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硕士学位论文基于磁流变技术的离合器设计、控制及实验研究 摘要 风扇是发动机水冷系统的重要组成部分，对保证发动机冷却适度、工况温度稳定 起着重要的作用。目前风扇驱动存在两方面的问题：一方面，传统的驱动方式( 主轴 驱动式) 不能实现风扇转速实时连续的调整，易造成发动机功率无谓损耗、冷却过度 等后果；另一方面可实现转速调节的驱动方式( 液压调速式、电机驱动式) 又使系统 变得复杂。磁流变离合器以磁流变液为传动介质，具有输出转速可调、响应快、功耗 低等优点，为解决风扇驱动问题提供了新途径。 本文从理论分析出发，以仿真、实验为手段对磁流变离合器在风扇驱动中的应用 展开研究，主要有以下几方面内容： ( 1 ) 比较分析了水冷系统中常用风扇驱动方式的特点；总结了风扇驱动技术的发展 趋势；提出了将磁流变离合器应用于风扇驱动的现实意义。 ( 2 ) 研究了磁流变液的流变特性和力学特性；基于磁流变液的b i n g h 锄模型和不 可压缩粘性流体的n - s 方程建立了圆盘式和圆柱式磁流变离合器的转矩传递模型，推 导出计算公式，提供了设计依据，分析了设计参数对输出转矩的影响；根据磁路设计 理论，提出了磁流变离合器磁路设计的两种方法，采用a n s y s 软件进行了数值分析， 验证了理论计算结果的正确性。 ( 3 ) 结合热传导理论建立了磁流变离合器控制系统的仿真模型；在m a t l a b 环境下 仿真了双位控制、p d 控制、模糊控制三种常用温控策略，根据仿真结果分析并评价 了这三种控制策略；以8 9 s 5 1 单片机为核心，设计了控制系统的硬件电路，编写了控 制软件。 ( 4 ) 设计加工了圆盘式磁流变离合器的实验样品，构建了基于d s p a c e 和j n 3 3 8 传感器的实验系统，研究了磁流变离合器的机械静态特性、输出特性、负载特性、调 速特性，实验验证了磁流变离合器输出转速的可控性。 最后总结全文，提出了论文的创新点及进一步的研究工作。 关键字：磁流变离合器，转矩传递模型，磁路设计，有限元，模糊控制 硕士学位文 a b s t r a c t a sas i g n i f i c a n tp a r to ft h ee n g i n ec o o l i n gs y s t e m ，f a np l a y sa ni m p o r t a n tr o l et o e n s u r et h ea p p r o p r i a t ec o o l i n ga n ds t a b i l i t yt e m p e r a t u r eo ft h ee n g i n e a tp r e s e n tt h e r ea r e t w os h o r t c o m i n g s 、衍n lf a n d r i v e n ：o nt h eo n eh a n d ，t h et r a d i t i o n a lf a n d r i v e r ( s h a r d r i v e n ) c a nn o te x p o r tc o n s e c u t i v er o t a r ys p e e d ，a n dw i l lc a u s eu n n e c e s s a r ye n g i n ep o w e rl o s s ， e x c e s s i v ec o o l i n ga n do t h e rp r o b l e m s ；t h eo t h e rd r i v e rw h i c hc a na c h i e v ec o n s e c u t i v e r o t a r ys p e e d ( h y d r a u l i co rm o t o r - d r i v e n ) w i l lm a k et h es y s t e mc o m p l e x m rc l u t c hw h i c h u s i n gm r f a st h et r a n s m i s s i o nm e d i u mw i t ha d v a n t a g e so fo u t p u ts p e e da d j u s t a b l e ，q u i c k r e s p o n s ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o np r o v i d e sa n e ww a yt or e s o l v et h ep r o b l e m i nt h i sp a p e r , t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n dt e s tv e r i f i c a t i o na r eu s e dt or e s e a