（机械设计及理论专业论文）汽车风扇磁流变液离合器及智能控制系统研究.pdf

摘要 摘要 随着汽车的数量急剧增长，对其节能和控制噪声的要求日趋强烈。发动机 冷却风扇的降噪与节能已成为车辆设计者研究的重要课题之一。液体粘性传动 理论及其应用研究已有5 0 年的历史，话方国家广泛用于汽车发动机的液体粘性 风扇离合器就是一个典型案例。磁流变液是一种性能优良、应用前景广阔的智 能材料，其粘性和屈服应力可用磁场加以控制，已经成为许多领域的研究热点。 磁流变液离合器具有一定的调速功能，能满足对发动机冷却风扇的调速要求。 论文的创新之处是，在国内首次将磁流变液用于汽车风扇离合器，并且对 磁流变液粘性传动风扇离合器的理论、结构、控制系统和试验进行了研究。 首先，理论上分析了磁流变液风扇离合器传递转矩的基本原理，建立了磁 流变液离合器的剪切式数学模型，分析了不同参数下的动力学特性；根据发动 机结构特点及驱动风扇所需转矩的要求，确定了离合器的结构形式以及各种参 数：设计并研制出了结构简单、新颖的磁流变液风扇离合器：在台架试验基础 上对离合器的调速性能进行详细分析，提出了磁流变液风扇离合器的控制策略。 其次，设计了磁流变液风扇离合器电控系统，研制出了硬件设备，经实验 能够满足对风扇离合器线圈电流的实时控制。 再次，根据发动机冷却水温的控制要求，选用大偏差饱和分段控制及小偏 差模糊控制的组合控制策略，用c 5 1 语言编制了控制算法程序，并通过实验室 试验验证了算法的有效性。 最后，通过试验验证了理论的正确性及离合器结构和电控系统设计的合理 性，为今后设计相关的磁流变液装置提供了理论与方法参考。 研究表明，这种新型的磁流变风扇离合器与传统的硅油风扇离合器相比节 约了风扇的能耗，降低了噪声，具有广阔的应用前景。 关键词：磁流变液，风扇，离合器，模糊控制，单片机 a b s l r a c a b s t r a c t w i t hs h a r pi n c r e a s eo ft i mn u m b e ro fa u t o m o b i l e ，l h er e q u i r e m e n to fe n e r g y s a v i n ga n dn o i s ec o n t r o l l i n gi sb e c o m i n gn l o l ea n dm o r ei n t e n s e n o i s ed e c r e a s i n g a n de n e r g ys a v i n go fe n g i n ec o o l i n gf a nh a v eb e c o m eo n eo fi m p o r t a n tt a s k sf o ra u t o d e s i g n e r s t h er e s e a r c ho ft h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no ff l u i dv i s c o u sd r i v eh a s a l r e a d yh a dah i s t o r yo fn e a r l yf i f t yy e a r s t h ev i s c o u sf l u i df a l lc l u t c ht h a tw i d e l ，r u s e di na u t o m o b i l ei nt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e si s oneo f p o w e r f u l e v i d e n c e m a g n e t o r h e o l o g i c a l ( m r lf l u i d sa r ei n t e l l i g e n tm a t e r i a l sw i t hg o o dp e r f o r m a n c e a n dw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s ，w h o s ev i s c o s i t ya n dy i e l ds t r e n g t hc a nb ec o n t r o l l e d b ym a g n e t i cf i e l d s ，a n dh a v eb e c o m eah o tr e s e a r c hi nm a l a yf i e l d s m rf l u i df a n c l u t c hh a sg o o df u n c t i o ni nv e l o c i t yr e g u l a t i n g ，a n dc a ns a t i s f yd e m a n do fe n g i n e c o o l i n gf a n t h ei n n o v a t i o no ft h ep a p e ri st ob r i n gf o r w a r df i r s t l yi n t e r i o r l ya ni d