（材料加工工程专业论文）er离合器传输模拟装置界面改性研究.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑审申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导f 进行的旬f 究r 作及取得的成果，尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文巾1 ；包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所沦述的工作的任何贞献均已往论文| l i 作，r 明确的 蜕明j i ：已致谢， 本论文及其相父资料特有不实之处，r i 本人承担切相关责任 论交作者签名：i 玺：i 堡! 坌f ，出年：月? 2r 保护知识产权申明 本人完全r 解匹f 安理 大学有关保护知识产枞的规定，u p ：研究生任 校攻读学化期间所取得的所仃研究成果的知泌产权属阿安理工大学所有。 本人保证：发丧或使h 】勺本论文丰丌天的成果时署名啦位仍然为【儿i 安理工大 。浮，无沦何时何地未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果，学校有枞保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校叮以公布奉沦艾的余部或部分内容可以采_ l j 影印，缩印或 其他f - 段复制保存本论交 ( 加密学位论文解密之前后以卜巾明同样适用) 论文作者答钇：公丛! 垄) 导| j l j 签名：2 i 垄2 垒 口掣年；月，7f 1 、fpj、v7t 一4 西安理工大学硕士学位论文 e r 离合器传输模拟装置 界面改性研究 专业：材料加工工程 硕士生：淡新国 指导老师：范志康教授 签名溢垫! 鱼 签名丝查i 垒 摘要 本文研究了硅油淀粉( a ) 、硅油一硅酸铝( b ) 两种e r 流体的电流变性能， 并通过一套筒式e r 离合器模拟传动装置，研究且对比了这两种e r 流体在 筒式e r 离合器上的传输特性。结果表明a 是具有塑性屈服点的流体，其 在e r 离合器上有效调速电场范围较小；b 是假塑性流体，其在e r 离合器 上有效调速电场范围较宽。在此基础上，以硅油- 硅酸铝流体为e r 材料， 通过实验重点探讨了四种不同界面形式下e r 离合器输出性能变化及其机 理，表明内、外均加直条界面形式下e r 离合器输出性能较佳，且分析认为 实验条件下内简表面传输效率提高是引起e r 离合器传输性能增强的主要 原因。进一步又探讨了离合器内、外均加直条情况下，界面直条变化( 包 括直条数目变化，直条长度变化，直条排列形势变化) 对离合器输出性能 的影响及其规律，结果表明：( 1 ) e r 离合器界面直条数目n 变化对e r 离 合器输出性能有影响。随着界面直条数目的增多，e r 离合器输出转矩提高， 但直条数目过多反而不好，应当存在一个最佳值，对本实验装置，最佳值 为n = 8 ：( 2 ) 界面直条长度l 改变对e r 离合器传输性能有影响，随着直条 长度从零到离合器传输表面最大有效长度变化，离合器输出性能依次增强： ( 3 ) 直条排列形式变化对e r 离合器传输性能具有复杂的影响。在同样实 验条件下，四种界面形式中长短直条混排结构形式界面输出性能相对最高。 摘要 关键字：e r 流体，e r 离合器，界面，传输性能 西安理工大学硕士学位论文 s t u d yo nt h em o d i f i e db a r r i e rs u r f a c e so fam o d e l i n g c y l i n d r i c a le l e c t r o r h e o l o g i c a lc l u t c h d e v i c e s p e c i a l t y ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g c ：a n d i d a t e ：x gd a n s u p e r v i s o r ：p r o f z k f a n ( s i g n a t u r e ) 虚： a b s t r a c t t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h ee l e c t r o r h