r c h t h ea p p l i c a t i o no fm rc l u t c hi nf a n - d r i v e r , t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o n i n c l u d et h ef o l l o w i n g s ： ( 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so fo r d i n a r yf a nd r i v e ra r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h ed e v e l o p m e n t t r e n d so ff a n d r i v e nt e c h n o l o g ya r es u m m e du p t h es i g n i f i c a n c eo ft h em rc l u t c h a p p l i c a t i o ni nf a n d r i v e ni se x p o u n d ( 2 ) m r ff l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ea n a l y z e d b a s e do nt h e b i n g h a mm o d e lo fm r f a n dn _ se q u a t i o n o fi n c o m p r e s s i b l ev i s c o u sf l u i d ，t o r q u et r a n s f e r m o d e lo fm rc l u t c hi se s t a b l i s h e d t h ep a r a m e t e r so nt h ei m p a c to ft o r q u ea r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h em a g n e t i cc i r c u i td e s i g nt h e o r y , t w om e t h o d sf o rd e s i g n i n gt h em a g n e t i c c i r c u i to fm r fc l u t c ha r ep r o v i d e d w i 也t h eh e l po fn u m e r i c a ls o f t w a r ea n s y s ，t h e c o r r e c t n e s so ft h er e s u l t so ft h e o r e t i c a le a l c u l a t i o n si sv e r i f i e d 。 ( 3 ) t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h em r f c l u t c hi se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fh e a t c o n d u c t i o n t h es t r a t e g y so fd o u b l e - c o n t r o l ，p d c o n t r o l ，f u z z yc o n t r o lw h i c ha r e c o m m o n l yu s e di nt e m p e r a t u r ec o n t r o la r es i m u l a t e dw i t hm a t l a b t h et h r e ec o n t r o l s t r a t e g y sa r ea n a l y z e da n de v a l u a t e d t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ec i r c u i t sw i t h8 9 s 5 1 m i c r o c o n t r o l l e ro ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e d ( 4 ) t h em r f c l u t c hi sd e s i g n e da n dp r o c e s s e d b a s e do nd s p a c ea n dj n 3 3 8s e n s o rt h e e x p e r i m e n t a ls y s t e m i sc o n s t r u c t e d ；t h em r fc l u t c hs t a t i c c h a r a c t e r i s t i c s ，o