（机械电子工程专业论文）基于磁流体介质的牵引传动研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 摘要 牵引传动是一种依靠牵引力来传递动力的传动方式，它借助于两 光滑金属滚轮间的弹性流体润滑膜( e m ) 的剪切力来传递扭矩和功 率。牵引传动装置的牵引力大小一方面取决于牵引介质的牵引系数； 另一方面取决于接触载荷( 正压力) 。目前牵引油的牵引系数为o 0 9 左右，还没研制出更高牵引系数的牵引介质。提高接触载荷，又受到 传动零件接触疲劳强度的限制。因此，现在的牵引传动的牵引能力并 不是很大，仅适合于高速小扭矩场合。为了充分利用传统牵引传动装 置的优点，同时又希望能降低接触应力，本文提出了一种新型的采用 磁流体的牵引传动增强型装置的设计。磁流体代替弹性流体作为牵引 介质以后，可以通过增强穿越磁流体的磁场强度，进一步提高磁流体 表现出来的剪切应力。将这种增强型的牵引介质应用于牵引传动装 置，即可通过增强磁场强度的方法来提高牵引传动的牵引能力，从而 降低接触应力。基于这种思想，通过控制三相绕组的电流强弱动态控 制牵引传动装置的牵引能力成为可能。 本文使用二维电磁场有限元分析软件对该种牵引传动装置的模 型进行了定解模型分析和参数化分析。定解模型分析主要面向定解模 型内部的磁场分布和行星轮太阳轮相切处的磁场强度。参数化分析主 要针对定解模型的几个敏感参数，如行星轮与太阳轮之间磁流体介质 层的厚度、三相绕组中所通电流强度。 关键字：牵引传动，弹性流体，磁流体，牵引装置，牵引能力 i i i 浙江工业大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n to f t r a c t i o nd r i v i n gt r a n s m i s s i o nb a s e do n m r f a b s t r a c t t r a c t i o nd r i v i n gi sa d r i v i n gm e t h o dt h a tu t i l i z e st r a c t i o nf o r c et ot r a n s m i tt o r q u e a n dp o w e rt h r o u g hf r i c t i o n a lr o l l i n ga n ds l i d i n gc o n t a c tb e t w e e nt w om a t i n gs u r f a c e s t r a c t i o nf o r c ed e p e n d so nt r a c t i o nc o e 筋c i e n to ft r a c t i o nm e d i u ma n dc o n t a c tl o a d t r a c t i o nc o e f f i c i e n ti su pt o0 0 9a t p r e s e n t , t r a c t i o nm e d i u mo fh i g h e rt r a c t i o n c o e f f i c i e n ti s u n a v a i l a b l e i m p r o v i n g c o n t a c tl o a di sl i m i t e db yc o n t a c tf a t i g u e s t r e n g t ho ft r a n s m i s s i o np a r t s u pt op r e s e n t ，t r a c t i o na b i l i t yo ft r a c t i o nd r i v i n gi sn o t l l i g he n o u g h 。i ns o m ea p p l i c a t i o ns c e n a r i o so fh i g hs p e e db u ts m a l lt o r q u e t h i sp a p e r p u tf o r w a r da n e w s t y l eo ft r a c t i o nd r i v i n g 、析t hm a g n e t i cf l u i di n s t e a d o fe l a s t i cf l u i d ，w h i c hm a k e sf u l lu s eo fa d v a n t a g e so ft r a c t i o nd r i v i n ga n dd e c r e a s e s c o n t a c ts t r e s s m a g n e t i cf l u i dc o n t r i b u t e st o i m p r o v i n gs h e a rs t r e s sb ye n h a n c i n g m a g n e t i cf l i e d s ot h ea p p l i c a t i o no fm a g n e t i cf l u i dc o n t r i b u t e st oi m p r o