e o l o g i c a l ( e r ) c h a r a c t e r i s t i c so ft w o s u s p e n s i o n so fs t a r c hp a r t i c l e s ( a ) a n da l u m i n o s i l i c a t ep a r t i c l e s ( b ) i ns i l i c o n eo i l r e s p e c t i v e l y , a n da l s ot h e i rt r a n s m i t t i n gp r o p e r t i e so nas i m u l a t e dd e v i c eo f c y l i n d r i c a le rc l u t c h ( e r c ) b yc o m p a r i s o n ，o n l yt os h o wt h a ta i sak i n do f e l e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d ( e r f ) w i t hd e f i n i t ep l a s t i cy i e l d p o i n ta n d c a r lb e s u b j e c t e dt oan a r r o wv o l t a g er a n g eo ne r c ，w h i l ebi sak i n do fp s e u d o p l a s t i c e r fa n dc a nb es u b j e c t e dt oaw i l d e rv o l t a g er a n g eo ne r c t h e nb yu s i n g a l u m i n o s i l i c a t ee l e c t r o r h e 0 1 0 9 i c a lf l u i do nt h e m o d e l i n gd e v i c e ，e x p e r i m e n t s w e r ec a r r i e do u tt ou n c o v e rt h ev a r i a t i o n so ft r a n s m i a i n gp r o p e r t i e so ff o u r k i n d so f b a r r i e r ss u r f a c e sw i t hs t r i p sa ti n n e rs u r f a c e 、o u t e rs u r f a c e 、n e i t h e ra n d b o t hs u r f a c e su n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，o n l yt os h o wt h a tb a r r i e r ss u r f a c ew i t h s 仃i p sa tb o t hs u r f a c e ss h o w e dt h eb e s tt r a n s m i t t i n gp r o p e t t yo ht h ee r c t h e i r p o s s i b l em e c h a n i s m sw e r e a l s od i s c u s s e da n dt h eh i 【曲e f f i c i e n c yo ft h e m o d i f i e dd r i v i n gs u r f a c e ( i n n e rc y l i n d e r ) o ft h ee r ci st h em a i nr e a s o no ft h e i m p r o v e d 。