磁流变液制动器的设计与制动性能测试.pdf

第2 2 卷第3 期 2 0 年5 月 机槭科半与技术 M E C H A N I C A I S C l F N C EA N DT E C H N O L O G Y V 0 1 2 2N o 3 M a y2 0 0 3 汪建晓 文章箱号 l 0 0 3 8 7 2 8 2 0 3 0 3 一0 4 0 60 2 磁流变液制动器的设计与制动性能测试 汪建晓 2 孟光 2 任小平1 余歆尤1 茹润权1 1 佛山科学技术学院 佛山5 2 8 0 0 0 2 上海交通大学 上海2 0 0 3 0 摘要 磁流变液制动嚣燕一种可控回转阻力的新型韵 动装置 本文设计并制作了一种盘式磁流变渡书j 动器 对其 制动力矩进行了静态测试 实验表明 在使用自制的磁流变洼的务件下 最太制动力矩达到 oN m 主中还分析 了影响磁流室液稍动嚣制动性能的因素 美奠词 磁流变液 制动嚣 制动力矩 中圉分娄号 T H l 2文献标识码 A D e s j g n 明dS t a t j cP e r f o r m a n c eT e s to fM a 8 e t or h e o I o g I c B IF l l l i dB r 8 k e W A N GJ 1 卅x i a 0 1 M E N GG u a n 9 12 R E NX i a o p 1 9 1 Y UX i n y o u R uR u n q u a n l 1F o s h a nu n i v e 吲t y F o s h a n5 2 8 0 0 0 2s h a n g h a iJ l a o t o n gu n i v e r s i t y s h 8 g h a i2 0 0 0 3 0 A b s t r a c t M a g e t 一r b e 0 1 0 9 1 c a lC M R Jn u I db r a k e sa r eak l n do fn e wb r a k l n gd e v i c e 1 nt h l sp a 肚r tad I s k y 即M R I l u i db r a k ew a sd t s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d a n di t ss t a cb r a k l gt o r q u ew a st e s t e d T h er Ps 1s h o w st h a tt h em a x l m u m b r B k m gt o q u ei s1 0N mw h e na h o H 他m a d eM Rf I u i dw a su s e d T h el n f I U e n c eb c t o r sf o rh r a k I gt o r q u e w e r ea n a l y z e df i n a l l y K e yw o r d 8 M 8 9 n e t o r h e o I o g l c a lf l u i d s M Rf l u i 山 lB r a k e B r a k m gt o q u e 近1 0 年来 磁流变液及其应用装置的研究得到国内外 学者和工业界的广泛兴趣 l 擞流褒藏制动器是一种借 助磁流变液的摩擦进行制动的装置 它通过调节输入电流 来控制磁场强度 进而改变磁流变灌的届服应力 最终达到 控制制动力矩的作用 磁流变棱制动器具有回转阻力可控 响应迅速 结构紧凑 运行平稳 功耗较低等特点 美国 I o r d 公司制造的小型旋转式破流变灌制动器 外径为9 2 m m 最大制动力矩为7N m 最大转速为l o o or m i n 已 用于自行车式和台阶登攀式健身机 它与速度反馈装置连 接 可实时控制转矩 从而迫使练习者保持希望的目标速 度 磁流变液制动器不仅可用于可控阻力的健身设备 在精峦的张力主动控制等工业领域也有较大的应用前 景一1 本研究设计和制作了一种盘式磁流变液制动器 用自 制的磁流碰液对其静态制动力矩进行了铡试 并分析了影 响制动性能的因素 磁藏变藏制动器的设计 1 盘式磁流变液制动器的工作原理 基于磁流变液的制动器通常工作在剪切模式 也可工 作于流动模式 结构形式有圆筒形和圆盘形等 现以工作于 剪切模式的圆盘形磁流变液制动器说明其工作原理 参看 图1 制动器的壳体和转盘作为极板 它们中间充满了磁流 变蒗 当线圈不通电时 在壳体和转盘中间的磁流变 壹保持 暖丽i 贰面西面j r 一 作者简介 扎建晓 1 9 6 4 一 男 投 河北 副教授 博士研究生 其流动性能 不影响主轴的 回转运动 当线圈通电后 在 空间产生磁场 磁流变渡发 生流变效应 铁磋颗粒被磁 化连结成链 磁液变液变成 粪固体 这时 转盘转动就要 剪切造些 铁健 因而加大 了转动的阻力 起到了制动 