e at h a tm r f l u i di su s e di na u t of a nc l u t c h ，a n dt h es t u d yo ft h et h e o r y , s t r u c t u r e ，c o n t r o ls y s t e m a n de x p e r i m e n to fm rf l u i df a nc l u t c h f i r s t l y , t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fm rf l u i df a nc l u t c hi nt r a n s m i t t i n g t o r q u ei s a n a l y z e d ，i nt h em e a n t i m e ，as h e a rm o d e lo fm rc i n t c hi sp r o p o s e d ，a n dd y n a m i c s p e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tp a r a m e t e rc l u t c hi sa l s oa n a l y z e d t h es t r n e t u r es h a p ea n d s o m ep a r a m e t e r sa r ee s t a b l i s h e db ys t r n c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fe n g i n ea n dr e q u i r e m e n t o ft r a n s m i t t i n gt o r q u ef o rd r i v i n gf a l l m rf l u i df a nc l u t c hh a v i n gs i m p l e ，n o v e l s t m c t u r ei sd e s i g n e da n dm a d ea tt i l es a m et i m e ，o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t s ，t h e c h a r a c t e r i s t i co fv e l o c i t yr e g n l a t i n go ft h ec l u t c hi ss t u d i e di nd e t a i la n dac o n t r o l l i n g r e g u l a t i o no fm rf l u i dc l u t c hi sa d v a n c e d s e c o n d l y , e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo fm rf l u i df a nc l u t c h i sd e s i g n e d ，a n d h a r d w a r ee q u i p m e n t ，w h i c hc a l lc o n t r o ll o o pc u r r e n to fm rf a nc l u t c ho nl i n e ，i s d e v e l o p e d t h i r d l y ，a c c o r d i n gt oc o n t r o l l i n gd e m a n df o rt e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e r , a c o m p o s i t ec o n t r o l l i n gs t r a t e g yi su s e d ，w h i c ha d o p t ss u b s e c t i o nc o n t r o lf o rb i ge r r o r a b s t r a c t a n df u z z yc o n t r o lf o rs m a l lo n ep r o g r a m ss e l e c t e df u z z yc o n t r o la r i t h m e t i ca r e w r i t t e ni nc 51l a n g u a g e ，a n dc o r r e c t e db y e x p e r i m e n ti nl a b o r a t o r y f i n a l l y , b ye x p e r i m e n t s ，t h ec o r r e c t i o no fa n a l y s i s ，s t r u c t u r eo fc l u t c ha n d d e s i g no fe l e c t r o n i cs y s t e ma r ev e r i f i e d t h ep a p e rp r