e f f i c i e n c yo ft h ee r c st r a n s m i t t i n gp r o p e r t y t og e tt h eo p t i m u m b a r r i e r ss u r f a c ea r r a n g e m e n tu n d e rt h es a l n ec o n d i t i o n ，c o n t i n u o u ss t u d i e sw e r e p u tp r i m a r i l yo nt h ee f f e c t sa n dc h a n g i n gr u l e so fe r c st r a n s m i t t i n gp r o p e r t y w i t ht h ev a r i a t i o n so fs t r i p sr o wn u m b e r ，t h es t r i p sl e n g t ha n ds t r i p sa r r a n g e m e n t i ti si n d i c a t e dt h a t ：( 1 ) t h ev a r i a t i o n so ft h es t r i p sr o wn u m b e ro n l yh a v ee f f e c to n l l l a b s t r a c t t h et r a n s m i t t i n gp r o c e s s w i t ht h ei n c r e a s eo ft h er o wn u m b e rhi nar a n g e ，t h e t r a n s m i t t i n gt o r q u eo fe r ci se n h a n c e d b u tt h e nb e g i nt o r e v e r s ew h e n 行 r e a c h e se i g h t 。s on u m b e re i g h tw a sp r o v e dt ob et h eo p t i m u mr o wn u m b e rf o r t h em o d e ld e v i c e ；( 2 ) t h ev a r i a t i o n so fs 扛i p sl e i t ho n l yh a v ee f f e c to i lt h e t r a n s m i t t i n gp r o c e s s w i t ht h es t r i p sl e n g t hv a r i e df r o m0t ot h ef u l ll e n g t ho f t r a n s m i t t i n gc y l i n d e r ，t h et r a n s m i t t i n gt o r q u eo fe r c i sc o n t i n u o u s l ye n h a n c e d ； ( 3 ) t h ev a r i a t i o n so fs t r i p sa r r a n g e m e n to n l yh a v ec o m p l i c a t e de f f e c t so i lt h e t r a n s m i t t i n gp r o c e s s o fa l lt h ee x a m i n e df o u rb a r r i e r ss u r f a c e si nf i g 5 t o f i g 1 2u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n s ，t h eb a r r i e r sa r r a n g e m e n tm i x e dw i t hs t r i p so f d i f f e r e n tl e n g t h si nt h edf i g u r e so f f i g ，5 1 2e x h i b i t e dt h eb e s te n h a n c e dt o r q u e k e yw o r d s ：e l e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d ( e r f ) ，e l e c t r o r h e o l o g i c a lc l u t c h ( e r c ) ， b a r r i e rs u r f a c e s t r a n s m i t t i n gp r o p e n i e s 第一章前言 1 前言 1 1 电流变流体简介 电流变流体( e l e c t r o r h e o l o g i c a l f l u i d s ) 简称e r 流体，是近年来愈来 愈受重视的一种新型功能材料，也称 智能材料( i n t e l l i g e n tm a t e r i a l ) 或机敏 材判( s m a r tm a t e r i a l ) 1 2 1o 这是一种 由高介电常数、低电导率的电介质颗 粒分散于低介电常数的绝缘液体中 图1 1 电流变效应 形成的悬浮体系，它可以快速和可逆地对电场做出反应。