u t p u t c h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e d ，t h ec o n t r o l l a b i l i t yo ft h em r o u t p u ts p e e di sv e r i f i e d s u m m a r ya n d i n n o v a t i o ni sp r o p o s e d , t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r ki sp o i n t e do u t k e y w o r d ：m r fc l u t c h ，t o r q u et r a n s f e rm o d e l ，m a g n e t i cc i r c u i td e s i g n ，f i n i t ee l e m e n t ， f u z z yc o n t r o l i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：刍乳沥够 年g 月妇 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：痘堑潲年彳月冶 m 士学位论文基f 磁流变技术的离e 器设计、控制及实验研究 1 绪论 1 1 磁流变技术简介及应用 1 1 1 磁流变技术简介 磁流变液( m a g n e t o r h e o l o g i e a lf l u i d s ) 是一种智能材料，这一概念于1 9 4 8 年由 美国国家标准局r a b i n o w 首先提出川。磁流变液是由细小的磁化微粒分散于低磁导率 载液中形成的悬浮液其基本构成是：铁磁颗粒、载液、稳定剂口1 。在不加磁场的状 态下，磁流变液是可流动的液体，表现出牛顿流体的特性；而在磁场的作用下，其流 变特性发生显著的变化”】，呈现出类固体的状态，这就是磁流变效应，如图111 1 所示。这种固液状态的转化时间仅为毫秒级，且磁流变液的屈服剪切应力可在磁场的 控制下无级变化。 【二。_ _ _ 1 l ：?。：7 c 。 r占必。盥u 蚺。 图1 1 1 1 磁流变效应示意图 到目前为止还没有成熟而明确的理论来解释磁流变效应之所以产生的内在机理。 最直观的解释是在两极板间形成的链束状结构像桥梁一样横架在极板之间，阻碍了流 体的正常流动，使其产生类固体的特征。颗粒在磁场下成链的原因存在很多假说，较 有代表性的有相变理论和场致偶极矩理论【4 1 。 ( 1 ) 相变理论 该理论认为在零磁场作用下，弥散在母液中的悬浮颗粒为随机状态，其迁徙和转 动受热波动影响，是自由相。当场强增加到一定程度后，颗粒被磁化，受热波动和场 强两方面影响，某些颗粒相互靠近成有序排列，成为有序相。随后随着场强增加这 些有序相连成长链，且以长链为核心吸收短链，使链变粗，构成固态相。相变观点 解释了“链束”变粗的现象，但是无法解释链强度问题。 ( 2 ) 场致偶极矩理论 该理论认为在外加磁场作用下，每一颗粒都极化成磁偶极子，各个偶极子相互吸 引形成链磁流变效应的强度与偶极子链的大小有关，该理论的基础是静磁之间的相 镕论 硕学位论文 互作用。该理论能解释单链强度函数关系式的影响因素，但不能解释链变粗的过程， 也不能解释剪切屈服强度和粒子大小间的关系。 磁流变液在液态和固态之间发生的转换具有如下特性：( 1 ) 转换是可逆的；( 2 ) 转换 是可控的i ( 3 ) 转换仅需磁感应强度信号的控制：( 4 ) 转换对控制的响应仅需毫秒级的时 间i ( 5 ) 控制转换所需能耗根低”j 。有鉴于此，磁流变技术特别适合在机电耦合的器件 中应用。然而从上个世纪5 0 年代到8 0 年代，由于碰流变液存在着悬浮性、腐蚀性等 问题，对磁流变液的研究进展比较缓慢，研究的重点放在了电流变领域。直到进入 9 0 年代，对磁流变液的科研工作才重新焕发了生机。 1 1 2 磁流变技术的工程应用和研究现状 在磁流变技术的研究方面，欧美处于比较领先的地位尤其在美国已经有大量的 磁流变器件在实际工程中得到了应用【”。磁流变液的主要工作模式有流动模式、剪切 模式和压缩模式”，如图1 121 所示，针对不同的工作模式则有着不同应用，目前应 用磁流变技术的主要工程领域有； 审审度举 压力驱动模式直接剪切模式挤压模式 图1 i21 磁流变液的三种基本工作模式 ( i ) 阻尼器 磁流变液阻尼器是应用磁流变技术摄广泛的的装置，是被动控制组件的理想替代 装置。近年来汽车磁流变半主动悬架系统受到重视是因它无需大能量就能实现被动 悬架可靠性和主动控制悬架多功能性的统一 ”，如今磁流变阻尼器已在汽车、机械， 建筑等领域的振动半主动控制方面得到了广泛的应用【”，在直升机、座椅减振中也有 应用。 ( 2 ) 无级变速器 磁流变液无级变速器是依靠磁流变液作为传动介质的传动机构通过改变磁感应 强度，使磁流变液的屈服剪切应力发生变化从而使输出转速连续的变化。