v et r a c t i o n a b i l i t ya n dd e c r e a s ec o n t a c ts t r e s s t h i sp a p e rm a k e sf i x e dm o d e la n a l y s i sa n dp a r a m e t r i cm o d e la n a l y s i sw i t h2 d e l e c t r o m a g n e t i c - f i e l df e ms o f t w a r e f i x e dm o d e la n a l y s i sf o c u s e so nm a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o na n dm a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yb e t w e e ns u n g e a ra n dp l a n e tg e a r p a r a m e t r i c m o d e la n a l y s i sf o c u s e so ns e v e r a ls e n s i t i v ep a r a m e t e r so ff i x e dm o d e l ，s u c ha so i l f i l mt h i c k n e s sb e t w e e ns u ng e a ra n dp l a n e tg e a r , c u r r e n ti n t e n s i t yi n t h r e e p h a s e w i n d i n g s k e yw o r d s ：t r a c t i o nd r i v i n g ，e l a s t i cf l u i d ，m a g n e t o r h e o l o g i c a l ( m r ) f l u i d s ，t r a c t i o n d e v i c e ，t r a c t i o na b i l i t y i v 浙江工业大学硕士学位论文 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含已获得浙江工业大学或其它教育 机构学位证书而使用过的材料。对本文研究作出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： ，雾 日期：卜年j - 月西日 浙江工业大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密函。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：己弘 日期： 导师签名： 期： n p 年r 月日 年f 月猡日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 一综述 迄今为止，机械运动和动力传递的主要方式是齿轮传动。但由于齿轮传动存 在着齿隙，所以有振动噪音大，需润滑及切齿加工等缺点。因此，人们长期以来 一直希望开发出一种像静压轴承、磁力轴承那样非接触型的传动装置，这样，便 出现了利用液体粘性传动的牵引传动【1 1 。所谓牵引传动，就是利用具有一定剪切特 性的润滑油，通过油膜来传递动力的传动方式。它有振动噪音小、可实现无级变 速等优点，且无需切齿加工。这里的润滑油，不是用于减轻摩擦的，而是用于传 递动力的。 弹性流体牵引传动1 2 3 】依靠高压油膜的剪切力传递运动和动力，其牵引力大小 一方面取决于牵引介质的牵引系数；另一方面取决于接触载荷( 正压力) 。目前牵 引油的牵引系数最高为0 0 9 - - 一0 1 2 ，还没研制出更高牵引系数的牵引介质。提高接 触载荷，又受到传动零件接触疲劳强度的限制。因此，目前牵引传动的牵引能力 并不是很大，仅适合于高速小扭矩场合。 为了充分利用牵引传动的优点，同时又希望能提高牵引能力，本文提出采用 磁性流体牵引传动的设想，设想用磁性流体代替弹性流体作为牵引介质。因为， 磁流体液可以通过增强磁场强度的方法来提高磁流体的剪切应力，那么，将这种 剪应力应用于牵引传动，就可以利用增强磁场强度的方法来提高牵引传动的牵引 能力或减低接触应力。 1 2 牵引传动简介 牵引传动( t r a c t i o nd r i v e s ) 是近几十年来得以迅猛发展的种性能优越的新 型传动方式。图1 i 是牵引传动的示意图，两个承受高压的相对滚动且具有一定表 面弹性的滚动体之间，存在着液态的具有高剪切特性的传动介质，借助于传动介 质的剪应力【4 羽，实现两运动表面的运动和动力传递。 浙江工业大学硕士学位论文 由于牵引传动中动力的传递是在两个光滑的滚动体之间，且被一层很薄的剪 切油膜所隔开，所以牵引传动能够非常稳定地实现传动比的连续变化，并且由于 避免了滚动体的直接接触，因而可实现无噪声、平稳的动力运动，同时，存在于 滚动体之间的油膜，又能有效地降低滚动体的磨损和减缓振动。 牵引传动的基本原理【6 。