如图1 1 所示，当 加外电场e = o 时，e r 流体表现为普通流体的性质：而当e g o 且达到一定值 时，流经两极板间的流体粘度急剧增大，甚至停止流动，表现出固体的抗 剪切性能。这是因为在电场作用下，e r 流体中固体颗粒发生极化，由于极 化颗粒问产生静电引力而使颗粒排成链或柱状结构，该结构大大地增加了 流体的粘度，当外电场大于某一临界值丘后，e r 流体会在几毫秒时i 剐内从 悬浮液流体状态转变为固体状态，流体也由n e w t o n 流体转变为b i n g h a m 流 体。当电场减弱或消失时，它又可以快速的恢复到原始流体状态，这种现 象被称为电流变现象，也称为w i n s l o w 效应1 3 , 4 1 。 利用e r 流体这种奇特的响应，可望制成原理全新的离合器、制动器、 执行机构、阀门、减震装置、柔臂系统、安装定位等器件，在交通、能源、 动力、机械、化工、国防等部门可获得广泛的应用，并且，在此基础上逐 渐发展起一种新型的技术电流变技术，因而发展这一新的功能材料和 技术具有重要的意义1 5 - 7 1 0 西安理工大学硕士学位| 文 1 2 电流变技术的发展历程 电流变现象早在1 8 9 6 年就由d u f f 哺1 发现，但这一时期，科学家们的 贡献h 限于发现了电粘效应，且由于没有发现高电粘效应的液体，该时期的 工作局限于在理论研究范围之内，因此一直没有引起太多关注。直到1 9 4 9 年，美国科学家w i n s l o w 系统地报道了他用8 年时间研究的某些悬浮体在 电场作用下粘度增大的实验结果，并申请r 专利 g - 1 2 1 。自此，电流变技术 研究才 起了人们的注意，才使工程技术人员看到了这一技术的工程应用 前景从而触发了物理现象与工程技术应用研究的开端。 从2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代，e r 流体研究主要集中在拳占土、淀粉等 含水审流变体系的材料，主要原因在于当时认为水分是e r 流体不可缺少的 的组份。l 瓜这类材料电流变效应太弱，根本不可能应用13 1 。而且由于水分 的存存，使褥e r 流体的工作漏电电流较人，电能损耗大：水分的存在还极 大的限制了材料的使用温度，因为温度变化时，会引起材料水分含量变化， 从而引起材料性能变化，从而增加了材料性能的不稳定性。因此，这时 期e r 流体的进展较慢，且限制并影晌了其在工程上应用的可能性。 直到2 0l 谴纪8 0 年代末期，b l o c k 和f i l i s k o 等的丁= 作，翻开了e r 流 体研究新的一页 1 4 1 7 1 他们证实水并不是e r 流体所必需的组成部分，没 何水的悬浮相，如硅铝酸盐、复合电解质同样能产生较好的电流变效应。 这使得人们看到了电流变技术发展的希望一方面是由于e r 流体的性能指 标越来越接近于实用；另一方面，电流变装置倘若应用在汽车上( 如减振 器、离合器等) ，将会引起一场深刻的汽车工业革命。这些都引起了工业 界的极大兴趣电流变技术研究在世界范围内广+ 泛展开。目前，国际上关 于电流变研究较为先进的国家有美国、日本、英国、德国和俄罗斯，如美 国许多大学相继建立了电流变研究课题组，主要从事电流变机理的研凳1 ”， 丽美国的许多研究部门和公司如g m 、l o r d 、福特汽车公司以及南依利诺 蛳大学和s t a d i a 幽家实验中心以及北c a r o l i n a 大学都在进行e r 流体和电 第一章前言 流变装置的研究开发。同时。英国、德国和日本的许多科研机构和大公司， 如英国l o t u s 公司和c r a n f i e di n s t i t u t eo f t e c h n o l o s v ，a i r l o sl t d ，b r i t i s h t e c h n o l o g y g r o u p 等，还有德国的b a y e r ，z f 公司、日本的n i s s a n 、t o y o t a 、 t o s h i b a 、t o n e n 公司与尼桑汽车公司部正在进行e r 流体器件的丌发研究 t 18 1 。