磁流变液 无级变速器的主动盘与主动轴相联接，从动盘与从动件用内花键相联接。主动盘与从 动盘之间充满了磁流变液，从而实现动力和运动传递【”1 。 ( 3 ) 制动器与离合器 磁流变制动器与离合器依靠磁流变液的剪切力来传递转矩，通过控制外加磁场控 2 硕士学位论文基于磁流变技术的离合器设计、控制及实验研究 制其制动与离合。基于磁流变液的屈服剪切应力可用外加磁场加以控制这一特性而设 计的磁流变制动器与离合器，具有响应速度快、变化可逆、结构简单和低耗能等一系 列优点。在机械、汽车、航空等领域有着广阔的应用前景【1 1 】，但是总体来说对于磁流 变技术在离合器中的应用研究相对较少。 ( 4 ) 抛光技术 随着人们对磁性材料和流变学研究的深入，磁流变液的性能逐步提高，磁流变抛 光技术正是在磁流变技术发展的基础上被提出的，利用磁流变液在磁场中的流变特性 进行抛光【1 2 】，将电磁学、流体动力学、化学结合于光学加工中，可以得到较为理想的 光学表面质量。 ( 5 ) 柔性夹具 现代制造业的迅猛发展，对加工自动化和产品更新提出了更高的要求。在产品加 工中部件的定位和夹持必不可少，但是和数控加工、柔性制造系统( f m s ) 和计算机集 成制造( c i m ) 相比，夹具的设计、制造和组装的自动化程度是最低的，无法适应不同 的加工对象。为了满足现代工业对夹具的要求，一种利用磁流变液相变技术而设计的 柔性夹具应运而生f 1 3 】。 ( 6 ) 磁流体密封 用磁流变液制作的密封圈可承受的最大加压压力是铁磁流体的3 倍，这种密封圈 在磁流变液的制备设备上得到了实际应用，磁流变密封与现有磁流体密封结构基本一 样，具有结构简单、密封性能好、配合件无磨损、维修简便等特点【4 1 。 由于磁流变技术广泛的应用前景，大量的机构展开了对磁流变技术的研究工作。 著名的美国l o r d 公司的磁流变产品已进入了市场，福特、通用将磁流变减震器用于 汽车的悬架控制，德国b a s f 已研制出了稳定的纳米级磁流变液【1 4 】。在高校领域，美 国的内华达大学和香港理工大学对于磁流变技术的工程应用，尤其是在结构振动控制 领域进行了很深入的研究；香港中文大学研究了磁流变制动器在人造关节中的应用 n 5 1 。在内地最近几年来各大院校也开展了关于磁流变技术的研究：重庆大学对磁流变 阻尼器在汽车中的应用做了深入的研究【1 6 】；上海交通大学对磁流变液阻尼器进行了设 计工作；南京航空航天大学对磁流变液阻尼器在车辆上的半主动控制进行了研究 【1 8 】；重庆大学对磁流变液的流变特性作了研列1 9 】；哈尔滨工业大学对于磁流变技术 在结构振动控制方面的应用开展了大量的实验研究工作【2 0 】；南京理工大学研究了磁流 变阻尼器在火炮反后坐装置中的应用，并取得一定成果【2 l 】。进行磁流变研究的机构还 有北京航空航天大学、石家庄铁道学院、大连理工大学、中北大学、西北工业大学等。 国内的研究大多处于实验室阶段，部分院校已经进入应用阶段，但与国外仍有着一定 的差距。 顿学位* 文 1 2 风扇驱动技术概况 1 2 1 发动机冷却系统简介 对于各种车辆，尤其是装甲车辆，当其发动机工作时，燃烧室内的燃气温度高达 1 7 3 0 c 2 4 0 0 c ，会使与其接触的气缸盖、气缸套、活塞和气门等受热件的温度升高， 机械强度降低，甚至可能出现热变形，破坏零件之间的配合间隙，引起零件强烈磨损， 严重时还可能发生零件断裂事故。高温也会引起气缸壁机油变质，使之失去润滑性能 甚至结焦。高温还会引起发动机充气系数下降，使其功率降低。因此必须要有冷却系 统来控制发动机的工作温度。 冷却系统的功用是使发动机在所有工况下部保持在适当的温度范围内。冷却系统 既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷。在发动机玲起动之后，冷却系统还 要保证发动机迅速升温t 尽快达到正常的工作温度。冷却系按照冷却介质不同可以分 为风玲和水冷，把发动机中高温零件的热量直接散入大气而进行冷却的装置称为风冷 系：而把这些热量先传给玲却水，然后再散入大气进行冷却的装置称为水冷系。由于 水冷系冷却均匀、效果好、而且发动机运转噪音小，因此目前汽车发动机上广泛采用 的是水冷系吲。 汽车发动机的水冷系统普遍为强制循环水冷系统，即利用水泵提高玲却水的压 力强制冷却水在发动机中循环流动，冷却水在冷却系统中的循环路径如图1 21 i 所示。 图12 1 1 发动机水拎系统构成圈 这种系统包括水泵、散热器、冷却风扇、节温器、补偿水桶、发动机机体和气缸 盖中的水套以及其它附加装置。冷却水在水泵中增压后，经分水管进入发动机的机体 水套。冷却水从水套壁周围流过并从水套壁吸热而升温。然后向上流入气缸盖水套， 从气缸盖水套壁吸热之后经节温器及散热器进水管流入散热器。在散热器中冷却水向 流过散热器周围的空气散热而降温，最后冷却水经散热器出水管返回水泵，如此循环 硕士学位论文基于磁流变技术的离合器设计、控制及实验研究 不止。 风扇通常安装在散热器的后面并与水泵同轴，风扇旋转时，对空气产生吸力，使 空气由前向后通过散热器芯，增强散热器的散热效果。 