的作用 磁流变效应随着磁 场的增强而增强 只要调节 电漉改变磁场强度 就可以 改变制动器的制动力矩 1 2 磁流变渡制动器的结构 图l 磁流变液锎诎器原瑚 本文设计的碰流变液制动器的结构如图2 所示 为了 结构简单和拆装方便 主轴上只装一个转盘 转盘通过平键 和挡啊固定在主轴上 使用左 右两半壳体组成整个壳体 壳体外径为1 5 6m m 厚度为4 0m m 线腰通以直流电以产 生磁场 壳体和转盘作为导磁体采用低碳钢制造 为了待止 磁力线沿壳体和主轴形成网路 造成壳体与转盘的间隙中 没有硅场通过 所以在壳体与主轴之间加入一铝制轴承座 从磁路上保证碰流变液艟受到磁场作用 当制动器需要周 定时可使用壳体耀边的支架 2 磁流变液制动器的静态性能实验 使用自制的磁流变液进行制动性能测试 所用的铁磁 万方数据 第3 期汪建跷等 磁流变液制动器的设计与制动性能测试 4 0 7 图2 盛靠变棱制动器装配圉 颗粒是羰基铁粉 颗粒平均真径为1 4p m 所用的载液是 甲基硅油 铁粉和硅油按不同的体积比配制了六种液体 主 要戚份如衰l 所示 在配制时 首先按比倒量取一定体积的 铁粉 松擞状 和硅油 并分别称重 以便计算质量百分比 然后充分搅拌混合 即得破流变液 抽取少量的磁藏变液样 品进行密度测定 结果如表l 所示 利用力矩测量装置对磁 流变寝翩动辗进行了静态制动力矩测试 所谓静态制动力 矩是指在制动器主轴静止并施加一定控翩电流时 对主轴 施加 定转矩 使其从静止到开始转动的蛀界转矩 由于安 装在轴承外侧的油封对主轴产生一定的附加阻力矩 为了 反映磁流变液的制动效果 该附加阻力矩应从测得的数据 中扣除 附加阻力矩可通过测量在不加磁流变灌时的阻力 矩而获得 实验获得的磷流变液的翻动力矩如图3 所示 从 囝3 可见 随着控制电流和液体体积分数的增大 麓流变藏 的阻力矩也运渐增大 实现了射动力矩可调的目的 当使用 体积分数为s O 蹦的6 号磁流变渣时 在3 A 控制电流下 其 最大制动力矩可达l oN m 所研制的破流变液制动器和 使用的畿流变液达到了基本性能要求 表1 磁流盎藏的主要成份和密度 车研究没有进行制动性能舶动态测试 即测试主轴在 一定转速回转时磁流变液的阻力矩 但根据L o r d 公司产品 的数据可知 制动力矩在转速为1 0 0 0r m i n 时比转速为 or T n i n 即静态 时增大4 因此可认为在低转速范围制 动力矩变化不太 3 影响磁藏变液铒动鼍制动性能的因素 3 1 磁流变液的性能 若忽略制动器油封等的摩擦阻力 制动力矩为 f F F r 1 式中 n 与 分别是磁流变液的屈服应力和粘性产生的 阻力 r 是阻力作用的平均半径 如图4 所示 r r 十h 2 m 与n 分别为壳体内径和转盘外径 F 和F 相比 n 可忽略 F f 的计算式为 F 2 r 2 式中 b 是磁流变液的屈服应力 A 是磁流变液作用的面 积 爿 一 r 一r g 专 骝 R 苷 幕 电流I A 豳3 碰流变液制动器制动力矩 獭 华 圉4 磁璐示意图 因此 影响制动性能的主要因素之一是磁流变液的屈服 应力 在表2 中将两种身制的磁流变液与L o r d 公司的种 磁流变液产品的性能进行了比较 M R F 1 3 2 L D 磁流变液主 要是由羰基铁粉和合成油混合而戚 由表2 数据可知 自制 磁流变液的主要不足就是质量百分比和屈服应力都较低 这 和采用的铁粉颗粒直径偏小有关 经典的羰基铁粉直径为3 5p m 而本研究使用的铁粉平均直径只有1 4p m 颗粒直 径小增大了颗粒之同的间隙 造成铁粉的密度下降 当按 定的体积分数配制磁流变淮时 液体中所古铁磁颗粒的质量 就偏小 因而磁流变效应较低 虽然4 号磁流变液的体积分 数与M R F 1 3 2 L D 接近糟等 但它所古柏敢橱质量却小得 多 因而屈服应力较低 即使是体积分数达5 0 的6 号液 体 其密度和质量百分比也比M R F 一 3 2 L D 低 裹2 磷流变帷的性能比较 体积分数密度质量百分比屈服应力 k P a 渍休类型 蚝 g m l 啦场强度为2 4 0k A w 4 号磁流变藏 3 31 5 1 84 7 5 52 0 6 号磁流变淮 5 020 3 06 4 4 64 l L o r d 公司 3 0 5 58 0 7 45 3 M R F 1 3 2 L D 使用6 号液体时 所研制的制动器的最大制动力矩为 l oN m 比美国L o r d 公司制造的M R 融2 0 1 7 3 型磁流变 藏制动器的最大制动力矩大5 0 壳体外径比后者大约 7 0 如果使用性艟更好的破流变液 则其制动力矩还町进 步提高 因此 研制的磁流变液制动器的制动性能是令人 满意的 下转第4 1 4 贞 万方数据 4 1 机械科学与技术 第2 卷 一 h H 一一 利用这个程序 设计 人员首先可以在计算机 上横拟出产形轮的齿形 检验其齿形是否正常 因 产形轮实际上是一个假 想的平丽齿轮 