自1 9 8 7 年开始，每两年召开一次的关于电磁流变流体的国际学术会 议，不断地总结了各国发展电流变技术的经验和成就，也极大地促使了电 流变技术的进一步成熟。 如今电流变技术在机理、材料制备和应用研究方面都取得了一系列重 大进展，在( ( n a t u r e ) ) 、( ( s c i e n c e ) ) 、( ( p h y s i cr e v i e wl e t t e r s ) ) 9 、2 1 1 等世界顶 尖级杂志上均作过报道。 我国在这方面起步较晚，2 0 世纪8 0 年代中期才由北京理工大学和中科 院化学所率先开始这一领域的研究1 2 2 1 国内的其他一些单位，如清华大学、 中科院物理所、中国科技大学、复旦大学、西北工、| k 大学、西安理工大学、 湘潭大学、华侨大学等也陆续开始了e r 流体配方和应用方面的研究。虽然 整体研究落后于发达国家，但在一些方面也取得了一定的进展。 最近，香港科学技术大学和中国科学院物理研究所研究人员基同研制 了一种新型e r 流体，出5 0 纳米大小的钛酸钡颗粒上包裹上尿素薄层，再 将之与绝缘的硅油混合在一起。在加电压后，他们发现这种液体会在千分 之一秒的时间里变为固体，而且固体的剪切强度可以达到1 3 0 千帕，比原 先理论预测的要强1 0 多倍，因此，他们也将这种新型e r 流体称为“巨电 流变液”( g i a n te l e c 仃o r h e o l 0 2 i c a lg e r ) 。同时，这种e r 流体还具有温度 稳定性好( 1 0 - - 1 2 0 摄氏度) 、电流密度底、不沉淀，以及化学稳定性好等 诸多优点。这一结果发表在l o 月份出版的自然一材料上，美国科学 杂志在其科学时刻中以液体变硬为题进行了介绍。美国华盛顿 邮报、香港大公报、文汇报、经剂f 1 报也纷纷载文介绍这一最新 突破。评论认为：“这项研究标志着电流变液的一项重大进展可能再度 西安理工大学硕士学位论文 引发投资者将此技术商品化的兴趣。”评论认为，这一成果解决了电流变应 用中的瓶颈障碍，极大地推动电流变技术的发展，标志着我国电漉变研究 水平i j 了一个新台阶 2 3 1 0 1 。3 电流变技术研究 鬯流变技术研究内容t 要包括以下方面：( 1 ) e r 流体材料研究；( 2 ) ：也流笺设直机理研究；( 3 ) e r 流体应用研究。 i 3 1e r 流体材料研究 e r 流体是指在电场作用下能够呈现出强烈的电流变效应的类特殊 滴鲰，是发展电流变技术的基础。没有性能良好的e r 流体，就难以开发出 适合r 业篙求的电流变器件和装置“1 。冈此，e r 流体组成的研究一直贯穿 j 二e r 沅体的发展之中，而且是研究较为十富的面。 j 前常见的e r 流体，除了单项均匀的液晶以外，主要是两相多组份 的悬手液。其l e 要的组成成分由三部分，即连续楣，悬浮拥和添加刺。 般、为，连续相希望是 导体，粘度小，稿蚀性小，存使用过程中要求稳 定睦野，能够适用较宽的温度范围。目静研究常用的材料有硅油、煤油、 矿物；乔、植物油和卤代烃等，他们的电导率较低，抗击穿性能较好。如赫 一代目电流变体就是以硅油为连续相 2 3 1c 刘 悬浮相颥粒，般希望他具有较高的介电常数，密度和连续相相 迈以避免滴析沉淀，保证使用过程中使用性能稳定，使用温度范围宽1 2 4 , 2 5 1 o 常用的国体粒子材料有：无机金属氧化物或非金属化合物，有机高分子材 料，自机半导体材料和镀膜的复台粒子等。 添鲫剂是为了改善e r 流体性能而加入的物质，其中包括促进电流变效 应的表面活性剂和防止粒子凝聚的分散剂和防l i = 固体粒子沉淀的稳定荆 等。享片j 的表囱活性剂有：油酸盐、山梨醇、甘油、二乙胺、低分子量的 第一章前言 聚酰胺、琥珀酸、酰亚胺、聚二甲基硅氧烷( 酮) 类表面活性剂，及苯酚 盐、磺酸盐、磷酸盐等。常用的稳定剂则包括嵌段共聚物和接枝共聚物。 添加剂含量一般较少，低于5 ，而稳定荆含量则更少，一般只占粒子重量 的o 0 5 o 0 3 1 4 1 。 经过近5 0 年的研究，人们已 经总结出对e r 流体材料特性的一 些基本要求，开发了系列e r 流 体，按照固体粒子分类主要有两大 类，即粒子分散型电流变体和均一 型电流变体 2 6 1 如图1 2 所示。 e r 流体目前研究的重点领域 是悬浮相的研究，因为依据e r 流 体液固态转变的极化模型，e r 流 r 吸附水 r 含水体系结构水 1 粒子分散型jl 电解质 r 半导体 。