o v i d e st h e o r ya n dm e t h o d r e f e r e n c ef o rd e s i g no fi n t e r r e l a t e dm rf l u i de q u i p m e n tf o r t h ef u t u r e t h es u b j e c ti n d i c a t e s ，c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls i l i c o n o i lt h nc l u t c h ，t h e n e w - s t y l em rf l u i df a nc l u t c hc a ns a v ee n e r g ya n dd e c r e a s ef a nn o i s e ，a n dh a sw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：m rf l u i d ，f a n ，c l u t c h ，f u z z yc o n t r o l ，s i n g l e c h i p 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定1 签名：挫聊签名：遨日期：鲨堕j 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 汽车与人类生活的关系越来越密切，已经成为人们生产、生活不可缺少的 工具。当然，人们对汽车性能的要求也越来越高，现代汽车的每个部件几乎都 成为设计者们研究的课题。降低能耗、提高发动机效率和降低噪声已是现代汽 车设计必须认真考虑的几个问题忆 车辆设计者们已经注意到发动机冷却系统中冷却风扇平时不仅是一个较大 的噪声源而且也是明显的耗能部件。风扇噪声与转速的4 6 7 次方成正比，风扇 消耗的功率与风扇转速的3 次方成正比，其中转速越高指数越大。试验表明， 一台重型货车的冷却风扇在最高转速时所消耗的功率可以占到总功率的3 5 左右；另外，如果风扇以很大的加速度从空转增大到2 8 0 0 r p m 时，其噪声级可 以从空转时的7 0 d b 增加到全速运转时的8 6 d b 1 0 。 要降低风扇的功率消耗( 即降低能耗，增加发动机有效输出) 与风扇噪声，其 途径就是在保证冷却需要的前提下，降低风扇转速或根据发动机冷却水温度的 变化对风扇的转速进行调制”。 因此，根据发动机的工作情况及外部环境的变化，对风扇转速进行控制与调 节，是实现汽车节能的一个非常有效的方法。而值得推荐的方法是采用温度控 制离合器控制风扇转速，使风扇仅在冷却水温高时高速旋转：而在冷却水温低 时，n l t 速旋转。这样在减少不必要的功率消耗，提高发动机效率，降低风扇 噪声的同时，也延长了发动机寿命。 1 2 汽车冷却系统及设计准则简介 汽车、拖拉机、工程机械等的发动机是在环境温度及运转工况不断变化的 情况下工作的。当其工作时，空气燃油混合气体在气缸中燃烧，燃烧气体的温 度可达2 2 0 0 。c 或更高一些，产生的热量一部分被气缸壁、气缸盖和活塞吸收， 因此必须采用冷却方法使气缸壁的温度不能高于2 0 5 2 6 0 。c ，温度高于这个范 第一章绪论 围，将使润滑油膜破裂，失去其润滑性能；当温度低时会使发动机的动力性和 经济性变坏，浪费燃料。因此，发动机冷却系统的功能是使发动机的受热零件 在辽止：的濉立下： 作1 4 2 l 。汽乍发动机的冷却系统撒拱, i nj 1 j 的不同冷却介质词分 为两种基本类型，风冷式和水冷式两种。i l l 前z r ：辆的冷却系统小多采用闭式强 制冷却系统。 图1 1 是目前汽车发动机应用最为广泛的闭式强制循环冷却系统示意图1 4 2 j 。 水冷发动机的气缸盖和气缸体都铸造出用来储水的、相联通的夹层，称为水套。 它使冷却水得以接近受热零件，并可在其中循环流动。水泵5 将冷却水由机外 的散热器吸入加压，并流入发动机缸体水套。在此，冷却水从气缸壁吸收热量， 温度升高，继而流到气缸盖水套，再此受热升温后沿水管流入散热器1 内。由 于在风扇6 高速旋转产生的强力抽吸作用下，空气流由前向后以高速从散热器 通过。受热后的冷却水在流经散热器的过程中与高速流过散热器的气流进行热 交换，从而使热量不断地散发到大气中，使从发动机中流入散热器的冷却水得 到冷却。如此不断地循环。 o 卜敞热器2 一节滥器3 一小循环水管4 一百叶窗5 一水泵6 一风扇 7 一护风瞬8 一放水开关9 皮带轮l 0 一水温感应塞 图1 - 1 汽车发动机闭式强制循环冷却系统示意图 在这种闭式强制循环的水冷却系统中，可以看到改变风扇6 的转速就可以调 节冷却系统的冷却强度。 众所周知，目前的冷却风扇大多由发动机曲轴通过皮带轮直接驱动，并且其 冷却能力一般是按高气温、恶劣工况设计，它依发动机用途和使用条件的不同 而不同8 7 】。例如：对载货车，一般是按炎热夏季、高气温( 4 0 ( 2 ) 、汽车爬坡迎 2 2 3 4 5 6 7 8 9 第一章绪论 风气流速度小、发动机满负荷工况设计。