7 ，l 如图1 1 所示，滚轮1 是驱动轮，滚轮3 是被动轮， 在两轮外侧施加法向压力f 。这时，根据赫兹理论，两轮内侧发生弹性形变后， 局部变成一个小平面。在这种状态下，若滚轮分别以速度甜，u 2 ( u l u 2 ) 旋转， 润滑油则被拽入接触面内，形成油膜。另一方面，由于速度差“( “= u 1 u 2 ) 的存 在，则产生剪切运动，产生剪切力，。我们将这种润滑状态称为弹性流体润滑状态。 牵引传动就是在弹性流体润滑状态下实现的，我们将切向f 与法向力之比 称为牵引力系数。另外，将滑动速度差与平均速度之比称为滑动率。 一f 、麓零 口y 辽 t 、1 ，。厂， q0 “一 l f 件 图1 - 1 牵引传动基本原理 牵引传动【8 1 是一种依靠牵引力来传递动力的传动方式，它借助于两光滑金属滚 轮间的弹性流体润滑膜( e h l ) 的剪切力来传递扭矩和功率。因此，相比如齿轮 传动，牵引传动具有许多优良的性能，如高的机械效率、低的振动和噪音、很少 或没有侧隙等；相比摩擦传动，由于两滚动体之间存在着油膜，能有效地减低滚 动体的磨损。另外，当高速运行时，牵引传动还具有很高的功率密度。这些特性， 加上牵引装置固有的加工简单、制造成本低的特点，使其在某些领域的应用具有 极高的竞争力或不可替代性。 牵引传动采用特种润滑油作为传动介质。特种润滑油是一种以环状脂肪族碳氢 化合物为基础的化合物。它具有在常压下具有普通润滑油的性质，一旦承受高压 ( g p a 级) 时，粘度剧增的特性。牵引传动与传统摩擦传动的区别是牵引传动的两 2 浙江工业大学硕士学位论文 个光滑轮被牵引油膜隔开，两者不直接接触，同时两滚轮由于承受高压，使得接 触区域变成矩形状的面接触。当作用在滚轮间的正压力为常压的数千倍时，牵引 油膜的牵引系数可达0 0 9 - - 0 1 2 口3 ，这样就可以通过剪切油膜来实现运动和动力的 传递。弹流油膜的厚度为微米级，为了保证传动滚轮之间存在弹流油膜，而且油 膜不至于破坏，以确保是弹性流体牵引传动而不是普通的摩擦传动，油膜应达到 一定的厚度和保证一定的膜厚比口1 。 以横轴为滑动率，纵轴为牵引力系数，可以做出关系曲线，我们称之为牵引曲 线。通常，我们将曲线分为三个区域：线性区域、非线性区域和热区域。牵引传 动应该在线性区域内运转。 牵引曲线是随着润滑油的温度、解除压力的变化而变化的。温度升高，牵引力 系数将会变小，同样，压力降低也会使牵引力系数减小，当然润滑油的种类也是 重要的影响因素之一。 牵引力系数越大，牵引传动所传递的力就越大。即时采用现在已经开发出来的 牵引传动专用油来传递动力，其牵引系数也不过是0 1 左右，也就是说，牵引力仅 为正压力的十分之一左右。因此，开发剪切抗力大的传动油，也是牵引传动研究 中的关键。 牵引传动可以分为两种：一种为定速比传动( f r t ) ，另一种为连续变化速比 传动( c v t ) 。一直以来，人们对连续变化速比传动做了较多的研究。连续变化速 比传动主要应用于以发动机为原动力的汽车领域。为了改善燃油效率和减少废气 排放，要求发动机在理想转速范围内运行，并且这个速度范围很窄。这时候汽车 行驶速度的变化就只能通过变速器的调节来实现。为了降低噪声，通常变速器采 用牵引传动或摩擦传动；为了便于调速，一般采用点接触的传动形式。由于传动 零件间为点接触，使得传动零件的接触应力很大，这就极大地限制了传动件能够 承受的接触载荷，也就限制了牵引传动所能传递的力矩和功率。 相比之下，定速比传动1 9 】可以线接触，线接触扩大接触零件间的接触面积，允 许的接触载荷可以很大，这大大提高了牵引传动所能传递的扭矩和功率，也就实 现了定速比牵引传动在高功率场合的应用。同时，定速比传动因其结构简单，而 更能适应工作环境。可以预见，制造精良的定速比传动将广泛应用于电动汽车( e v ) 和混合动力汽车( h e v ) 领域，在这些领域，定速比传动杰出的传递大功率能力 将获得充分发挥。 浙江工业大学硕士学位论文 弹性流体动力润滑理论揭示了牵引传动的机理。动力按主动件一油膜一从动 件的路线传递，由于传动中油膜受到剪切，主动件和从动件之间存在与牵引力大 小相关的表面线速度差异，即相对滑动，通常以滑滚比和牵引系数来衡量牵引传 动副的相对滑动和牵引力，两者有图1 2 所示的典型关系，牵引传动在图中的线性 区域工作，该区域最大滑滚比在o 1 o 5 ，因此，由牵引副相对滑动引起的机 构速比变化极其微小，设计和工作时可认为牵引机构定速比传动。 图1 2 滑滚比s 与牵引系数肛的关系 牵引传动需要足够的正压力。产生正压力的方式有两种：一种为恒压加压法； 另一种为自动加压法。 1 2 1 恒压加压法 恒压加压法主要依靠滚动体的弹性变形来产生牵引传动所需要的正压力，产 生弹性变形的方法有过盈配合法和静压膨胀法 3 1 。 无论所需要的正压力是大或小，恒加压法所产生的正压力始终为恒值( 取决 于过盈量或静压力) 。这种加压方式的结果，一方面使滚动体持续处于高压应力状 态，易引起滚动体的接触疲劳而失效；另一方面，一旦过载，滚动体之间易产生 打滑现象，而自动加压法就可以避免这种两种现象的发生。 1 2 2 自动加压法 自动加压法可以自动产生牵引传动所需要的正压力，并能够根据外载荷( 力 4 浙江工业大学硕士学位论文 矩) 大小的变化自动调节正压力的大小。 