不含水体系i 导体 l 强电解质 l 其他 ，微胶囊 fj 2 均一型 m m i 时：内筒壁附近流体作剪切运动，外筒壁附近流体不 作剪切运动，此时，流动e r 流体的最大半径为： 西安理工大学硕士学位论文 其中，临界剪切应力7 r ，2 0 。此时： 一土2 掣把三2 r l r 弘靠”分和 毒： r 2 4 尼开院一 4吁、4 2 2 传动的力矩 当同心圆筒作相对运动时， 器传递的转矩分别为： fa ) 无电场作用时， ，：坂：塑些车型： 七一1 ( 8 ) ( 9 ) 在无电场和有电场作用条件下，e r 离合 粤4 , 7 ：q l k c a r t - r ，- ：蛑( 1 0 ) 一10 一 ( b ) 有电场作用时，传递的总力矩 魄：m 。；塑掣 一_ 。 + ! 苎! ! 点! ! 呈! 垒! 墨! 公式q j ： 口零电场条件下，电流变液体的动力粘度： f 离合器工作面的长度： 。，主动轴转动的角速度： “? 被动轴转动的角速度： 4u 主动轴和被动轴转动豹角速度差； 4 口主、被动轴转动的转速差； ，广_ 主动轴的内径； 以一被动轴的内径； 以疗筒壁间隙； 从公式f 1 0 ) 和( 1 1 ) 可见，在有电场作用时，e r 流体传递的转矩由两部 分组成，露e r 流体的粘性转矩和电致屈服应力所传递的转矩。而且这两种 第二章e r 离台器传输模拟装置 转矩的大小和变化规律受不同因素的影响。 对于粘性转矩，它主要受三方面因素的影响： 结构因素，包括内外同心圆筒的半径r t 、1 2 ，圆筒间隙h ，以及 同心圆筒的工作长度，最新的研究发现还与圆筒面的形态及粗糙 度等结构参数有关。这些参数显然对传递力矩有重大影响，但在 设计过程中，当结构完全确定后，这些参数可以认为是一些常数， 不受工况的影响而变化。 基础液体( 即电流变液体的连续相) 的粘度q ，这一粘度要求不 受电场、剪切速率及温度的影响。但一般情况下，粘度都受温度， 电场即剪切速率的影响，特别是对电粘效应较明显的流体，如大 多数液晶流体以及无机材料流体等。 主被动部分的转速差aq ，这是一个随着工况不同而有较大变化 的参数。因为，传递转矩的大小与转速差a ( 2 成正比，而转速差 可在较大范围内变化。 对于电流变效应所传递转矩，它的大小也受下列因素决定： 结构因素，包括内外圆筒的半径r 。和r 2 ，圆筒间隙h 以及同心圆 筒工作面的长度，等。这些参数，在结构设计确定后，均可认为 是不受工况影响的参数。 对于电流变效应所传递的力矩，起决定作用的是电致屈服应力 k 。，它是控制传递转矩的唯一可调节因素。根据电流变技术的 理论，f 。与场强e 的平方成正比例。 总之，由于e r 流体粘性所传递的转矩主要取决于主被动件的转速差， 当转速差为零时，粘性力传递的转矩也为零。由电流变效应所产生的转矩， 主要取决于电场强度e ，当场强为零时，电致屈服所引起的转矩也为零。 西安理工大学硕士学位论空 2 。3 此次研究用的传输模拟装置 此次实验所用e r 离合器传输模拟装置结构如图2 2 所示。在能够满足 试验条件的基础上经研究和比较，确定仪器基本尺寸参数选择为：6 = 4 m m ， r l = 2 4 r a m ，l = 4 0 m m ，i = 2 0 m m 7 0 1 q 在图2 2 中主动轴l 由三相交流电动 机通过皮带驱动，利用变频器调节电机电流的频率f 从而输出稳定的、可 龋节的主动轴转速q 。内简3 连接在主动轴l 上，和主动轴l 以相同的转 速q ：转动，通过e r 流体5 的粘性作用，带动外简6 以转速q ：转动。q ， 的篚可以通过电流频率厂换算得到，q ：的值a r 通过反光式测速计测得。m f 为加在从动轴8 上的阻转矩，其大小可以调节。调节方式如图2 3 所示。通 过凋节砝码4 ，可以改变绳子5 的张力，从而改变绳子施加给从动轴1 的摩 擦j 大小，达到调节m f 的目的。砝码质量越火，阻转矩m f 越大。 型2 3 负载转短m f 调节，下愚吲 在模拟装置中，外加直流电源产生的高压电场的正极通过电刷1 2 接在 内筒3 ，轴承座l o 接地，相当于外筒接地，因而可在内筒和外筒之间产生 高强电场，施加在两筒之间的e r 流体上。调节电源外加电压可以改变间隙 的电场，从丽改变e r 流体的粘度，进而改变从动轴转速。绝缘块2 的作用 是使内筒( 正极) 与其他部分绝缘。绝缘环4 作为外筒的加高部分，目的 是避免趣高压时内筒和外筒之间击穿放电。 