资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共50页)
编号：77971514
类型：共享资源
大小：828.85KB
格式：ZIP
上传时间：2020-05-08
上传人：柒哥
认证信息
个人认证
杨**（实名认证）
湖南
IP属地：湖南
40
积分
- 关 键 词：
-
SMA
驱动
MRF
圆盘
挤压
传动
装置
分析
- 资源描述：
-
SMA驱动MRF在圆盘间挤压传动装置的分析,SMA,驱动,MRF,圆盘,挤压,传动,装置,分析
- 内容简介：
-
第 1 页目 录摘 要.1Abstract .31 绪论 .41.1 引言.41.2.1 磁流变材料的研究与发展.41.2.2 磁流变器件的研究现状.51.2.3 形状记忆合金材料的研究发展现状.61.2.4 形状记忆合金驱动器件的研究发展现状.61.2.5 MRF 和 SMA 器件组合使用设计研究现状.72 磁流变液和形状记忆合金材料及性能 .82.1 磁流变液的组成.82.2 磁流变效应机理及特征.82.3 常见磁流变液材料及其主要性能 .92.2.2 影响形状记忆效应的因素.123.2.1 圆盘空间的切向剪切传动.153.2.2 两圆筒间的周向剪切传动.253.1 主缸的设计 .313 主要设计计算.353.3 活塞的设计 .353.4 导向套的设计与计算 .353.5 端盖和缸底的设计与计算 .363.6 缸体长度的确定 .373.9 密封件的选用 .386.2 工作展望.40致 谢.40 第 2 页摘摘 要要本文介绍了形状记忆合金和磁流变液性能及其相关器件的研究发展现状，分析形状记忆合金（SMA）材料的热效应性能及磁流变液（MRF）的流变特性；磁流变（MR）盘型阻尼器的半主动控制装置，使用 MR 流体产生可控的挤压力。分析 MR 阻尼器的流体动力学模型,分析解决使用粘度本构模型在轴对称挤压模型运行的 MR 流体的速度和压力分布。从而研究设计热效应下形状记忆合金和磁流变液交替传动装置的可行性和研究意义。关键词：关键词：磁流变液；形状记忆合金；传动装置；温度；传递转矩 第 3 页 第 4 页AbstractThe paper introduces the research and development status of a shape memory alloy and the magnetorheological fluid performance and its devices,and analyzes the rheological characteristics of the performance of the thermal effect of the shape memory alloy (SMA) materials and magnetorheological fluid (MRF);The semi-active control devices of the magnetorheological (MR) disk-type damper uses controllable squeeze pressure of MR fluid. Analysis of the MR damper fluid dynamics model, analyzes and solves the problem of the MR fluids velocity and pressure distributions while using viscosity constitutive model in axisymmetric extrusion model. Thus study and design thermal effects, feasibility and significance of the shape memory alloy and magnetorheological fluid alternately transmissionKey words: MRF, SMA, transmission device, temperature, transmiting torque 第 5 页 1 绪论绪论1.11.1 引言引言磁流变液(Magnetorheological fluids，简称 MRF)是新型智能材料。磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。磁流变液在无外加磁场情况下表现为牛顿流体状态；在外加磁场的作用下，流体的黏度会迅速发生显著变化，其表观黏度可增大两个数量级以上，使得流体的流动屈服应力增大，由流体状态转变成为黏塑性状态，呈现出类似固体的力学性质，从而改变其流变特性;但当去掉外加磁场后，流体又从黏塑性状态迅速恢复到原来的牛顿流体状态，其中的响应时间仅为几毫秒。磁流变液的黏度能随着外加磁场的变化实现连续无极变化，可实现实时控制，能耗小且具有较高的屈服应力、温度适应性强、响应时间短、稳定性好、低电压需求等优点。磁流变液的优良的流变特性，孕育着许多创新的应用，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。形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA) 是近年来兴起的智能金属材料，具有铁弹性、超弹性及形状记忆效应等特殊力学行为。形状记忆合金低温时在外力作用下产生塑性变形, 随着温度的升高又会发生使材料恢复原状的逆变形, 在逆变形过程中, 形状记忆合金可以对外产生较大的回复力, 故可以利用它的回复力来对外做功，制成感温智能驱动器。因为它具有如此诱人的特殊性能，SMA近年来日益引起人们巨大的关注，并迅速在机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域获得了广泛的应用。