因此，相对于汽车在平坦路面上以 4 0 6 0 k m h 速度行驶时，冷却系统的冷却能力就显得有很大过剩了。 中轻型载货汽车在一般公路上，常以6 0 8 0 k m h 速度行使，由于行使产生的 迎面风对散热器的冷却作用，一般气候情况下，可以保持发动机冷却水的正常 温度。但冷却风扇在发动机的驱动下，一直高速旋转，保持较高冷却强度造 成发动机的工作温度偏低。春秋季节当气温在l o 左右时，9 0 的中、轻型汽 车需要关闭保温帘行使，即使关闭保温帘，发动机的冷却水温度也难以超过8 0 【4 】。发动机冷却水的温度对发动机功率、转矩及耗油量的影响，见图1 2 、图 1 3 【”1 。其中图l 一3 中按制造厂规定水温应保持在8 0 8 5 ，为防止温度过高损 坏发动机，未将水温达到8 0 以上。 毒习害 温度 图1 2 东风e 0 6 1 0 0 发动机额定功 率、水温与油耗的关系 图卜3 东风e 0 6 1 0 0 发动机额定油门水 温与功率、扭矩及油耗的关系 图1 2 和1 3 是发动机在台架上，模拟汽车满载等速运行工况时的曲线。模 拟车速为4 5 k m h ，发动机转速为1 5 7 4 r p m ，功率为2 4 k w ，转矩为1 4 6 nm 。从模 拟试验数据可以看出：冷却水温度由8 0 降至6 0 时，油耗增加3 ，4 4 ，功率降 低4 1 1 ，转矩降低2 2 0 ；降至5 0 时，油耗增加5 7 ，功率降低6 1 7 ，转矩 降低4 3 7 ；降至4 0 时，油耗急剧增加，功率和转矩迅速下降。 另外，发动机温度过低也会加速活塞环与缸壁的磨损，降低发动机寿命。 这也是考虑使用风扇离合器的重要原因。 因此在冷却系统中传统的由发动机曲轴通过皮带轮直接驱动风扇的方式亟 待改进，它不仅浪费了功率，增加了油耗，而且风扇转速也不能随发动机热状 态和环境温度的变化丽变化，从而始终保持发动机温度的稳定。如果使用风扇 离合器，冷却风扇的转速可以根据发动机的热状态自动地调节，不断改变冷却 一 第一章绪论 能力。这样不但可以使发动机工作在较佳的温度范围，延长发动机寿命，而且 山降低风扇噪j 竹、增人订效输功；社耳减少燃油的消 e 。 1 3 冷却系统中风扇的传动及速度控制 冷却系统设计可以选择不同的风扇驱动方式。风扇的驱动大致可以分为机 械驱动、电力驱动、液压驱动、液力驱动和液体粘性驱动等五大类。对于具体 的使用要求和在车辆中的不同布置，每一类中又可以有不同的结构形式。 ( 1 ) 机械驱动 机械驱动是最传统的驱动形式，风扇可以通过传动机构以高于或低于发动机 曲轴的转速工作。具体结构形式有胶带驱动、轴驱动、齿轮箱驱动等。风扇转 速与发动机转速是定传动比，风扇的转速与发动机的热状态无关。其中胶带驱 动方式曾广为各种车辆使用。 ( 2 ) 电力驱动 电力驱动是选用直流电机驱动冷却风扇，它可以把散热器和风扇安装在发动 机机仓内任意可供利用的空间。车辆上最易得到的电源就是电器系统使用的电 源。一般汽油发动机车辆是1 2 v 直流电源，柴油发动机车辅是2 4 v 直流电源。 这种传动方式在发动机横置式车辆上应用较多。风扇转速可以随冷却水温度连 续变化，但系统的造价较高，且直流电机工作时需要的电流较大。 f 3 1 液压驱动 液压驱动冷却风扇系统在载货车辆中有一定应用，它需要单独的一套液压系 统，风扇转速可以不受发动机转速的影响，因而可根据需要来调节风扇的转速， 以改善发动机的热工况。但是液压风扇驱动系统较复杂、造价较高、不易安装、 维护。一般只在少数需要冷却强度较大的重型车辆上使用。 ( 4 1 液力驱动 风扇的液力驱动装罱重量轻、安装灵活，其转速一般与冷却要求成正比，而 与发动机转速无关。这是通过在被冷却的液体里安装一个湿度传感器来实现的。 液力偶合器是风扇液力驱动装置的典型代表。缺点是轴向安装尺寸大。 ( 5 ) 液体粘性驱动 液体粘性驱动即通过液体风扇离合器来驱动风扇。主要形式有限速型( 限制 最高输出转速) 、限矩型( 限制最高输出转矩) 、温控型( 根据温度变化控制输出 d 第一章绪论 转速及转矩) 等几种结构型式。其最大特点有：在寒冷的气候条件下有利于发动 机升温；使风扇所需功率尽可能小。论文中研究的风扇离合器就是一种利用磁 流变液的电磁温控液体粘性风扇离合器。 磁流变液( m a g n e t o r h e o t o g i c a lf l u i d s m r f ) 是当今国际上智能材料领域研究 的一个重要分支。磁流变液在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化，可由流 动性良好的液体状态在短时间( 毫秒级) 内粘度增大，而呈现类似固体的状态， 其强度由剪切屈服应力来表征；而且这种变化是连续、可逆的，即一旦去掉磁 场后，又变成可以流动的液体。磁流变液离合器正是利用磁流变液的这种特性 的一种主要应用装置 1 , 2 1 。 1 4 液体粘陛传动风扇离合器的发展概况 4 l + 液体粘性风扇离合器的发展历史并不长，美国人在五十年代制造出第一台 供发动机使用的液体粘性风扇离合器。最早可以在车辆冷却系统中使用的液体 粘性风扇离合器是美国人s h e r m a n 研制成功的，并在1 9 5 7 年获得2 7 9 2 0 9 5 号美 国专利。