第二章e r 离合器传输模拟装置 1 主动轴2 绝缘块3 内筒4 绝缘环 5 e r 流体6 外筒7 螺钉8 从动轴 9 轴承1 0 轴承座1 1 测速仪1 2 电刷 图2 - 2e r 离合器模拟装置结构图 西安理工大学硕士学位论文 2 4 传输模拟装置内筒和外筒壁面设计 为了研究e r 流体与内外筒壁面结合力并对比e r 流体本身强度，同时 为了减小e r 流体固化时界面处产生滑动，而使e r 流体本身的强度得到充 分的发挥，需要改变内篱及外筒与e r 流体 的接触面( 即界面) 的粗糙程度。丽大量研 究文献表明，存外加电场条件下，e r 流体中 固体颗粒沿电场方向排列成束状结构， l 起 流体的粘度增大，如图2 ，4 所示。根据这一 特征，叮按图2 。5 所示方法设计和改变界面 的形式二 j 生一斗+ + 一 0l 圈2 - 4e r 流体中悬浮相示意图 q 2 n l n 2 _ 图2 - 5 内筒及外筒壁面示意陶 当e r 流体中的悬浮颗粒在电场下呈柬状分布时，由于 第二章e r 离台器传输模拟装置 内外简的转速差aq = q 。一q ：，流体受到剪切作用，而直条的作用正是试图 “伸入”e r 流体中进行剪切作用，使e r 流体的抗剪切能力得到充分发挥。 其中，在内筒和外筒壁面上所粘贴沿轴线方向的直条形式如图2 - 6 所 示。直条的宽度a = 3 m m ，厚度b = 0 7 m m 。直条所用材料为绝缘性能良好的电 木。因此，当加上电场时，粘贴直条可能会改变电场的均匀性，但由于直 条很薄，可近似认为在筒壁间电场分布均匀，即与无直条的情况近似相同。 图2 - 6 直条形状图 根据界面直条设计的不同，界面设计可进行下列研究：( 1 ) 对比内筒 加直条，外筒加直条，内外都加直条和都不加直条四种不同界面条件下e r 离合器的传输性能：( 2 ) 对比直条数为n = 0 ，n = 3 ，n = 6 ，n = 8 和n = 1 2 五种 界面条件下e r 离合器的传输性能；( 3 ) 对比直条长度l = 0 ，l = 4 0 ，l = 3 0 ，l = 2 0 四种界面条件下e r 离合器的传输性能；( 4 ) 对比不同长度直条排列形式变 换时e r 离合器的传输性能。 第三章e r 离台器用e r 流体材料的选用 3 e r 离合器用e r 流体材料的选用 e r 流体是e r 离合器的输入和输出的中间单元，其性能的变化( 主要 包括其表观粘度及其抗剪切屈服应力的变化) 对离合器输出性能有决定作 用。丽e r 流体性能的变化是通过加在流体上的电场强度e 来实现的。因 此，研究e r 流体材料应用的规律和特性，首先必须了解e r 流体本身的性 能，印e r 流体的粘度，剪切应力等随电场变化的规律及其特点。为此，本 次实验研究对比了两种常见的e r 流体本身的电流变性能及其特点，以及其 在模拟离合器装置上的输出特点，并在此基础之上确定了研究所用的材料。 3 。1 两种电流变材料的性能研究 3 i 1 实验材料及其方法 3 1 1 1 实验采用的e r 材料 材料a ： 淀粉( g ) 2 0 1 一i o o 甲基硅油( m 1 1 = 3 0 材利b 熹需划2 0 1 1 0 0 甲基硅油r ，) 将上述两种材料按比例配置好，而后置如干燥箱内，2 0 0 下干燥2 小 时，目的是除去水分，减小施加高电压时的漏电电流。 3 。l 。1 2 实验方法 此次实验使用改装的电流变仪，选择在常溢下( 约2 1 ) 进行，所加 电乐从o - 2 0 0 0 v r a m 变化，剪剀速率从2 5 0 9 1 6 3 1s 。范围变化， 要测量 西安理工大学硕士学位论文 流体粘度和剪切应力随电场和剪切速率的变化。 改装后的粘度测试仪( 型号：n x s 1 1 ) 的基本工作原理如图3 1 所示。 外筒固定，内筒旋转，被测物料充满在两个圆筒之间的间隙内。在同步电机 的驱动下，内筒旋转。同时内筒表面因受到被测物料内分子磨擦的作用力 而产生一个与转向方向相反的一个扭力矩，此扭力矩促使与定子相连的、 做同步工作的可动框架上的测量弹簧做一定角度的偏转。此偏转角度由锥 形刻度盘读出，读数的平衡靠测量弹簧来达到。刻度盘指示值按转筒原理 计算公式进行计算，指示格数的大小与粘度成正比。此次实验所选择的测 量系统c 参数如表3 1 所示： 表3 - l 粘度仪c 系统的相关参数 转子 转简转子测量物料容 ql 实验中相关的计算公式有b= 其中x 是仪器常数：a 为粘度仪读数c 单位： d 驴一 格) 。 