汽车磁流变液离合器的设计

2012年5月第37卷第5期润滑与密封LUBRICATIONENGINEERINGMAV2012V0137NO5DOI103969JISSN02540150201205021汽车磁流变液离合器的设计张春光苗运江巫峰中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221116摘要为解决当前汽车自动变速器中多片摩擦式离合器存在的缺陷，提出并设计一种新型的汽车磁流变液离合器。介绍磁流变液离合器的工作原理；设计离合器的机械组合结构，详细说明档位结构和散热结构的设计；设计磁路结构，并利用ANSYS有限元分析软件对磁路进行优化。设计的磁流变液离合器可以避免因摩擦片问的滑磨带来的故障及功率损耗，使驱动系统更安全节能；磁流变液在固态和液态之间的毫秒级可逆转化，使得离合器响应速度更快，提高了汽车的变速响应性能。关键词汽车离合器；磁流变液；机械结构；磁路中图分类号TK4L44文献标识码A文章编号02540150201250914DESIGNOFAUTOMOBILEMAGNETORHEOLOGICALFLUIDCLUTCHZHANGCHUNGUANGMIAOYUNJIANGWUFENGCOLLEGEOFMECHANICALANDELECTRICALENGINEERING，CHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY，XUZHOUJIANGSU221116，CHINAABSTRACTAIMEDATDEFECTSNOWEXITEDINTHEMULTIDISKFRICTIONCLUTCHOFAUTOMOBILETRANSMISSION，ANEWAUTOMOBILEMAGNETORHEOLOGICALFLUIDCLUTCHWASPROPOSEDANDDESIGNEDTHEPRINCIPLEOFMAGNETORHE0L0GICALFLUIDCLUTCHWASINTRODUCED，AMECHANICALCOMBINEDSTRUCTUREWASDESIGNED，ANDTHEGEARSTRUCTUREANDHEATSTRUCTUREDESIGNWERESPECIFIEDAMAGNETICCIRCUITSTRUCTUREWASDESIGNEDANDOPTIMIZEDBYUSINGFINITEELEMENTANALYSISSOFTWAREANSYSTHEMAGNETORHEOLOGICALFLUIDCLUTCHCANAVOIDTHEFAULTSANDPOWERLOSSCAUSEDBYTHESLIDEBETWEENFRICTIONDISKS，MAKINGTHEDRIVESYSTEMMOREENERGYSAVINGANDSAFETHEREVERSIBLECONVERSIONOFMAGNETORHEOLOGICALFLUIDFROMSOLIDSTATETOLIQUIDSTATECANCONLPLETEWITHINSOMEMILLISECONDS，MAKINGTHECLUTCHRESPONDFASTERANDIMPROVINGTHEAUTOMOBILEVARIABLERESPONSECAPABILITYKEYWORDSAUTOMOBILECLUTCH；MAGNETORHEOLOGIEALFLUID；MECHANICALSTRUCTURE；MAGNETICCIRCUIT磁流变液是一种对磁场敏感的新型智能材料，基于磁流变效应，它有3种基本工作模式流动模式、剪切模式和挤压模式。在机械传动中，剪切模式应用较为广泛，磁流变液离合器基于这种模式工作。目前，汽车自动变速器中实现动力切换的装置是多片摩擦式离合器，这种离合器在接合时存在片问滑磨，会导致摩擦片和钢片间的间隙变大，当问隙超过极限值时，换挡时间将会延长，严重时甚至导致发动机“飞车”或“掉速”，产生换挡冲击。磁流变液离合器能够很好地解决这样的问题，这种离合器是靠磁流变液介质来传递动力的，不存在摩擦接触，而且还具有反应速度快、电控系统简单可靠、接合平稳等优点。