随后美国人l 锄e n t 也研制成功了可实用的液体粘性风扇离合器，并获 得1 9 5 9 年2 8 9 5 5 7 5 号美国专利。可见液体粘性风扇离合器在世界范围内的研究 最多只有五十几年的历史，但现在已经形成了不同类型、不同规格、不同调速 控制方式的产品。 液体粘性传动风扇离合器的发展到目前为止可以认为有以下三个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代初期至6 0 年代末，首先出现了对液体粘性传动的研究， 并初步研制成功可以用于汽车冷却系统的液体粘性传动风扇离合器。 ( 2 ) 2 0 世纪6 0 年代末，特别是进入2 0 世纪7 0 年代后，至2 0 世纪8 0 年代初 期，由于各国都在推行各种节能措施，促进了液体粘性传动风扇离合器的发展， 这时期出现了各种规格、各种形式的双金属片型温控液体粘性传动风扇离合器。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代初至今，由于车辆结构形式的发展，横置、后置发动机布 置形式的大量采用以及新车型的不断出现，要求液体粘性传动风扇离合器有更 好的适应各种车型的能力。因此电磁温控型液体粘性传动风扇离合器开始出现 并有了很大发展，出现了各种设计思想、各种结构形式的电控液体粘性传动风 扇离合器。 第一章绪论 早期的液体粘性传动风扇离合器，作为根据发动机 热状态调整冷却风扇转速的装置，其感温元件都是双金 属片。如图1 - 4 中冷却风扇离合器的结构。双金属片4 位于风扇离合器的前部在热气流的冲击下，由于热膨 胀而产生的角位移带动小轴3 及阀片2 旋转，打开进油 口5 ，硅油进入工作油腔，冷却风扇高速旋转；在冷气 流的冲击下，双金属片产生反向角位移，关闭进油口5 ， 硅油被排出工作油腔，风扇低速旋转。这种结构形式较 简单，但存在以下问题： ( 1 ) 不能与新车型同步设计。由于发动机机仓g , j 气 流流动复杂，难以在设计阶段通过数值计算确定在散热 1 隔板2 阀片3 - 小轴 4 双金属片5 - 进油口 图卜4 双金属片型冷却 风扇离合器 器后侧某一点的气流温度，因此对于用双金属片感知发动机热状态的这种部件， 还存在不足。 ( 2 ) 由于不能详尽了解车辆在各种工况下，散热器后的气流温度场，不能准 确了解不同类型、不同型号车辆散热器后的温度场以及由于双金属片本身存在 的温度滞后现象，使液体粘性传动风扇离合器的节能、降噪效果受到了影响， 不能发挥其最大的节能效果。 ( 3 ) 由于双金属片是通过感知经过散热器后气流的温度而确定发动机的热状 态，因此，对于发动机横置、后置的车辆就难以使用。 ( 4 ) 由于双金属片及小轴处在外界气流的直接冲击下，所以长期行车后，会有 大量积尘，影响其运动，从而使液体粘性传动风扇离合器调节风扇转速的作用 失效。 ( 5 ) 双金属片型温控硅油风扇离合器在其运转过程中不能实行人工干预。 以上这些是在使用双金属片型液体粘性传动风扇离合器过程中发现的弊 病说明用双金属片通过中间介质一通过散热器的热空气流，感知发动机冷却 水的温度不是方便和最佳的方法。因而，自2 0 世纪8 0 年代以来，用安置在发 动机冷却水出口的温度传感器直接测量冷却水温度，通过电磁驱动机构控制液 体粘性传动风扇离合器的进油口开、闭的电磁温控液体粘性传动风扇离合器成 了研究热点。 为使液体粘性传动风扇离合器能更好地适合实际中的多种需要，众多的从事 电磁温控液体粘性传动风扇离合器的研究者，设计了很多种类各异、特点不同 一6 一 第一章绪论 的电磁温控液体粘性传动风扇离合器，其中具有代表性的有 ( 1 ) 通用发动机公司s t e p h e ne c l a r k e 设计的具有迸 油口快速丌闭功能的电磁温控离合器 8 8 】，具体结构见图 1 5 。但是，此离合器的电磁系统的设计并不完善。励磁 线圈通过轴承安装在主动轴上。因此，电磁系统中磁利 用率较低。 ( 2 1 伊顿公司d o u g l a sd r o h r e r 设计的电磁温控液体 粘性传动风扇离合器8 9 1 。设计者把励磁线圈安排在离合 器的主动轴内腔中，使离合器的电磁性能得到较大提高， 其结构见图1 - 6 。其不足之处是采用电刷、滑环进行电器 连接。车辆行驶时，迎面的气流会直接通过散热器进入 发动机机舱，在多尘环境中使用电刷与滑环的动态连接 方式是不合适的。 i 隔板2 阀片3 衔铁 4 主动轴5 励磁线圈 图卜5 电磁温控液体 粘性传动离合器 f 3 ) 德国b e h r 公司的m a n f r e dn o r m e n m a n n 设计的电磁温控离器t 9 0 l ，是采用 极化电磁铁结构形式，具体结构见图l 一7 。图中标号为4 的零件是一块粘接在阀 1 隔板2 一阀片3 衔铁 4 主动轴5 励磁线嘲 图卜6 带滑环的电磁温控 液体粘性传动离合器 i ，回位弹簧2 - 励磁线圈3 - 阀芯 4 永磁材料5 阀片 图卜7 采用极化电磁铁结构的 电磁温控液体粘性传动离合器 片5 上的永久磁铁材料。在励磁线圈中无电流时，在回位弹簧l 作用下打开出 油口；当励磁线圈中有电流时，线圈铁芯与永久磁体极性相同，因此，在电磁 力的作用下阀片顺时针转动，将出油 j 关闭。