蠹 算尹z 是转筒常数，表示转盘上每格的“z ” il 彭j 值的大小，c 系统的：值为4 4 8 1 达因厘米2 。峙 建 曩再删 3 1 2 实验结果与分析 。氙 鲁硅嬲裟芝筹黼删飞霸鲁硅旦 n 圆1 一壬丌圆 一 簖帚蕊恩 由图中曲线可以看出： 图3 - i 电流变测试仪的工作原理 ( 1 ) 对两种e r 流体而言，在试验的各种电场条件下，随着剪切速率 的增加，流体的粘度下降，且存最初速率较小时，随着流体剪切速率的增 2 7 第三章e r 离合器用e r 流体材料的选用 加，桔度下降较快，接近一个数量级随后随着速率进一步增大之盾，粘 度下降变缓。 ( 2 ) 对两种e r 流体面言，在任一剪切速率条件下，随着外加电场强 度的增女，e r 流体的剪切速率和粘度都随之增加； ( 3 ) 对a 流体而言，在低电场强度条件下( e 1 3 8 r p m ：( 2 ) 不同电场强度下，在同一输入转 速臼，条件f ，随着电场强度e 的增大输出转速也随之增大。比较两种 流体转速曲线发现，a 流体的斜率明显大于b 流体的斜率，其在电场强度 e = 2 k v m m 时，线性回归拟合结果q2 = 33 3 4 3 8 + o 9 5 1 9 1ql ，斜率达到 o ，9 5 ，接近l ，此时转速差急剧减小，即q2 逐渐接近qi ，这是e r 流体强 度已经足够大已接近固化的标志。而硅酸铝流体斜率也在不断增加，但 罗一 芗， 的 _ 宝 甜 蛐 拍 ： 西安理工大学硕士学位论文 增加的较缓慢，在e = 2 k v m m 时，q2 = 2 9 3 4 3 4 9 + o 6 7 q i 。说明此时流体 还没有达到完全固化，而处在高粘性范围内。 图3 - 8 一图3 一1 1 是研究中a 、b 两类e r 流体材料输出转速o2 和电场强 度e 以及载荷的关系的试验结果。如图3 8 和图3 1 0 所示，在同一输入转 速和外加负载m f 条件下，随着电场强度e 的增加，a 、b 两种e r 流体的 输出转速q2 逐渐增大；其转速差q = q 。一q2 也相应的在不断减小，如图 3 - 9 和3 - 1 1 所示。 产生上述特征的原因主要是由两种e r 流体具有的电流变特性决定的。 如图3 1 2 所示，当电场强度为e l 时，输出转速为q2 ，输入输出转速差为 粘度增加，q2 将增大，使 图3 一1 2 输出转速q2 随电场强度e 而变化的分析图 得q 1 q2 减小，最终达到剪 切速率y27 ( y2 r t1 ) ，因为 l ( c 。大于k 。其中k 。为c o 直线的斜率，以上分析的是e r 流体达到固化前 的状态，随着电场强度e 的增加，输出转速q2 增加以及转速差q 1 q2 减小。 在相同电场e 和输入转速ql 条件下，如图3 1 3 所示，a 流体传输转 速均大于b 流体的传输转速，且a 流体输出转速随电场e 变化比b 流体快， 在电场强度e t 2 k v m m 以上，输出转速q2 。ql ，及输出转速约等于输出转 速；而b 流体的输出转速q2 可在小于输入转速qi 的范围内随电场e 增大 第三章e 1 1 离合器用e r 流体材抖的选用 薅持续增大，这说明a 流体对电场的响应比b 流体迟缓。 对此，类似的研究也表明 7 0 1 ，对淀粉流体和硅酸铝流体而言，如图 3 1 4 所示，其输出性能的特点是在较宽的电场范围内的，当电场强度增加 到一定值时，电场继续增加时，q2 变化不大，几乎保持不变，约等于输入 速度。如对淀粉e r 流体而言，当电场强度大于1 k v m m 对，输出速度基本 稳定，且输入输出转速差q l ，q2 的值几乎为零。而在电场强度e 处于 o l k v m m 范围内，输出转速o2 的变化较大，因而在此范围内可以有效的 调节q ：。硅酸铝e r 流体也有类似的特征，但其临界电场强度较高，在场强 e 大于3 k v m m 时输出转速q2 才趋于稳定。在0 3 k v m m 范围内，q2 有明显的变化，可以有效的调节q2 。 e ( k v m ) ； e v c t 鞭 聋 丑 辚 蝴1 1 9 0 绷椭3 瑚枷 电场强度( k v n ) 幽3 - l3 实验材料为a 车b 时，输出 削3 - 1 4 前期研究的e r 材料为a 平ub 转速q2 与电场强度e 的关系 时，输出转速q2 与电场强度e 的关系 由以上结果和分析可以得出：在外加电场e 和外加载荷m f 作用下，实 验的a 流体和b