图1 2 1 2 风扇作用示意图 1 2 2 冷却风扇常用的驱动方式分析 鉴于风扇在冷却系统的重要作用，设计一套优良的水冷系统风扇驱动系统不仅仅 可以减小功率损耗，保护发动机的工作环境，还是节油的重要方法【2 4 1 ，减少噪声的有 效途径，因此根据发动机的热状况随时改变风扇转速，对冷却强度加以调节就显得十 分有必要了，这也促进了风扇驱动技术的不断发展。就目前而言，各种汽车的风扇驱 动方式不尽相同，常用的主要有四种【2 5 】： ( 1 ) 主轴直接驱动 这种风扇是由发动机主轴直接驱动，或通过v 型带间接驱动，与发动机同步转 动，无法调节。 ( 2 ) 离合式风扇 这种方法是利用离合器驱动风扇，常用的是硅油离合器和电磁离合器，硅油离合 器利用粘性液体传递动力，传递转矩大小和剪切速度成正比，与油膜厚度成反比；电 磁离合器则是利用线圈产生电磁力传递转矩。 ( 3 ) 电动冷却风扇 同样为了解决耗能问题，在2 0 世纪8 0 年代出现了电动冷却风扇。这种风扇不再是 由发动机通过v 型带驱动风扇，而是利用电机带动风扇，使风扇可以根据发动机温度 和负荷情况的不同，实现运转速度的变化，避免了发动机驱动冷却风扇的功率损失， 缩短了发动机的预热时间，减少传热损失。 ( 4 ) 液压调速风扇 2 0 世纪8 0 年代中期，美国、德国、日本及瑞典等国家开始进行发动机冷却风扇 s i 绪论硕士学位论文 温控液压驱动系统的研究开发工作。按液压控制方式可以分为机液式和电液式。其中， 电液式又可以分为开关式、伺服式和电液比例式。 这四种主要的驱动方式各有优缺点【2 6 】【2 7 】【2 8 1 1 2 9 1 ，其特点的分析比较如表1 2 2 1 的 内容所示： 表1 2 2 1 各种驱动方式的优缺点比较 驱动方式优点缺点 主轴驱动式结构简单，成本低，节省安装 振动大，无调控能力，效率不 空间高，可靠性不好 离合驱动式结构简单，具有一定的调速功响应慢，温度控制不稳定，噪 能音大 电机驱动式转速可调，和发动机无连接， 成本高，功率受车用电源限 调整维护性好，安全可靠制，降噪不明显 液力驱动式调速效果好，安装方便，降低 成本高，冷却系总成数量多 噪音，功耗低 1 3 本课题的研究意义 在热量的循环过程中，风扇的功用是增强散热器的散热能力，加快冷却液的冷却 速度。但是汽车在行驶过程中，由于环境条件和运行工况的变化，发动机的热状况也 在改变。例如，在炎热的夏季发动机在大负荷下工作时冷却水的温度很高，风扇应该 高速旋转以增加冷却风量，增强散热器的散热能力。而在寒冷的冬天，冷却水的温度 较低时，或在汽车高速行驶中有强劲的迎面风吹过散热器时，则不需要风扇的全力运 转。因此需要风扇能够根据不同的工作状态来调整转速，否则会带来负面的影响： ( 1 ) 消耗功率浪费燃料： 汽车发动机散热器冷却风扇所耗功率约占发动机总功率的1 0 ，但是大量的实验 指出，水冷系只有2 5 的时间需要风扇工作，在冬季风扇的工作只有5 的时间是有 意义的，这就意味着其他时间风扇所消耗的功率纯属浪费。 ( 2 ) 造成过度冷却 当外部环境温度较低尤其是在i o c 以下时，完全不需要冷却风扇运转；在o c 以 下时，发动机还需要保温【3 0 1 ，低温条件下风扇的持续工作会造成发动机、传动系统预 热缓慢、过度冷却，动力传动系统的功率利用率降低，燃油浪费，发动机零件的磨损 增加等后果【3 l 】。 ( 3 ) 噪声的重要来源 发动机整机的噪声源有：排气噪声、燃烧噪声、机械噪声、风扇噪声和进气噪声 6 硕士学位论文基于磁流变技术的离合器设计、控制及实验研究 等。风扇噪声会随着外部负荷的加大而增加，尤其是当转速显著提高，其噪声会明显 增大【3 2 1 。 因此研制转速可以调节的风扇驱动系统，同时满足节能、环保、工况和环境的要 求成为风扇驱动技术的发展方向【3 3 1 。但目前的风扇驱动装置或者无法调速，或者需要 单独的一套驱动体系，使系统变得复杂化。磁流变技术的出现为解决这一问题提供了 新的途径，由于磁流变液可以在磁场的作用下在固、液两态之间快速转化，且屈服剪 切应力的大小可以根据磁场的变化来调解。应用磁流变技术设计的离合器对散热风扇 进行驱动，就可以通过对磁流变液剪切应力的调节来实现输出转矩的大小，继而达到 控制输出转速的目的，同时保证了结构的紧凑。因此基于磁流变技术的风扇驱动方案 具有以下的优势： ( 1 ) 做到合理冷却：作为粘性液体传动介质，磁流变液的屈服剪切应力是可以调整 的，这就决定了磁流变离合器的输出转速是连续可调的，这就克服了传统硅油离合器 输出转速调节性差的缺点，这样既可以解决发动机冷却不足的问题又可以避免低负荷 高速行驶时车用发动机冷却过度的问题。 ( 2 ) 降低油耗，减少噪音：在满足冷却要求的情况下，低耗能低噪声将是设计冷却 系统时重点考虑的问题之一，由于磁流变风扇离合器做到了合理的冷却，也就有利于 解决耗能和噪声问题。 ( 3 ) 便于控制器的设计：磁流变离合器的控制磁场是由励磁线圈提供的，而励磁线 圈的驱动电流由1 2 v 或2 4 v 的直流电源就可以实现，汽车本身的电力系统足可以提供， 结合简单的电路硬件和软件控制策略，就可以做到温度的闭环控制。 ( 4 ) 安装位置灵活：磁流变离合器可以看作硅油离合器的一种改进，无需增加多余 设备，适应了车辆可用空间越来越小的现状，符合了冷却系统尽量减小体积并能灵活 安装的原则。 1 4 国内外磁流变离合器研究现状 对于磁流变液离合器的研究，国外已经做过大量的工作，最初是使用电流变液， 如英国谢菲尔德大学【3 4 】【3 5 1 1 3 6 1 和国内的北京理工大学，但是由于电流变液本身的剪切 应力不足以及所需驱动电压过高，所以开始将磁流变液应用于离合器设计，并有一系 列专利问世3 7 1 1 3 8 】【3 9 】。对磁流变离合器的研究一般集中在以下几个方面： ( 1 ) 传动理论研究及结构设计 7 l 绪论 硕士学位论文 r鋈辩 - 鋈 l 麓霍 冒 图 r冀 亟 蔺l i夤 l 鋈 乒 l i 蝈慧 图1 4 1 圆柱式，圆筒式，圆盘式( 从左至右) 磁流变离合器 磁流变离合器的结构一般有圆盘式、圆筒式、圆柱式，如图1 4 1 所示，对于磁 流变离合器的传动理论研究，主要是以磁流变液的b i n g h a m 模型和不可压缩流体的 流动特性为理论基础。在国外内华达大学复合与智能材料实验室对单盘式离合器进行 了转矩传递模型的理论分析工作【4 0 】【4 1 】；同样是内华达大学机械工程学院研究了多片 式磁流变液离合的转矩输出特性【4 2 】【4 3 】；马里兰大学对圆柱式磁流变离合器进行了研 究；在国内重庆大学设计了圆柱式磁流变液离合器，提出了结构设计理论，给出了零 部件的强度校核方法】【4 5 】【4 6 】；石家庄铁道学院研究了圆盘式磁流变离合器的设计理 论，讨论了机械结构、摩擦片的设计，分析了供电装置的安置【4 | 7 】天津大学机械工程 学院对结构设计做了比较系统的研究工作，并重点研究了磁流变离合器的调速原理及 特型4 8 】：哈尔滨工业大学则重点开展了双平板磁流变离合器的设计研究工作【4 9 】。 ( 2 ) 磁路设计 影响磁流变离合器磁路的因素较多，在结构方面如磁轭的漏磁或磁饱和现象，磁 流变液本身的磁化曲线也是非线性的，这都给磁路设计带来了不便，因此在实际的设 计中一般都要做一定的简化处理。目前磁路的设计与分析一般有两种方法，其一是按 照基本的磁路设计理论以基尔霍夫定律为基础，根据已知磁感应强度求解磁动势【5 0 】 1 5 1 】，但这种计算方法准确度不高，且不能得到最优结果；第二种方法是将优化设计理 论和有限元仿真相结合，确定目标函数，设定约束条件，利用软件求解最优结果。【5 2 】。 ( 3 ) 控制器的设计 磁流变离合器的最大优势在于其可控性，但是国内外的研究对于控制方面涉足不 多。美国阿拉巴马大学机械工程学院将磁流变离合器加以改进进行了扭转振动的控制 实验【5 3 】；内华达大学根据离合器输出转速的变化设定了o n - o f f 的控制策略，建立了速 度闭环的控制系统，达到了对转速的控制目的【5 4 】；香港中文大学将磁流变离合器应用 于人造膝关节的传动，设计了输出转矩可调的控制装置；在国内石家庄铁道学院将模 糊控原理应用于磁流变离合器的输出控制，设计了双输入一单输出的模糊控制器，并 进行了建模和仿真【5 5 1 。 ( 4 ) 实验研究 磁流变离合器的实验研究主要体现在机械静态、动态、调速特性等方面，其中内 华达大学构建了实验研究系统，试验取得了很好的效果。在国内重庆大学在圆柱式离 8 硕士学位论文 基于磁流变技术的离合器设计、控制及实验研究 合器的研究方面也进行了大量的实验工作。 1 5 本课题的主要研究工作 本课题的研究思路如图1 5 1 所示，主要从理论建模、设计计算、仿真分析、实 验研究四个层面对问题展开研究，主要工作有以下五个方面： 图1 5 1 本课题研究思路 9 l 绪论硕士学位论文 ( 1 ) 磁流交离合器传动理论研究 首先研究磁流变液的流变特性以及力学性质，分析温度、剪切速率等因素对磁流 变液本身特性的影响；根据磁流变液的b i n g h a m 模型和流体平行板间流动特性研究 磁流变离合器的转矩传递理论，推导设计计算公式；分析材料特性、结构尺寸等参数 对输出特性的影响。 ( 2 ) 磁流变离合器磁路设计理论建模 总结和归纳现有的磁路设计方法，基于磁路设计理论结合磁流变离合器轴对称的 结构特点提出系统的磁路设计思路；同时引入优化设计的理论，利用a n s y s 有限元 软件对磁流变离合器电磁场进行分析仿真。 ( 3 ) 磁流变离合器的硬件设计 结合应用环境，利用推导出的磁流变离合器设计公式以及磁路设计理论设计离合 器的硬件；同时考虑密封设计，防止液体的外泄；研究磁流变离合器工作过程热特性， 提出提高散热能力的方案。 ( 4 ) 磁流变离合器控制策略仿真与控制器设计 建立以磁流变离合器为核心的发动机水冷循环系统的仿真模型；在s i m u l i n k 环境下仿真磁流变离合器分别在双位控制、p i d 控制、模糊控制三种控制策略的作用 下所达到的温度控制效果，分析其各自的优缺点；以8 9 s 5 1 单片机为核心设计控制器 的硬件电路，应用汇编语言编制系统的软件部分。 ( 5 ) 实验研究 基于d s p a c e 数据采集系统和j n 3 3 8 型转矩传感器构建系统实验台；进行磁流 变风扇离合器的机械动、静态特性实验，分析磁流变离合器的机械特性、调速特性、 负载特性，总结其遵循的规律特点：最后结合自制的散热模拟装置进行温度控制实验， 分析温控效果。 1 0 硕士学位论文基于磁流变技术的离合器设计、控制及实验研究 2 磁流变离合器传动理论及磁路模型研究 2 1 磁流变液流变特性及力学模型研究 磁流变液主要由载液、可磁化的分散粒子、表面活性剂组成。载液一般为硅油、 矿物油、甚至纯水等。可磁化的粒子可以是铁、钴、镍等磁性材料的合金，或者是复 合磁性材料的颗粒。表面活性剂的主要作用是稳定磁流变液的化学、物理性能【5 6 1 。在 没有磁场作用的情况下，磁流变液表现为流动液体的特性，而在磁场的作用下表观粘 度大幅度提高，表现出类固体的特征。研究者对于磁流变材料的流变特性进行研究工 作，其中包括粘度与剪切速率的关系，剪切应力与剪切速率的关系，以及磁流变液的 温度特性等，采用的设备为n x s 11 旋转型粘度计和恒温水箱。 n x s 一1 l 旋转型粘度计的测量部分是由半径为r 。的内筒套在半径为r 。的外筒内 组成，两筒之间由磁流变液填充，当内筒以角速度c o 转动时，则距离中心r 处的剪切 速率为： d 2 厂= “4。 ( 2 1 ) 厂_ - t m n 1 式中 以。内筒的转速 m 结构常数，主要与内外筒的半径比值有关 内筒在旋转过程中，液体的各个层面的受到转矩m d 是一样的， 式是成立的： m d = 2 砌，2 f ， 于是距离中心为r 处的剪切应力为g 。= 芴m e 于是距离中心为r 处的粘度为： ”号2 等 n x s 1 1 旋转型粘度计的粘度与剪切应力与表盘读数之间的关系为： r = k a ，r = z a 式中，k 与z 分别为仪器常数和转角常数，口为仪表读数。 ，因此以下关系 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 2 磁流变离合器传动理论研究及磁路模型研究 硕士学位论文 配合恒温水箱提供的稳定的温度环境，实验测得不同温度下粘度与剪切应力的关 系如图2 1 1 所示，不同温度下剪切应力与剪切速率之间的关系如图2 1 2 所示，不同剪 切速率下粘度、剪切应力同温度的关系如图2 1 3 所示。 8 0 嚣6 0 毒 3 4 0 3 0 5 0 6 0 岔 量衢 8 3 0 1 2 o 厂 7 卜1 0 _ 一。衫一2 0 。： 3 0 ? ， - ：r ：一：_。 ；7 7 _ ，、一“、 ： 。一、。 一：!： - 弘r “ 2 0 0 3 0 0枷5 啪7 0 0 s h e a rr a t e ( 1 s e e ) 2 0 04 0 06 0 08 0 0 图2 1 1 粘度与剪切速率的关系 ， 是 幺l - - = - - 1 0 囊 ， ，。 ： ， ： - - ，- r 一 i ，专 _ 。；，“ c _ 一j 7 ，矗f _ ? 为 俘 竹月盘一历高母c 为 幅 西邕历每mc 硕士学位论文基于磁流变技术的离合器设计、控制及实验研究 者的关系受到温度的影响，在高温区( 3 5 ) 磁流变液的粘度随着剪切速率的增加 并非一味增加，而是在4 0 0 - 5 0 0 的区间内出现拐点；在低温区( 3 5 ) ，磁流变液的 粘度随着剪切速率的增加而提高。图2 1 2 反映出随着温度的增加，磁流变液的剪切 与剪切速率的关系曲线位置不断的降低；图2 1 3 是磁流变液的剪切应力、粘度和温 度的直接对应关系，随着温度的降低，剪切应力和粘度都有减小的趋势。这都反映出 随着温度的升高，磁流变液会出现剪切稀化现象。 由于磁流变液存在屈服剪切应力，且伴随着剪切稀化等现象，因此要想准确的描 述磁流变液的力学特性是很困难的。所以根据流体力学的理论可以用宾汉模型来近似 描述这一特征，宾汉流体流变方程为： f j ，2 f b + 7 7 。i 厂i ( 2 i 6 ) 式中各参数意义为：f 。磁流变液在剪切时的剪切应力，y 剪切应变速率，f 持 屈服剪切应力，刁零场粘度，其f 。一y 的关系如图2 1 4 所示，牛顿流体特性如图 2 1 5 所示： y y 图2 1 4 宾汉流体模型图2 1 5 牛顿流体模型 由图可知，当外加载荷不足以克服屈服剪切应力f b 时，磁流变液呈固体状态， 只有克服之后，磁流变液才开始流动，这时大于屈服剪切应力的部分是和剪切速 率成正比的，体现出了牛顿流体的特性。 2 2 磁流变风扇离合器的工作原理 磁流变离合器主要有三种结构，圆盘式、圆柱式和圆筒式。其中圆筒式只是圆盘 式和圆柱式的组合，本文不予以介绍。圆柱式与圆盘式磁流变离合器示意图如图2 2 1 所示： 2 磁流变离合器传动理论研究及磁路模型研究 硕士学位论文 磁路线囤 磁路线圄 图2 2 1 圆柱式与圆盘式离合器 无论是圆盘式离合器还是圆柱式离合器其工作原理都是相同的，即均是依靠磁流 变液作为传动介质来传递转矩。