这种电磁温控硅油风扇离合器的 特点是带有永久磁体的阀片丌闭机构与静止的电磁铁芯不接触。 一 一 第一章绪论 ( 4 ) 由于目前电子控制燃油喷射发动机大量使用而出现的新颖的电磁温控液 体粘性传动风扇离合器。它的控制信号已不再是单一的冷却水温度，而且这种 离合器的运转也不是由单一用于冷却风扇离合器的温度测控电路控制，两是受 发动机的控制单元( e c u ) 控制。这利一离合器最典型的是伊顿公司最新推出的7 1 2 型电磁温控液体粘性传动风扇离合器。其结构及控制单元的连接见图1 8 。 图1 87 1 2 型电磁温控风扇离合器 目前，从各国的专利、文献来看，美国在这方面的研究工作历史最长、水平 最高，且美国一些公司的产品现都己系列化，在实际使用中也取得了显著效果。 在液体粘性离合器的设计研制方耍，美国的伊顿公司、通用公司最具有代表性i “。 在国内，关于液体粘性传动风扇离合器的研究工作开始较晚，大约2 0 世纪 7 0 年代初期，长春汽车研究所才开始液体粘性传动风扇离台器的研制工作。目 前，从事这项研究工作的单位很多，主要有吉林工业大学、中国第一汽车集团 公司、东风汽车集团、山东农业大学、北京理工大学等。目前生产硅油风扇离 合器的厂家有浙江宁波圣龙集团、浙江黄岩的爱信集团、通达汽车零部件企业 集团、北京普利特汽车泵厂等，生产的硅油风扇离合器也只有双金属片型1 4 1 。但 关于汽车智能磁流变风扇离合器的研制和生产还未见报道。 1 5 电流变液体与磁流变液体及其风扇离合器的比较 电流变液( 简称e r f ) 和磁流变液( 简称m r f ) 是在2 0 世纪4 0 年代分别山美国 第一章绪论 人w w i n s l o w 和j r a b i n o w 首先提出的但直到2 0 世纪8 0 年代之后才引起人们 的关注。首先引起人们重视的是e r f ，这主要是人们看到了e r f 有许多可供发 展技术和工程应用的奇异特性。电流变技术的发展及新型电流变流体的不断出 现，也给调速型风扇离合器的研制带来了许多便利条件 8 0 l 。 北京理工大学的魏宸官教授对电流变液风扇离合器的设计和研制进行了有 益的尝试，目前已有一些这方面的专利公开发表1 9 m 】。但从发表的文章和专利 看，只是一些原理性的装置，真正投入使用的还没有。主要原因有：一是电流 变液体的性能不过关且不能满足长期使用的要求；二是其结构形式和控制方式 太复杂 1 0 】。 由于目前电流变液体所能得到的屈服应力不是足够大( 一般不超过1 0 k p a ) ， 因此在很大程度上，电流变液体风扇离合器仍具有与硅油风扇离合器相同的工 作原理，只是由于其表观粘度能够随外加电场强度的变化而变化，所以才具有 一定范围内的调速功能。根据目前所能得到的电流变流体的性能来看，当输入 转速较高时，还不能实现传动比为1 的直接传动。因此，如何使高输入转速下 风扇离合器具有较大的调速范围以及电流变液体的性能得到最大程度地发挥， 这也正是电流变液体在调速型离合器应用中面临的一个主要问题。 在风扇离合器的机械结构方面，由液体粘性传动理论可知，调速离合器传 递扭矩的能力与参与剪切作用的工作面的面积成正比，与工作面的间隙( 或其二 次方) 成反比。因为电流变液体没有足够大的屈服应力，因此电流变离合器的设 计主要采用多片式和多筒式结构，并尽量减小工作面的间隙。而多片式的设计 无疑占用了原本狭小的发动机空问，也使离合器的结构复杂化口】。 通过近几年的研究，人们发现提高e r f 的强度和稳定性很困难，于是开始 了m r f 的研究。m r f 是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料。 它在无外场作用下表现为流动良好的液体状态，而在强磁场作用下可以在短时 问( 毫秒级) 内表观粘度增加两个数量级以上，并呈现出类似固体的力学性质，其 强度由剪切屈服应力来表征，而且其粘度的变化是连续、可逆的，一旦去掉磁 场后，又恢复其流动特性。m r f 的磁流变效应连续、可逆、反应迅速及易于控 制的特点使得m r f 装置能够成为电器控制与机械系统问简单、安静而且响应迅 速的中间装置，所以m r f 及其应用装置引起了国内外学者和工业界的广泛兴趣， 成为当前智能材料研究的一个重要分支。与e r f 相比，m r f 的强度高l 2 个数 量级，稳定性也好，且使用安全、耗能低，所以普遍认为m r f 比e r f 更实用， 9 第一章绪论 以m r f 代替e r f 是必然趋势。 1 ，6 主要研究内容 论义址针刈4 ： 岫发动机冷川风埘化功的需业j f | j 进仃的液体柚一日二1 如曲究j _ ! j 目。目的是研制开发一种新型的液体粘性传动冷却风扇离合器磁流变液风 扇离合器。目前，国外有关此项研究的系统资料较少，国内这方面的研究工作 尚未报道。为此需要在了解当前双金属片型和硅油风扇离合器发展的基础上， 对磁流变传动风扇离合器的设计理论及设计方法进行系统研究。最终的任务是 依据提出的设计理论及设计方法，研制一台磁流变烈扇离合器。具体需要完成 的有： ( 1 ) 在研究磁流变液传递转矩原理的基础上建立磁流变液离合器的计算模 型，对磁流变液离合器传递扭矩特性进行工程估算，分析影响因素，得到离合 器的最佳结构参数关系。 ( 2 ) 根据发动机冷却系统的结构特点，优选磁流变液风扇离合器的结构型式， 并进行详细设计计算，绘制图纸，制造一台磁流变风扇离合器。 ( 3 ) 根据电磁温控风扇离合器的调速特性，确定温度控制的设计原则及电控 系统，从而设计一台智能温控磁流变液传动风扇离合器的控制器。 ( 4 ) 选择合适的控制策略，进行计算机仿真，并模拟实际运行工况，检验控 制器的控制行为与效果。 ( 5 ) 进行台架试验。刘设计的磁流变液风扇离合器及电控系统进行试验，确 定是否达到设计性能指标，验证提出的设计理论及方法的正确性。 1 0 第二章磁流变液风扇离台器的理论研究 第二章 磁流变液风扇离合器的理论研究 2 ，1 液体粘性传动理论及应用简介9 1 211 液体粘性传动理论简介 液体粘性传动是流体传动中新兴的一门技术。作为一种新型的动力传动方 式，与流体传动中的液压传动和液力传动相比，液体粘性传动在基本概念和工 作原理上有着本质的不同。液压传动是靠液体压能与机械能间的转换来实现动 力传递，它的工作原理是著名的巴斯卡定律：液力传动是以流动液体的动量矩 变化来传递动力的，其主要计算公式是流体力学中的欧拉方程，而液体粘性传 动的基本原理是牛顿内摩擦定律。这一基本原理虽然是早已知晓的古典原理， 但是利用这一原理发展液体粘性传动必须冲破两个传统观念： f 1 ) 必须改变在两个相对运动的金属表面加入工作油，其作用只能是减少摩 擦阻力，起到润滑作用的认识。 ( 2 1 必须改变对于长期处于相对运动的两摩擦表面，由于打滑存在将导致发 热，甚至引起两摩擦面的烧毁和工作油温的过高而无法工作的认识。因此，液 体粘性传动要获得发展，首先必须能从结构上和工作方式上解决上述两个问题， 才能使它的工程应用得到发展。 液体粘性传动应用的牛顿内摩擦定律为： f 叫鼍 式中，f 通过油膜剪切作用传递的力； a 油膜的面积： 油膜的厚度； v 油膜剪切速度； 口液体的动力粘度。 l l 此公式可以看出，利用油膜剪切或液体粘性所能传递的力与油膜的动力 粘度和剪| _ j ! j 速度成j 卜比，与油膜厚度成反比。只要油膜的厚度足够小，受剪切 第= 章磁流变液风扇离合器的理论研究 油膜面积足够大，就可以传递很大的力。因此根掘这一原理可以设计出传递很 大功率的液体粘性传动装置。 利用这一原理丌发液体粘性传动装置时，可以根据使用要求，设计具有不 同功能的产品。液体粘性传动的主要功能在于能够根据工作机构的变化进行输 出转矩和转速的调节。通过三种方式实现这一目的： ( 1 ) 在剪切油膜厚度不变的情况下，通过改变参与剪切作用的油膜面积达到 对转矩和转速的无级调节。硅油传动风扇离合器即属此类。 ( 2 ) 在剪切汕膜厚度不变的情况下，通过改变参与剪切作用的油膜的动力粘 度达到对转矩和转速的无级调节。电流变液和磁流变液传动风扇离合器就是利 用这种变化实现转矩传递的。 ( 3 ) 在其他条件不变的情况下，利用改变剪切油膜的厚度，达到对转矩和转 速的无级调节。这种方式一般在大功率液体粘性传动中采用，特别是要求有同 步运行工况的液体粘性传动装置。 2 1 2 液体粘性传动的应用简介 液体粘性传动在国内f 处于发展和推广阶段，就目前已知的应用状况来看， 其前景是十分乐观的。按液体粘性传动的应用分类，现在一般有以下几种： f 1 1 根据对油膜产生剪切作用的机构形状，可以分为以下几种： 圆柱油膜：圆盘油膜； 圆锥油膜：组合式油膜( 兼有以上几种油膜) 。 ( 2 ) 根据工作过程中油膜厚度是否可变分为： 油膜厚度不变的液体粘性传动； 油膜厚度可变的液体粘性传动。 ( 3 1 根据主、被动件的工作情况不同可分为： 主动件旋转、被动件不旋转； 主、被动件均旋转。 f 4 ) 根据液体粘性传动是否与其他类型传动联合可分为： ( 5 ) 单一式液体粘性传动； f 6 ) 复合式液体特h i f 0 动。 液体粘性传动由于在主、被动部 f - t q i j 存在粘性液体，所以在工程应用上的特 点是： 2 第二章融流变液风扇离合器的理论研究 ( 1 ) 可实现输出转速的无级调节，且调速过程柔和、平稳、时间短： ( 2 ) 调速的灵敏性高，转速变化几乎与指令同步，即调速反应快； ( 3 ) 当采用闭环控制时，调速的精度高，而且稳定，极易实现转速调节的遥 控和自动控制。 ( 4 ) 可使原动机在轻载下启动。在启动惯性较大的负载中，可控制负载的加 速过程； ( 5 ) l h 于液体粘性传动是一种主、被动部件间无刚性联系的柔性传动，因而 能对整个系统起到保护作用； ( 6 ) 由于油膜厚度不变的液体粘性传动，输出转速永远小于输入转速，即永 远有转速差和功率损失；对于油膜厚度可变的液体粘性传动，可实现无转速差 的同步传动，此时，无功率损失，传动效率为l o o ( n 论值1 ； ( 7 ) 当主动轴的旋转方向不同时，不影响其传动性能。 液体粘性传动具有的以上特点，使其在冶金、发电、化工、矿山、车辆、 船舶等部门获得了广泛应用。具体的实例有对大功率风机、水泵转速的无级调 节；液体粘性传动离合器与液力变矩器串联，实现液力变矩器的无级调节；车 辆发动机冷却风扇转速调节；车辆四轮驱动中的液体粘性联轴器等。 