到目前为止，自动产生正压力的牵引传动装置已有多种多样，最为典型的是 对称行星滚轮牵引传动装置( 如图卜3 所示) 。由于此类装置采用对称行星轮机 构，正压力作为内力能够获得了很好的平衡，因而行星滚轮机构成为自动加压牵 引传动的首选机构。对称行星滚轮牵引传动装胃普遍采用锥形滚道，通过调节一 对面对面或背靠背配置的锥形滚道的轴向移动，来达到径向位移，从而产生牵引 或摩擦传动所需要的正压力。 为了使两锥形滚道产生轴向位移，继而产生径向位移，行星滚轮牵引传动需 要设置一个自动加载机构。加载机构可以采用滚珠v 形槽机构和端面凸轮机构， 它们的工作原理基本相同。 l 外圈2 行星滚轮3 太阳轮4 输出轴5 行星架 图i o 对称行星滚轮牵引传动装置 偏置行星滚轮机构又是一种自动产生正压力的牵引传动装置i l q 。如图l 一4 所 示通过偏置太阳轮使得在太阳轮和中心轮( 外圈) 之间产生一个弧形楔隙。 行星滚轮在太阳轮的驱动力作用一f ，有逐渐被拉入楔形间隙小端的趋势，从而产 生牵引传动所需的下压力，且所产生的正压力j 下比于传动装置所受的外负载。不 过这种传动装置只能单方向运行，故兼具有离台嚣的作用。 浙江工业大学硕士学位论文 图1 4 偏置行星滚轮牵引传动装置 第三种自动产生正压力的牵引传动装置作者称它为浮动滚轮机构【n , 1 2 。如图 1 - 5 所示，当主动的太阳轮l 按逆时针方向旋转时，一方面，通过太阳轮与内侧滚 轮2 之间摩擦力的带动，使得浮动的摆动杠杆3 绕铰链轴6 顺时针转动，这样在 摆动杠杆上另一端浮动的外侧滚轮4 便紧紧压在外圈5 的内滚道上，从而产生各 滚轮之间( 太阳轮与内侧滚轮、内侧滚轮与外侧滚轮、外侧滚轮与外圈的内滚道) 摩擦传动所需要的正压力；另一方面，通过各滚轮之间的摩擦传动，将太阳轮的 运动传递到外圈并输出。同样，这种传动装置只能单方向运行，因此也兼具有离 合器的作用。 五 1 太阳轮2 内侧滚轮3 摆动杠杆4 外侧滚轮5 外圈6 铰链轴 图1 5 浮动滚轮牵引传动装置 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 牵引传动发展历史和技术现状 摩擦传动是牵引传动的摇篮。1 8 8 6 年，雷诺的流体动压润滑理论问世，为很 好地解决在摩擦传动中摩擦和润滑的矛盾提供了有力的理论工具，导出了著名的 雷诺方程。一百多年来，人们以这一方程为基础，成功地解决了滑动轴承的动压 润滑等一系列润滑问题。 弹性流体动力润滑( e h l ) 论是近代润滑理论发展出的新成果，而牵引传动 的理论又是脱胎于弹流理论，弹流理论从出现到现在，对“理想模型 指光 滑体、稳态、等温、牛顿流体的弹流问题进行了广泛、深入的研究，并出现了各 种各样的数值计算方法，得出众多的弹流油膜厚度的公式。这些结论和实验结果 大多能吻合。因此，可以认为，理想弹流模型的油膜厚度问题已基本上得到解决。 与此同时，理想弹流模型的牵引力问题却遇到了很大麻烦。方面，牛顿流体模 型算出的摩擦牵引力和实验值相差甚远；另一方面，从牛顿流体模型看流体力学 性质几乎完全相同的两种牵引流体，在相同的工况下测出的摩擦牵引力竟相差几 个数量级。因此，用牛顿流体力学理论来解决这些想象，已显得无能为力了。于 是，许多学者提出了，对弹性流体牵引力问题，应从牵引流体的非牛顿流体粘方 面加以深入研究。 1 9 5 5 年c l a r k 等人在实验中观察到，处于高压状态下的牵引( 润滑) 流体， 当其受的剪应变率达到一定值以后，会出现屈服现象，也就是说，在高压、高剪 切率的情况下，牵引流体呈现出了塑性固体的剪切特性。同时，从当时实验中得 出的关于弹流接触区的润滑油膜厚度，和直接从弹流理论中推出的结论相吻合， 而从实验中得出的牵引力、牵引系数( f p ) 却比由理论推算出的小得多，在重载、 中等滑动速度的情况下，这种现象更加明显。针对这些显现，人们经过几年的研 究一致认为：在高压弹流接触中，流体已经不是牛顿流体而应该呈现为非牛顿流 体特性。 到目前为止，已提出的牵引传动非牛顿流体模型可分为五种类型： 1 ) 临界剪应力假说 该假说认为：在某一临界剪应力下，流体呈牛顿特性，而当剪应力达到或超 过某一极限值后，流体就不再遵循牛顿流体理论，而是表现出非牛顿流体的特性。 提出这一假说的学者研究了牵引曲线中非线性部分的粘弹性，得出了很简单的非 浙江工业大学硕士学位论文 线性本构方程，他们认为：总的剪应变率，：是线性的弹性剪应变率吃和非线性的粘 性剪应变率只。之和。 ，：= 丘+ 元= 土g 害州f ) 1 - ( 1 ) 厂2 匕+ 2 一百+ ，。( f ) 式中f ( f ) 非线性粘性函数。 2 ) 流动状态的热力学理论 这种理论式把剪应力和剪应变率的关系作为主要变元的能障理论。它认为： 流体分子的移动是当分子从它的亚晶体结构的平衡位置向它附近的“空间”里移 动时发生的，这是一个激发过程，在移动时，分子必须具有足够的能量来克服遇 到的能障，在没有外力作用时，在一个方向上能够克服能障而移动的分子数目恰 好等于相反方向上移动的分子数目，所以没有净流动。当给流体施加剪应力后， 沿剪应力方向上的能障有所减小，减小的数量等于分子在剪应力作用下移动时所 做的功，在剪应力相反的方向上，能量将增加同一数量。