当输入轴的转动速度为6 0 。时，在没有磁场作用的情 况下，磁流变液处于液体状态，所能传递的力矩仅为一个很小的粘性力矩。当有一个 足够强度的外加磁场作用时，磁力线垂直穿过磁流变液的工作空间，磁流变液中的磁 性粒子马上被磁化，并沿着磁力线方向成链状分布。这种链状结构使得磁流变液的剪 切应力增大，表现出塑性体的特性。因此，离合器就产生了一个由磁流变液屈服剪切 应力所引起的转矩分量，其大小可以通过调节磁感应强度来控制，它远远大于粘性 力矩，因而为传递转矩的主力矩。磁流变液的剪切应力足够大时，输出轴可以和输入 轴同步旋转，完成传动比为1 的传动。 2 3 圆盘式磁流变离合器转矩传递模型及参数分析 2 3 1 圆盘式磁流变离合器转矩传递模型 相对转动的两圆盘之间液体流动的特性可以看作不可压缩液体在两平行板间层 流流动的一种特例，因此首先研究平板间液体流动特点。参考文献 5 7 5 8 】平行平板 间层流流动的示意图如下图所示，假设两平板长为l ，水平放置，两板间距为2 h 。上 板以恒定的速度u 沿x 方向运动，下板固定。两板之间为不可压缩的粘性液体，在 压强差卸= p ，一p ，的作用下流动。 1 4 硕士学位论文基于磁流变技术的离合器设计、控制及实验研究 d l u i jl x 甜= 甜( y ) p l 2 h p ： 1r l 图2 3 1 1 平板间的层流流动 建立如图2 3 1 1 的坐标系，在平板流动中流动仅存在于x 方向，则纳维一斯托克 方程为： p 面o n = 矶一罢州窘+ 等+ p 面2 矶一言+ 【萨+ 萨+ 矿) 因为该运动是定常运动，所以詈= o ；流速“= ”( y ) ，罢= 。， 重力，所以以= 0 ，所以式( 2 3 1 1 ) 可以简化为： 一瓦d p 十矿d 2 u = 。 而边界条件为： 儿嗽= h “( 办) = u y m j i l = - h u ( - h ) = 0 对式( 2 3 1 2 ) 进行积分得： 甜= 瓦1 d 傲p y 2 + c t j ，+ q 带入边界条件，可以确定： c l ：= u 2 h ( 2 3 1 1 ) 故坐d t = o ，质量只是 ( 2 3 1 3 ) ( 2 3 1 4 ) ( 2 3 1 5 ) ( 2 3 1 6 ) ( 2 3 1 7 ) ( 2 3 1 8 ) 1 5 2 磁流变离合器传动理论研究及磁路模型研究硕士学位论文 则积分得速度的表达式为： 因为： 所以： g 一壶去n 等 ( 2 3 1 9 ) “= 一互1 d 出p ( h 2y 2 ) + 等( 1 + i y ) ( 2 3 1 1 0 ) 生：o 出 “= 旦2 ( 1 + 警h “= 一i l + 二- l、， 圆盘式磁流变离合器的计算模型如图2 3 1 2 所示： 翰入毅攒( 1 3 it磁漉燮 在距离圆心r 处取一微元： 则在该微元传递的力矩为： 那么传递的转矩就是： ( 2 3 1 1 1 ) ( 2 3 1 1 2 ) 图2 3 1 2 圆盘式离合器 舔= 2 m d r ( 2 3 1 1 3 ) d t = f ，= ( f d s ) ，= f 2 m 2 d r( 2 3 1 1 4 ) b i n g h a m 模型在此可以表示为： 1 6 如 丁= p = p 2 n r 2 d r ( 2 3 1 1 5 ) 硕士学位论文基于磁流变技术的离合器设计、控制及实验研究 铲”痹”刁矧 渊舶， 将此圆环展成直线，则成为平行板流动模式，将平行板层流速度公式转化到此计算坐 标系下，又由于输入板的转速为： u l = c o l 。， ( 2 3 1 1 7 ) 磁流变液中任一处的速度为： “= u l + u ( 2 3 1 1 8 ) v “：，+ 丛刍型( 2 1 9 ) y 311 9 ) “2 ，+ 二鼍坚 ( 2 以 剪切速率即y 方向的速度梯度 瓦2 1 厂 ( 2 3 1 2 0 ) 将式( 2 3 1 2 0 ) 与式( 2 3 1 1 6 ) 带入式( 2 3 1 1 5 ) ，所以 丁：陋：一r t 2 k + 刁掣) 2 z 办 ( 2 - 3 1 2 1 ) 叫衍= 卜+ 刁半) 2 矿办 叫2 1 ) 。 积分的： r ：掣( r ；- r 4 ) + 一2 郴2 3 一r 扣丑 ( 2 3 1 2 2 ) 3 2 j j l 、2、2“。 、。一7 因此，离合器传递的转矩可以分为两部分： 互加= 万( 尺；一r ? ) f 口 ( 2 3 1 2 3 312 3 ) l 拥2i 万【尺i k ij f 口 ( 2 - 毛= 掣( 咖鼢 2 4 ) 二，z 2 3 2 圆盘式磁流变离合器参数分析及公式化简 在圆盘式离合器的数学模型中，可以看出输出转矩的大小受内径r l ，外径r ， 极限剪切屈服应力f 日，工作间隙j l 以及转速差a c o 五个变量的控制。参数过多不利于 设计的简化，因此根据某型号汽车布置离合器的允许空间，以摩擦片半径为5 0 m m 为 例，结合本课题使用的磁流变液，说明各个参数对于输出转矩影响，为公式的适当简 化作准