2 2 磁流变液风扇离合器的基本理论 磁流变液( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d s m r f ) 是19 4 8 年由r a b i n o w 发明的一种 可控液体，它的研究是当今国际上智能材料领域的一个重要分支。 2 2 ，1 磁流变液的本构关系 磁流变液体是将饱和磁感应强度很高的磁矫顽力很小的优质软磁材料均匀 分布在不导磁的油中所制成的悬浮体。这种悬浮体所应用的磁性颗粒一般要求 大小在3 - 5p - m 。如果颗粒太小则使得饱和磁感应强度降低，而颗粒过大则很难 使悬浮体保持均匀稳定。当f ； 磁性颗粒应用较多的有羟基铁粉和一些铁钴钒合 会( 例如波明德p e r m e n d u r 合金) ，母液一般使用硅油1 7 8j 。 试验表明，在没有磁场作用的状态下，磁流变液符合牛顿流体的本构关系， 即粘性液体作直线层状运动时，剪切应力r 与层涮速度梯度或剪切率成i f 比，如 图2 1 所示。 3 第二章磁流变液风扇离合器的理论研究 i = l y 式中，吁磁流变液体的动力粘度，n - s m 2 y 剪切应变率，1 s 有外加磁场时，通常将磁流变液看作b i n g h a m 流体来处理，即 f 5r 【b ) + 仉y 式中，i 。磁流变液体的动屈服应力，它与磁场的强度有关； 仉磁流变液体的塑性粘度。 f 0 r ( b ) 0 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 图2 - i 牛顿流体特性曲线 图2 - 2bn g h a m 流体的特性曲线 b i n g h a m 流体的特性曲线如图2 2 所示。山图可见，对b i n g h a m 流体施加的 剪切应力r 只有超过屈服应力t 。，时才能产生流动。且剪切应力和剪切率成线性 关系。磁流变液体的流变特性由其自身的内部结构所决定，当它处于强磁场作 用下时，其悬浮颗粒被感应由磁中性变成强磁性，因此彼此之间相互作用，而 在磁极之间形成“链”状的桥，进而转化成宏观的柱状结构。使其在瞬间由液 体变成粘塑体，表现为一种具有一定屈服应力的类似于固体的本构关系。这种 屈服应力对于性能优良的磁流变液可达几十k p a 。只有当施加的剪切应力足以破 坏“链”结构时，流动才能进行i 4 ”。 试验表明，当磁流变液中磁性颗粒未达到完全饱和时，f f 。、可以写成磁感应 强度的幂函数形式： i b 】= 口b ” ( 2 - 3 ) 式中，口和幂指数h 都是取决于磁流变液材料的两个常数，其值由实验确定。 2 2 2 磁流变液体的连续性方程和运动方程【9 连续性方程和运动方程是物体运动共同遵守的普遍规律决定于流动的方 4 第二章磁流变液风扇离合器的理论研究 瓦，咖与琉谇任赝尢天a 凼此，流动状态r 阴坛流夏撤俅匝该和午顿流体一样， 具有相同的反映质量守恒的连续性方程式和应用牛顿第二定律推导的运动方程 式。 ( 1 ) 柱面坐标系( 7 ，0 ，z ) 下的连续性方程式 ；小1删0uo+丝oz=。(2-or 4 ) rrd ( 2 ) 柱面坐标系( r ，毋，z ) 下的运动方程式 p 【挲o t 棚，娑o r + 争等一等心等，rd 廿r 。z =一op+吾拿(+一1百0r，_oor o rf 一等+ 车o zh 毋 ( 2 5 a ) rd r 尸【挚o tm 挚o r + 等等+ 学心警rd 廿r。o z 一7 l 面o p + 【7 1 万0 ( ，2 ) + 百0 t o o + 誓】+ p 岛 ( 2 5 b ) p 旨o u 枷，警+ 鱼f 嚣枷：警o to ra 廿0 z =一罢+正ror吾百0foz+0出tz：or 懈二 ( 2 - 5 c ) 祝ro #oz ( 3 ) 应力与变形率的关系，即剪切方程为： o = 一p + 2 r 誓( 2 6 a ) t o o = - p + 2 叩( ；万o u o + 等) ( 2 - 6 b ) 屯= 一p + 2 7 7 警( 2 6 c ) c l z 铲吲挚+ 三等一( 2 - f 6 d ) o ro 口r 一矿玎( 酱+ 鲁) ( 2 6 e ) rd l ，：t ：7 ( o _ u + - = c n u 一) ( 2 - 6 f ) 出o r 式中，“、“。、“为流体沿仉0 ，z ) 各坐标轴运动方向的速度 2 ，23 磁流变液体在两平行圆盘问的剪切流动 第二章磁流变液风扇离合器的理论研究 磁流变液体在平行圆盘问的流动情况如图2 3 所示。在图中所示的柱而坐标 图2 - 3 两平行圆盘问的磁流变液体的流动 系下，流体沿z 轴和r 轴方向的运动速度为零即蚱= o ，虬= 0 ，剪切率y = ，孥。 对于不可压缩的流体，式( 2 - 5 ) c 1 1 的p 为常数，是已知的，如忽略重力的影响， 则磁流变液体在两平行圆盘问的运动方程可简化为： 一( 鱼) 2 ：一挈+ 一1 _ 0 ( ，。) 一鱼( 2 - 7 a ) 0 ：，坐堕 f 2 7 b 1 d 2 0 = - 塑+ 旦堡 f 2 - 7 c 1 0 z0 z 边界条件是： 在上板处：珂( o ) = 0 。 在下板处：叮( 矗) = 甄。 由方程