因此，将发生在剪应力 方向上的净流动，当剪应力不大时，分子移动的速度与剪应力成正比，当所做的 机械功与k r 之间( 兀k 分别为绝对温度和波耳兹曼常数) 变成同一数量级时， 剪切应变率和剪应力的关系就变成非线性的了。根据热活性理论，该模型具有双 曲正弦流体流动关系式，即 ，7 ，：= os i n h ( r r o ) 卜( 2 ) 式中 7 7 小剪应变情况下的粘度； f 0 特征( 临界) 应力。 3 ) 时间相关粘度假说 这种理论认为：当给润滑( 牵引) 流体施加一定的压力时，其粘度会随之增 大，但是，实际上并不能在加压的那一瞬间就达到最终的稳定值，而是存在一个 时间滞后，慢慢地增大，经过一段时间以后才达到上述稳定值。而这一滞后的长 短，又和压力值额大小有关。其原因在于，对于润滑流体的任何与压力有关的物 性参数，其改变过程都是由分子的移动来实现，这样一种移动速度决非无穷大， 因而这一移动过程需要一定的时间才能实现。同时，润滑( 牵引) 流体的粘度不 可能随着压力的增大而无限制地增大，而是存在一个极限值。于是流体受压后每 8 浙江工业大学硕士学位论文 一时刻的粘度限定值与时间的关系为 l o g r l i m = a + b l o g t 1 - ( 3 ) 式中 刁胁聿引流体在时刻t 的粘度极限值； a ，卜与牵引流体有关的常数。 4 ) 粘弹理论 粘弹理论认为：当d 数较小时，牵引力主要受牵引流体的粘性特性的影 响，而弹性效应则可忽略，在小应变率时，为线性粘性体，而在大应变率下则成 为非线性粘性体；反之，当d 数较大时，牵引流体则成为粘弹流体。 5 ) 弹粘塑理论 牵引流体在高压下将产生玻璃体转换。该理论认为：在液体状态下，剪切流 变特征可看成典型的粘性流体，即使处于高剪应变率状态下，亦可将其视为粘弹 性体。但当其进入固体区域后，小剪切应变率的状态下，其弹性特性就具有极限， ( 即存在极限剪切应力和临界剪切应变值) ，在靠近夜固转换点附近的区域 内，流体可看成是粘、弹、塑特性的一个复杂组合，于是得到本结构方程： 户= 之+ 卜( 4 ) 即 产= 亍一l n ( 1 一矛) 1 一( 5 ) 其中户总剪应变率： 吃弹性剪应变率； 乞- 粘、塑性剪应变率： f 剪应力。 牵引传动在机械工程中有很多广泛的应用。由于牵引传动具有高效率、低噪 音等优点，因此，在动力的传递中得到了广泛的应用。其独特的寂静和圆滑的传 动性能是其他传动方式所无法比拟的。 牵引传动还被用于超高速传动领域。某一行星变速机构，也才采用滚轮传递 动力，其转速最高可达4 0 万转分。由于滚轮无需切齿加工，所以其承受的离心 力比齿轮大得多；另外，滚轮没有像齿轮那样的“扇叶，不会像齿轮那样切割空 9 浙江工业大学硕士学位论文 气而发出剧烈的噪音。 牵引传动在精密往复运动机构中也得到了应用。牵引传动不存在像齿轮传动 那样的间隙，因此，牵引传动在微小步距的进给，微小步距的往复运动等领域也 是很适用的。有人正在研究将其应用在亚微米级精度的微运动机械中，正是利用 了牵引传动的优良特性。 牵引传动在水轮机、建筑工程机械等需要较大牵引力的领域是不适用的。另 外，牵引传动机构的零件的加工精度要求相当高，在牵引传动中，滚轮任何形势 的几何滑动和扭曲都将大大降低其传递动力的效果。机构中零件的变形也将给传 动带来很大的影响。但随着机床工业的发展，牵引传动将会获得日益广泛的应用， 尤其是它高效率、低噪音的优点是其他传动方式所不可取代的。 1 4 论文研究内容和主要工作 本文重点研究磁流体牵引传动技术的理论分析与建模方法，通过二维参数化有 限元分析验证理论分析的正确性。 本文主要设计一种新型的磁流体牵引传动装置，解决了常规弹流体牵引传动装 置存在的滚轮间正压力偏小达不到较大牵引力的问题，充分利用牵引传动装置外 壳中嵌入的三相绕组，产生与行星轮对应多周期的磁场分布，聚集的磁力线增强 了磁流体介质在正压力下的牵引能力，并且三相绕组中的电流变化随着行星轮绕 太阳轮旋转而旋转，达到了同步变化同步增强正压力的目的。 1 5 论文组织结构 本论文的内容安排如下： 第一章综述 本章介绍了各类牵引传动装置的基本原理、性能，国内外牵引传动技术的研 究现状，引出本论文的主要目的和意义。 第二章磁流体牵引传动装置设计与理论分析 本章将磁流体引入牵引传动装置，提出了一种新型的磁流体牵引传动装置， 解决了常规弹流体牵引传动装置存在的滚轮间正压力偏小达不到较大牵引力的问 题，充分利用牵引传动装置外壳中嵌入的三相绕组，产生与行星轮对应多周期的 l o 浙江工业大学硕士学位论文 磁场分布，聚集的磁力线增强了磁流体介质在正压力下的牵引能力，并且三相绕 组中的电流变化随着行星轮绕太阳轮旋转而旋转，达到了同步变化同步增强正压 力的目的。 第三章磁流体牵引传动模型的有限元分析 本章介绍磁流体牵引传动装置的m a x w e l l2 d 的有限元仿真原理、方法，对太 阳轮与行星轮切线上的磁场强度作了关于三相绕组内电流和太阳轮与行星轮间油 膜厚度的单一因素参数化有限元分析，并对仿真结果作深入分析。 第四章磁流体牵引传动装置传动能力研究 本章首先研究了弹流体牵引传动能力的计算方法，然后得到了磁流体牵引传 动能力的计算方法。并对油品的选择和表面粗糙度的研究。 第五章总结与展望 总结了与此课题有关的研究工作和不足，提出值得改进的地方，展望磁流体 牵引传动装置的应用及其发展前景。 