在加工中 是看不到的 它的轮齿是 圈5 产形轮齿 内切玎和外切月在加工 运动中的包络体台并形成的 它有可能出现如图5 所示的 三种形式 其中 切削不足与过量切削都将造成产品报废 其次 可以全方位地观察齿轮的齿形 检查它是否有根切现 象发生 获取相关的数据资料等 如图6 所示 刚6克林贝格锥齿轮加工模拟软件界面 4 结论 本文所介尘胃的加工模拟软件 省去了其加工过程中对 实物的反复试切 省事 省时 省钱 并可 从垒方位观察齿 面的加工质量 获取相关数据资料 为其他方面的分析 研 究提供条件 而且该软件操作简单 使用方便 易于维护 考文献 1 孙进平 弧齿椎齿轮硬齿面加工的理状 j 发展 j 机械工艺 啼 1 0 9 7 6 2 陈良玉等 K m g e l n b e 螅接线镶齿轮运动优化与仿真 j 东 北亡业大学学报 白然科学舨 2 0 0 l z 3 j 玛忆艰K n g e I n b e r g 螺旋堆齿轮啮合理沧的研究 J 淮南 矿业学院 1 9 9 0 j 4 严勇等 弧齿锥由轮的三维图形显示 J 机械科学与技术 1 9 9 7 4 5 王懈军等A o t u A D 2 0 0 0 环境下c V 舯a Ic 十应用程序 开发教程 M 北康t 北京希望电子出舨社 2 0 0 0 6 陈彬等用0 b J e c tA R x 开发A o t u c A D 2 0 0 0 鹰用程序 M 北京 人畦邮电H 版杜 2 0 0 0 f 7 林永等v 舢a IB a 刚c6 o 用户编程手册 M 匕京 民邮电 H 版 千 2 0 0 上接第柚7 页 3 2 磁路的参数 磁流变液的屈服应力受磁场强度控制 因此 磁路参数 对制动器的性能有决定性作用 对图4 所示磁路 若忽略漏 磁 按碰路基本定律 有 2 H f g H f H2 I 2 N I t 式中 H 甘 H 分别为磁流变液 壳体和转盘中的磁场强 度 g 为转盘与壳体的间隙 为壳体中磁路的平均长度 L z 为转盘的厚度 分别为线圈的电流和匝数 由于各 段磁路上通过的是同一碰通 所以 曰 Ar 月I A l B A 2 4 式中 B 嚣 岛分别为磁流变液 壳体和转盘中的磁感应强 度 Hz 分别为壳体和转盘的导磁面积 根据日 p 为材料的磁导率 由式 3 4 可知 要提高磁流变液中的 磁场强度 必须减小壳体和转盘中的磁场强度和磁感应强 度 尽量增大壳体和转盘中导磁面积 防止各材料发生磁饱 和 因此对在设计时应选择各材料合适的 H 月 工作点 从式 3 知 破小P 提高线圈电流和匝数都有利于提高 磁场强度 考虑到轴向安装误差等因素的影响 在研制的磷流 变液制动器中 P 2m m 最大允许线圈电流取决于铜糠包线 的线径 实际可达到的最大电流取决于供电电压和线圈电阻 直流供电电压在2 4 3 0V 为宜 而线朋电阻则是由铜漆包线 的线径和总长所决定的 所研制的磁流变液制动器的最大电 流有些偏大 拟在修改设计时增大线圈匝数 减小控制电流 3 3 磁流变液的作用面积 由式 2 可见 磁流变液的作用面积也对制动力矩有直 接影响 在径向尺寸受限制时可采用圆筒形结构 或采用多 个转盘并联的形式 以增加磁流变液的作用面积 4 结束语 本实验结果表明 研制的磁流变液制动器具有合理的结构 和磁路参数 使用自制的磁流变液时制动力矩可达1 0N m 影响制动性能的主要因素是磁流变液的届服应力和磁场强度 参考文献 1 汪建晓 孟光 黛流盎樯研究进展口 航空学报t2 0 0 2 2 3 1 2 汪建晓 孟光 磁流变液装置及其在机械工程中的成用 J 机械强度 2 0 0 l 2 3 1 z5 0 5 6 3 w a gJ M e gG M a g n e t o r h I o g i c ln u I dd 呲e s P l n 仆 p I e 州h a r a c t e r i s t i c s a n da p 叫l c t i o n m e c h a n l c a e 目n e e r i g J J 0 fM a t e r I 蛆 iD 怕j 窖n n da p p l i c a t i o n s P M o f t h eI M e e h E P r tL2 0 0 1 2 I5 L 3 16 5 17 n 4 c a r l s nJDM a g n c t o r h e 一o g i c a lf I u I d8 c t u a t o r s A I n J 洲h aH d a p t r 蚺I c s i n ds m a r ts t r u c t u r e s M 上海交通大学 上海 200030 任小平 余歆 尤 茹润权 佛山科学技术学院 佛山 528000 刊名 机械科学与技术 英文刊名 MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY 年 卷 期 2003 22 3 被引用次数 7次