本文作者将磁流变液离合器应用于汽车的自动变收稿日期201112一OL作者简介张春光1986一，硕士研究生，研究方向为机械电子工程EMAILZHANGCHUNGUANG126COIN速器中，并设计出了一种汽车磁流变液离合器。1磁流变液离合器的工作原理磁流变液离合器主要由主动件、被动件、线圈和磁流变液4部分组成，如图1所示。磁流变液作为工作介质，充满主动件和被动件之间的容腔。当线圈中无电流通入时，磁流变液呈现牛顿流体的特性，主动件和被动件之间只靠液体的黏性剪切力传递扭矩，这个值一般很小，不足以带动被动件转动，此时离合器处于分离状态；当线圈中通入电流时，一定方向、一定强度的磁场作用于磁流变液，使磁流变液发生“固化”反应，呈现出BINGHAM流体的特性，剪切屈服应力增加，主动件和被动件之间传递的扭矩增大，当增大到一定值时，主动件通过磁流变液带动被动件转动起来，直至最终两者同步转动，实现离合器的接合；当切断电流后，作用于磁流变液的磁场消失，磁流变液迅速恢复原状，离合器又回到分离状态。92润滑与密封第37卷1主动件2线圈3磁流变液4被动件5磁力线图1磁流变液离合器工作原理FIG1PRINCIPLEOFMRFCLUTCH2汽车磁流变液离合器的结构设计为了实现汽车自动变速器的多档变速，离合器部分一般设计成多档离合器的组合体。离合器所传递的扭矩一般较大，而磁流变液的剪切屈服应力只有几十千帕，如果采用当前最常见的圆筒或圆盘式磁流变液离合器结构，必然导致离合器的总体尺寸较大，而汽车变速器中离合器所占的空间有限，所以本文作者采用了一种结构紧凑、传递面积较大的多片式离合器结构，每两个盘片之间视为一个圆盘，它既能符合变速器内较小空间的限制，又能满足对传递扭矩的要求，最终设计出的汽车磁流变液离合器结构如图2所示。档离合器2泄压装置3四档离合器轴毂4从动链轮支座5从动链轮6通风孔7散热肋片片9三档离合器L0隔磁盘L1二档离合器L2隔磁环13线圈L4倒档制动毂L5前排太阳轮图2汽车磁流变液离合器结构示意图FIG2STRUCTURALDIAGRAMOFAUTOMOBILEMRFCLUTCH1四8盘21档位结构设计通过对汽车变速器换挡工作原理及动力传递路线的仔细分析，并结合磁流变液离合器的结构特点，以当前多片摩擦式离合器的组合结构为基础，对档位结构进行了创新设计。本文作者作者设计的汽车磁流变液离合器包含4个超速档和1个倒档，档位相对简化，故可以去除摩擦式离合器中的输人单向离合器，只保留其二、三、四档离合器，并调整二档离合器在整体结构中的位置，使与其连接的倒档制动毂避开了三档离合器导磁盘。而且由于磁流变液离合器的动作由可控激磁线圈控制，所以简化了原来的液压油路及其附属的油阀、弹簧等零件。最后设计出的档位结构如图2所示，它的动作原理与摩擦式离合器相同，都是通过各执行机构不同部件的转动来实现多档变速，但动力传动路线不同，前进档不同档位时，各档离合器的结合分离状态如表1所示。表1前进档不同档位时各档离合器的状态TABLE1GEARCLUTCHSTATEATDIFFERENTFORWARDGEARS注、表示离合器处于结合状态。22散热结构设计散热结构设计是磁流变液离合器设计的重要部分，如果离合器散热性能不好，会导致内部温度过高，影响磁流变液的工作性能，此外还会因为磁流变液的热膨胀使内部压力升高造成密封失效。磁流变液离合器的散热设计主要考虑2个因素离合器壳体的导热性能和外表面的散热性能。离合器壳体的导热性能与选用的材料有很大关系，为了获得良好的导热性能，应该尽量选用导热系数高的材料，2012年第5期张春光等汽车磁流变液离合器的设计93综合考虑各种材料的导热性能及散热性能，最后确定链轮支座和隔磁盘的材料均选用铝，隔磁环的材料选用黄铜。外表面的散热性能主要取决于散热方式的选用和散热面积的大小，考虑到汽车变速器内的实际环境，选用风冷的散热方式，如图2所示，在离合器导磁盘和隔磁盘上设置一系列径向的通风孔，增强离合器内部的空气流动；在隔磁环表面还设有螺旋槽，转动时就好比形成一个轴流风扇，以自身的转动驱动空气流动；同时采用散热肋片的形式增大散热面积。