1 6 本章小结 本章介绍各种磁流体牵引传动装置的基本原理、性能，深入探讨了国内外磁 流体牵引传动技术的研究现状，进而叙述了本论文的主要研究内容和工作，最后 给出了论文结构框架。 浙江工业大学硕士学位论文 二磁流体牵引传动装置设计与理论分析 本章拟提出一种新型的磁流体牵引传动装置的设计方案，对磁流体牵引传动 装置建立数学模型，通过理论分析深入探讨方案的可行性。 2 1 磁流体介绍 磁流体又称磁性流体、磁流变液，磁流变液是一种具有发展前途和工程应用 价值的新兴材料( 智能材料) 。性能良好的磁流变液在磁场的作用下能产生明显的磁 流变效应，即在液态和固态之间进行快速可逆的转化，这种转化是在毫秒量级的时 间内完成的。在该过程中，磁流变液的粘度保持连续，无级变化，整个转化过程极快， 且可控，能耗极小，可实现实时主动控制。磁流变液的研究是在电流变液( e r f ) 的基 础上发展起来的，一般认为w i n s l o w 在2 0 世纪4 0 年代末期发现了电流变现象，并把 这种现象解释为由电场诱发固体颗粒相互作用所构成的链状结构阻碍了剪切流 动。同时他也提到了与电流变现象相类似的“磁流变液”。 磁流体是将一种强磁性的固体微粒( 直径在0 0 1 zm o 1 m ) 高密度地分散 在基液液体( 如水、矿物油、精制油、二酯、三酯，聚苯醚等) 中制成的胶体溶 液。强磁性的固体微粒通常用磁铁矿、氧化铁、稀土磁性材料等，近来又有用氮 化铁代替氧化铁。溶液中还须加入表面活性剂，使得粒子表面附有一层表面活性 剂，不致在磁流体中出现凝结现象，不论有无外加磁场，都呈现出良好的流动性， 所以也可以说是一种“有磁性的流体”。 磁流体是一种人工制成的物质，它是一种具有发展前途和工程应用价值的新 兴材料。自1 9 6 5 年美国宇航局( n a s a ) 在阿波罗计划中采用磁流体消除火箭液 体燃料中的气泡开始，随着阿波罗计划的完成就公开了。性能良好的磁流变液在 磁场的作用下能产生明显的磁流变效应，即在液态和固态之问进行快速的转化， 这种转化是在毫秒量级的时间内完成的。磁流体一般是由三部分构成：铁磁性易 氧化固体颗粒，载液油和稳定剂。磁性固体颗粒一般用球形金属及铁氧化磁性材 料。而作为连续载体的载液油一般是非磁性能良好的油，如矿物油、硅油、合成油 等。好的载液具有低的零场粘度，大的温度稳定性，不污染环境等特性。稳定剂是用 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 来确保颗粒悬浮于液体中。与磁流变液相关的稳定性有团聚稳定性和沉降稳定性， 前者阻止颗粒粘结在一起，而后者确保颗粒随时间推移不往下沉淀。稳定剂必须有 特殊的分子结构，一端有一个对磁性颗粒界面产生高度亲和力的钉扎功能团，另一 端还需一个极易分散于某种基液中去的适当长度的弹性基团。1 9 8 3 年出现了高性 能的稀土永磁材料脓铁硼后，取代了结构上较为复杂的电磁系统，磁流体的 应用就更加广泛。随着磁流体性能的提高和研究的发展，该技术越来越广泛的应 用于航空航天、机械工程、汽车工程、精密加工工程、控制工程等领域。 磁流体如果不处在外加磁场中，则在整体上并不显示出磁性，虽然单个的微 粒由于原子磁矩和排列有序而具有磁性，可以看成微小的永磁体，但大量粒子( 由 于表面活性剂的作用并不凝结在一起，处于自由悬浮状态) 由于布朗运动不断运 动着，具有热运动能量，这种能量使得相邻的粒子也不能产生粘结，从整体上看， 所有的粒子是无序的，总体并不显示磁性。如果有外加磁场，则粒子的磁矩与外 加磁场作用，使得粒子排列有序，从而使磁流体在整体上显示出被磁化，这种被 磁化的程度与粒子的排列有序程度有关，有序程度越高，磁化程度也越高，同时 又与组成粒子的材料有关，这种材料的饱和磁化率越高，磁化程度也越高。 现在普遍公认的最早关于磁流变液的工作始于r a b i n o w 。磁流变液的剪切屈服 应力比电流变液大一个数量级，且磁流变液近年来受到了广泛关注。随着磁流变 液性能的提高和研究的发展，磁流变技术开始应用于航空航天、机械工程、汽车 工程、精密加工工程、控制工程等领域。 2 2 磁流体牵引传动原理 弹性流体牵引传动依靠高压油膜的剪切力传递运动和动力，其牵引力大小一 方面取决于牵引介质的牵引系数；另方面取决于接触载荷( 正压力) 。目前牵引 油的牵引系数最高为0 0 9 - 一0 1 2 ，还没研制出更高牵引系数的牵引介质。提高接触 载荷，又受到传动零件接触疲劳强度的限制。因此，目前牵引传动的牵引能力并 不是很大，仅适合于高速小扭矩场合。 为了充分利用牵引传动的优点，同时又希望能提高牵引能力或降低接触应力， 本文提出采用磁性流体牵引传动的设想，设想用磁性流体代替弹性流体作为牵引 介质。因为，磁流体液可以通过增强磁场强度的方法来提高磁流体的剪切应力， 浙江工业大学硕士学位论文 那么，将这种剪应力应用于牵引传动，就司以利用增强磁场强度的方法来提高牵 引传动的牵引能力。 在磁场作用下的剪应力可以用宾汉模型【l o 】表示： f = f p ) + 7 7 夕，f f 佃)2 - ( 1 ) 尹= 0 ，丁 f ( b ) 式中：- 为剪应力；r ) 为屈服应力；，7 为零磁场下粘度：户为剪切应变率。 