f}{{\mathrm{\μ}}_p+2{\mathrm{\μ}}_f};\mathrm{\α}=\frac{-2{\mathrm{er}}^3\·4\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\μ}}_f}{m^2};$

R³=R₁ ³-R₂ ³+R₃ ³-R₄ ³+…+R_N-1 ³-R_N ³，

R₁～R_N为离合器主、从动盘圆心分别到不同锥形位置的半径；K₁、K₂分别为τ₁、τ₂的影响因子，为离合器主／从动盘的圆锥顶角的一半，μ₀为真空磁导率，μ_f为基体相对磁导率，μ_p为颗粒相对磁导率，r为颗粒半径，H为外加磁场强度，Φ为颗粒体积比浓度，i、j、k为整数且从1到∞，m为磁偶极矩，γ为剪切应变，a为相邻链与链之间的间隔，d为链内颗粒间距，M为磁性颗粒被挤压后摩擦引起的摩擦角的正切值，k_a为压电叠堆刚度，V为压电叠堆输入电压(其范围为0～150V)，n为压电叠堆层数，d₃₃为压电叠堆的压电常数，x为压电叠堆位移，A为活塞的面积。

Claims (1)

1.压电挤压式磁流变离合器的传递扭矩计算方法，压电挤压式磁流变离合器，包括设有圆柱形通孔的壳体(1)，所述壳体(1)的两端分别设有封闭通孔的外端盖(4)，所述壳体(1)内设有线圈(2)，所述通孔内设有主动盘(5)和从动盘(14)，所述主动盘(5)与从动盘(14)之间设有磁流变液(10)，所述主动盘(5)的工作面设有至少两圈同心凸条，所述凸条与主动盘(5)同圆心，所述从动盘(14)的工作面开有至少两圈与凸条相适配的凹槽，所述主动盘(5)上连有穿出一侧外端盖(4)的主动轴(9)，所述从动盘(14)上连有穿出另一侧外端盖(4)的从动轴(12)，所述从动盘(14)上设有驱动从动盘(14)沿轴向朝向主动盘(5)运动的叠堆型压电驱动器(13)，所述主动轴(9)上设有当主动盘(5)与从动盘(14)之间空间变小时容纳多余磁流变液(10)的微调装置，所述主动轴(9)为空心轴，所述主动轴(9)的空心部分由外至内依次设有固定螺母(8)、复位弹簧(7)、活塞(6)，所述活塞(6)的一侧与磁流变液(10)接触，其特征在于：离合器传递扭矩T_挤为：

式中：

R³＝R₁ ³-R₂ ³+R₃ ³-R₄ ³+…+R_N-1 ³-R_N ³，

R₁～R_N为离合器主、从动盘圆心分别到不同锥形位置的半径；K₁、K₂分别为τ₁、τ₂的影响因子，为离合器主/从动盘的圆锥顶角的一半，μ₀为真空磁导率，μ_f为基体相对磁导率，μ_p为磁性颗粒相对磁导率，r为磁性颗粒半径，H为外加磁场强度，Φ为磁性颗粒体积比浓度，i、j、k为整数且从1到∞，m为磁偶极矩，γ为剪切应变，a为相邻链与链之间的间隔，d为链内磁性颗粒间距，M为磁性颗粒被挤压后摩擦引起的摩擦角的正切值，k_a为压电叠堆刚度，V为压电叠堆输入电压，其范围为0～150V，n为压电叠堆层数，d₃₃为压电叠堆的压电常数，x为压电叠堆位移，A为活塞的面积，e为自然常数，e≈2.71828。