另外，为了避免离合器内部压力升高造成密封失效，在离合器内加装泄压装置，扩大内部空间，使内部压力维持在一个较低的范围内，保证密封装置能够正常工作。3汽车磁流变液离合器的磁路设计及优化31磁路的设计磁路设计是磁流变液离合器设计必不可少的部分，磁路的优劣直接关系到作用于磁流变液上的磁场强度的大小，进而影响离合器的工作性能。磁路设计的关键是使磁力线尽可能多地垂直穿过磁流变液工作面。本文的磁路结构如图3所示，磁力线通过两边的导磁盘，穿过非工作气隙及离合器壳体后到达工作面，形成工作回路。为使磁力线尽可能多地通过磁流变液工作面，在离合器左右壳体之间增加隔磁环，并尽量减小非工作气隙，降低磁力线在导磁体与空气界面上的发散。1离合器壳体2隔磁环3导磁盘4线圈外环5线圈6线圈内环7磁力线8非工作气隙图3汽车磁流变液离合器的磁路结构图FIG3MAGNETICCIRCUITSTRUCTURALDIAGRAMOFAUTOMOBILEMRFCLUTCH32磁路的仿真优化本文作者利用ANSYS对磁路进行了二维静态磁场仿真分析，利用仿真结果对磁路做了相应的优化。首先，对磁力线回路进行仿真分析，以三档离合器为例，图4给出了按照未优化的结构建模后的电磁仿真结果，可以看出激磁线圈产生的磁力线垂直通过磁流变液的工作面，说明磁源位置是合理的；但是也可看出磁力线是从线圈两侧输出的，线圈外环处是磁场消耗最大的地方，通过分析，原因在于线圈外环采用非导磁材料。线圈外环图4磁力线分布图FIG4MAGNETICFORCELINEDISTRIBUTIONA线圈外环为非导磁材料”洲BSUMAVGRSYS0SMN；006469SMXZ4429APR232009L41342图5磁力线优化的磁场强度分布图TFIG5MAGNETICFIELDINTENSITYDISTRIBUTIONOFOPTIMIZINGMAGNETICFORCELINETACOILSOUTERRINGMADEOFNONMAGNETICMATERIAL；BCOILSOUTERRINGMADEOFSOFTMAGNETICMATERIAL一36一料麟NI舯佗。钞兰线舯寸1一一94润滑与密封第37卷图5A，B分别为线圈外环更换导磁材料前后的磁场强度分布图，通过比较可看出，线圈外环更换为导磁材料后，磁流变液工作面处的磁场强度明显增强，由原来的01T左右增长为1T左右，说明原因分析正确，磁路得到优化。然后，对磁回路损耗进行了仿真分析，本文作者主要考虑导磁盘片的厚度对磁回路损耗的影响。以四档离合器为例，图6A、B和C分别是导磁盘厚度D为6，10和15RIM时的磁场强度分布图，比较图A和B可知，导磁盘厚度增加后，磁流变液工作面处的磁场强度由原来的08T左右增长为15T左右，说明增加导磁盘厚度，可以改善磁场强度的分布情况；比较图B和C后发现，导磁盘厚度的增加反而导致磁流变液工作面处的磁场强度下降为1T左右，故可得出结论导磁盘厚度不是越厚越好，适当增加导磁盘厚度才可以降低磁回路损耗，增大磁场强度。AD6MMTCD1SMILL图6磁回路损耗优化的磁场强度分布图FIG6MAGNETICFIELDINTENSITYDISTRIBUTIONOFOPTIMIZINGMAGNETICCIRCUITLOSS4结论根据磁流变液离合器的设计原理和汽车变速器的换挡工作原理及动力传递路线，将离合器导磁回路及离合器组合结构结合在一起，设计了用于自动变速器中的新型汽车磁流变液离合器。这种离合器不仅可以避免因摩擦片间的滑磨带来的种种故障及功率损耗，使驱动系统更安全节能，而且磁流变液在固态和液态之间的毫秒级可逆转化使得离合器响应速度更快，提高了汽车的变速响应性能。但本文的创新设计在散热结构设计上还有待完善，还未真正应用到汽车上。参考文献【1】孟维佳双平板式磁流变液离合器的研究设计D哈尔滨哈尔滨工业大学，2006【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