磁性流体剪应力由两部分组成，一部分是粘性产生，另一部分为磁流变产生。 宾汉模型假定：在零磁场时，磁流体的屈服应力为f = r l 少，并显示牛顿流体性质； 在一定磁场力作用下，屈服应力随磁场的增加而增大。当剪应力彳 z ) 时，磁 流体呈粘弹性；当剪应力- f ( b ) 时，磁流体又呈牛顿流体性质。 2 3 磁流体牵引传动装置 牵引传动机构设计主要是解决压紧力的设定问题，为提高传动能力，定速比 牵引机构适合采用无自旋的线接触的牵引副，而采用行星传动方式的定速比牵引 机构，不仅太阳轮受力对称，避免了又压紧力引起的轴系径向力，而且还增加了 传动副数目，提高了传动能力，是牵引机构的研究方向。 磁性流体牵引传动装置可以借用弹性流体牵引传动装置，例如行星滚轮牵引 装置【1 3 - 2 0 。不过在此基础上需要增设一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速应与行 星架的转速一致，这样才能确保磁场的磁力线近似为两滚轮接触点的公法线，磁 性流体的剪应力近似为两滚轮接触点的切线，从而使剪应力成为切向的牵引力， 如图2 1 、图2 2 所示。 1 4 浙江工业太学硕士学位论文 曲 图2 - 1 u 露2 ： 二 ( a )( b ) 神三相绕组b ) 牵引传动装置 图2 - 2 六楹旋转磁场磋流体牵引传动装置 旋转磁场的产生可以借鉴交流异步电动机。交流异步电动机又称为感应电动 机。从结构上说，感应电机和同步电机的定子是一样的，只是转子结构不同而己。 同步电机和直流电机也是类似，也由定子和转子两部分组成，定子转子之间有气 隙，如图2 3 所示。定子上有u i u 2 、y 1 y 2 、w 1 w 2 三相绕组，他们在空问上彼 此相差1 2 0 电角度，每相绕组的匝数相等。转子磁极上装有励磁绕组。由直流励 磁，其磁通由转子n 极出来，经过气隙、定子贴心、气隙，进入转子s 极而构成 u m u u 浙江工业大学硕士学位论文 回路，如图2 3 中虚线所示。如果用原动机拖动发电机沿反时针方向恒速旋转，则 磁极的磁力线将切割定子绕组的导体，由电磁感应定律可知，在定子导体中就会 感应出交流电动势。设磁极磁场的气隙磁通密度沿圆周按正弦规律分布，则导体 电动势也随时间按正弦规律变化。 由于三相绕组在空间彼此互差1 2 0 0 电角度，在图2 3 所示转向下，磁力线先 切割u 相绕组，再切割v 相，最后切割w 相。因此，定子三相电动势大小相等， 相位彼此相差1 2 0 0 。电动势的频率可以这样决定：当转子为一对极时，转子旋转 一周，绕组中的感应电动势正好交变一次；当电机有p 对极时，则转子旋转一周 时，感应电动势交变p 次；设转子每分钟转数为7 ，则转子每秒钟旋转6 0 转， 因此感应电动势每秒交变p n 6 0 次，即电动势的频率为 厂：罢 2 ( 2 )。 6 0 、7 从上式可见，感应电动势的频率，等于电机的极对数p 与转子每秒钟的转速n 6 0 的乘积。我国国家标准规定，工业交流电动势的频率为5 0 h z ，因此电机的极数和 转速成反比关系。即当电网频率厂一定时，电机的转速珂= 6 0 厂p 为恒值。 当三相异步电动机的定子绕组通以三相电流时，各相绕组中的电流都将产生 自己的磁场。由于电流随时间变化，它们产生的磁场也将随时间变化，而三相电 流产生的总磁场( 合成磁场) 不仅随时间变化，而且是在空间中旋转的。旋转磁 场的转速( 即同步转速) 与电流的频率成正比，与磁极对数成反比，即有如下关 系： 6 0 厂 n o = 上( r m i n )2 - ( 3 ) p 调节电流频率f ( 变频调速) ，可以改变旋转磁场的转速，以实现与行星架同 步；增加磁极对数p ，就可以增加行星轮的对数，以提高牵引能力，一般为两对( 四 极) 和三对( 六极) ，如图2 1 、图2 2 所示。 另外，在保证磁流体牵引的同时，是否还继续保持弹流体牵引( 即在加磁场 的同时，继续加正压力) ，有待进一步分析、研究和实验验证。 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 2 4 本章小结 1 本章提出了一种新型的磁流体牵引传动装置设计方案，在弹流体牵引传动 的基础上引入了磁流体作为牵引介质，通过借鉴异步电动机的旋转磁场原理加强 了行星轮和太阳轮之间的正压力，达到增强牵引传动装置的牵引能力的效果。 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 三磁流体牵引传动模型的有限元分析 3 1 电磁场问题的有限元求解 有限元求解是通过离散化来求取偏微分方程的近似数值解的方法，对各类电 磁计算问题具有较强的适应性。所谓的有限元法就是将整个区域分割成许多很小 的子区域，这些子区域通常称为“单元”或“有限元”，将求解边界问题的原理应 用于这些子区域中，求解每个小区域，通过选取恰当的尝试函数，使得对每一个 单元的计算变得非常简单，经过对每个单元进行重复而简单的计算，再将其结果 综合起来，便可以得到用整体矩阵表达式的整个区域的解，这一整体矩阵又常常 是稀疏矩阵，可以更一步简化和加快求解过程。由于计算机非常适合重复性的计 算和处理过程，因此整体矩阵的形成过程很容易使用计算机处理来实现。 电磁场的边值问题实际上是求解给定边界条件下的麦克斯韦( m a x w e l l ) 方程组 及由方程组演化出的其他偏微分方程问题。从求解问题的技术手段上来说，它可 以分为解析求解和数值求解两大类。对于简单模型，有时可以得到方程的解析解。 若模型复杂度增加，则往往很难获得模型的解析解。随着计算工具，特别是高速 大容量电子计算机的发展，电磁场数值分析已深入到工业生产各个领域，解决问 题的面也越来越广，分析的问题也日益复杂。电磁场数值分析是- f 7 综合性的学 科，涉及电磁场理论、数值分析、计算方法、计算机基础知识及高级语言等多个 方面，但在计算上存在着共性。有限元法是一种常用的数值方法且有相应的电磁 软件问世，其中a n s o f tm a x w e l l2 d 5 9 】就是非常优秀的电磁分析软件。 3 2a n s o f tm a x w e l12 d 软件介绍 a n s o f t 公司是全球最大的提供以电磁技术为核心的专业e d a 厂商之一。 a n s o r 系列软件中的m a x w e l l2 d 模块是一个功能强大、结果精确、易于使用的二 维电磁场有限元分析软件。它包括电场、静磁场、涡流场、瞬态场和温度场分析 模块，可以用来分析电机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静 态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的特性。它包括的自上而下执行的用户界 面、领先的自适应网络剖分技术、用户定义材料库等特点，使得m a x w e l l2 d 在易 1 8 浙江工业大学硕士学位论文 用性上遥遥领先。m a x w e l l2 d 具有高性能矩阵求解器和多c p u 处理能力，提供了 最快的求解速度。 m a x w e l l2 d 可以分析涡流、位移电流、趋肤效应和邻近效应具有不可忽视作 用的系统，得到电机、母线、变压器、线圈等电磁部件的整体特性，功率损耗、 线圈损耗、某一频率下的阻抗、力、转矩、电感、储能等参数可以自动计算，同 时也可以给出整个相位的磁力线、磁场强度( 日) 、磁通密度( b ) 、能量密度、温 度分布等图形结果。此外还能自动计算力、转矩、电感以及各种线性、非线性及 各向异性材料中的饱和问题。 m a x w e l l2 d 软件目前已经被广泛应用于电机、电子、汽车、航空、生物医学 和国防军工等领域，已经在a b b 、西门子、通用汽车、n a s a ( 美国国家航空和宇 宙航行局) 等著名世界知名企业和机构得到广泛应用和验证。 3 2 1m a x w e l l2 d 使用步骤 二维静磁场模块可用来准确的仿真直流电压和电流源、永磁体及外加磁场激励 引起的磁场，典型的应用包括激励器、传感器、永磁体。它可直接用于计算磁场 强度( 日) 和电流分布( ，) ，再由磁场强度日获得磁通密度b 。此外，它能计算力、 转矩、电感及各种线性、非线性和各项异性材料的饱和问题。这一特点对于建模、 分析和计算微驱动器是相当方便的。一般情况，一个m a x w e l l2 d 软件的仿真过程 主要包括前处理、求解和后处理三个步骤，如图3 1 所示。前处理主要是建模、分 配材料、指定边界条件和激励源，后处理主要包括图形显示和分析定解场求解结 果、图形显示参数化求解结果。 1 9 浙江工业大学硕士学位论文 图3 - 1m a x w e l l2 d 软件仿真步骤 3 2 2m a x w e l l2 d 静磁场求解模块 一般来说，m a x w e l l2 d 求解器分两步计算静磁场，步骤如图3 2 所示。首先， 进行传导电流求解，计算导体内部的恒定电流引发的电流密度；然后，使用电流 密度作为激励源进行静磁场求解，以边界条件形式指定的外部磁场也作为源参与 运算。在模拟磁场之前，m a x w e l l2 d 对传导电流进行求解，采用了稳恒电场求解 器的方程，v ( o r ) = 0 。在计算电流密度分布以后，静磁场求解器采用安培定律和 高斯磁通定律求解磁场强度和磁感应强度，v h = j ，v b = 0 。 浙江工业大学硕士学位论文 图3 - 2m a x w e l l2 d 求解器求解过程 3 3 定解模型有限元前处理 首先假设：( a ) - - 相绕组导线内的电流分布均匀，电流载荷由输入电流密度表 示；( b ) 磁流体牵引传动装置内所有物体和介质均是各向同性的。基于以上假设， 建立磁流体牵引传动装置的定解模型，采用二维有限元分析软件，对磁流体牵引 传动装置内磁场分布( 尤其是太阳轮和行星轮交界处) 进行了深入研究。 一般情况下，在m a x w e l l2 d 中前处理阶段主要包括以下几个步骤：定解模型 ( n o m i n a lm o d e l ) 建立、材料分配、设置边界条件和激励源以及网络剖分。 3 3 1 建立几何模型 本文设计的磁流体牵引传动装置的主要部件是太阳轮、行星轮和外壳。太阳 轮和行星轮是由硅钢制成的圆柱体，其轴的材料是铝合金，外壳也是由硅钢制成， 在外壳内嵌入三相绕组的导线层。太阳轮外径1 0 r a m ，内径5 i 啪；行星轮外径5 m m ， 内径2 5 n u n ：壳体外径2 5 m m ，内径2 0