1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状1.2.1 磁流变材料的研究与发展美国学者 Rabinow1于 1948 年发明了磁流变液材料。从 50 年代到 80 年代，电流变学成为人们关注的热点，成功研制出了不同的电流变材料和器件，而磁流变技术一直处于停滞不前的状态，很少引起人们对此领域的关注。进入 90 年代，随着科技的发展，人们发现了磁流变液性能比电流变液更优，比如剪切应 第 6 页力比电流变液大一个数量级、要求电源电压小、具有良好的动力学稳定性及温度稳定性等，因此磁流变液的研究重新得到了重视和发展，对磁流变液的研究从初始的探索性研制向规模化、商业化方向发展。在磁流变液的制备方面，美国 Lord 材料公司的研究人员在磁流变液及应用研究方面取得了突出成果，如 Carson2等人对磁流变器件进行了研究, 并申请了磁流变阻尼器及减振器、制动器等的多项专利; Jolly 等人对磁流变液材料的流变行为及磁流变液减振器的挤压模型进行了研究，并且 Lord 材料公司已有商品化磁流变液材料上市。美国通用汽车公司 Ulicny3等人研究了磁流变液的制备方法。在磁流变液性能方面，英国 Dundee 大学 Wahed4等人研究了在外力作用下磁流变液的性能。Phul5等人的研究表明，外磁场强度增加时，磁流变液的磁化强度首先迅速增加，随着磁场强度的进一步增强，磁化强度的增加趋于缓慢，最后完全饱和；我国复旦大学的潘胜6等研究表明，磁流变液的流变性具有较大温度范围内（室温至 150）的稳定性；南京航空航天大学翁建生7等人从唯象角度研究了磁流变液的流变力学特性。1.2.2 磁流变器件的研究现状磁流变器件是利用磁流变效应的特长，并与机械设计方法相结合，开发的智能器件和装置。根据已有的文献，利用磁流变液的磁流变效应的特点，磁流变液可以用于汽车振动控制、阻尼器、离合器、制动器、抛光装置以及医疗器件等。由于磁流变效应具有响应迅速和易于控制的特点，近年来国内外兴起了磁流变液装置的研究设计热，将磁流变液器件作为电气控制与机械系统间简单而安静的中间装置，这些装置包括阻尼器、制动器、离合器、抛光装置、阀、密封装置、复合构件、柔性夹具等。美国的 Lord 公司、TRW 研究所和美国内达华大学的工作较为出色，已经有多种商品化的磁流变液及应用器件上市，如汽车座椅减震器、飞机机翼减震支座和应用于健身器材的各种阻尼器等。美国德尔福(Delphi)公司利用 Lord 公司研发的磁流变阻尼器，开发了汽车磁流变阻尼悬架系统 MagnerideTM，该产品获得了 1999 年度世界一百大科技成果奖。近年来，国内对磁流变液的研究也取得了一些成果，邹继文等人基于 Bingham 模型 第 7 页描述磁流变液随外加磁场变化的流变特性，介绍磁流变离合器的原理，分析磁场强度对转矩的影响，建立转矩的计算公式，为磁流变离合器的设计提供理论依据8。徐晓美9等人研究了一种圆筒式磁流变液离合器的结构设计，基于Bingham 模型描述了磁流变液的本构方程,分析了磁流变液离合器的工作原理;建立了圆筒式磁流变液离合器传递转矩与输出转速的计算模型,并导出了其设计计算公式。黄金、麻建坐10-11等人建立了圆筒式磁流变离合器的几何设计方法,得到了磁流变液传递的转矩和两圆筒间能产生磁流变效应的最小间隙的设计计算公式,为离合器的几何设计奠定了理论基础。1.2.3 形状记忆合金材料的研究发展现状1962 年，美国海军军械研究所的 Buehler 12发现了 NiTi 合金中的形状记忆效应，才使得形状记忆效应得到广泛的应用。从 20 世纪 70 年代开始，相继开发出了 Ni-Ti 基、Cu-Al-Ni 基和 Cu-Zn-Al 基形状记忆合金；80 年代开发出了Fe-Mn-Si 基、不锈钢基等铁基形状记忆合金，由于其成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。迄今为止，已经开发出具有形状记忆效应的合金有100 多种。现在，形状记忆合金以其奇异的形状记忆和超弹性等力学性能，以及优异的抗化学腐蚀性能和生物相容性能而被广泛地应用于土木、机械、控制、电子等工程领域中，如减震器、管结头、驱动器、微型继电器等;应用于介入治疗、整形外科和牙科等医学领域中，如腔道和血管支架、接骨固定器、牙齿矫形丝等.NiTi 合金具有优异的形状记忆和伪弹性性能、良好的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性以及高阻尼特性，是目前应用最为广泛的一种形状记忆合金，应用范围已涉及航天、航空、机械、电子、生物医学等领域。目前 SMA 已广泛应用于机械、能源、交通、航空、航天、生物医学和日常生活等领域。1.2.4 形状记忆合金驱动器件的研究发展现状从上个世纪九十年代初开始，形状记忆合金在国内成为研究的热点，在工程领域形状记忆合金多用于驱动器件上，而形状记忆合金螺旋弹簧由于行程长回复力大成为最常用的形状记忆驱动元件。贾宝贤13等人介绍了形状记忆合金螺旋弹簧的设计原理、方法及发展现状,对三种常用的设计方法（表观设计法，图解设计法，回归分析法）进行了比较和讨论，并给出建议：当只考虑 T Af的完全马氏体状态和 T 150C150C150C工作温度-40 +130C -40 +130C-40 +130C图 2.4 MRF-122EG 屈服应力与磁场强度的关系 第 12 页图 2.5 MRF-132DG 屈服应力与磁场强度的关系图 2.6 MRF-140CG 屈服应力与磁场强度的关系 第 13 页2.2.2 影响形状记忆效应的因素合金成分148合金成分是影响形状记忆特性的首要因素。增加 Ni 含量(Ni 含量不超过51at时)可使合金的相变点下降，同时母相的屈服强度提高。从相变点与 Ni 含量的相互关系来看，一般 Ni 含量增加 0.1%，相变温度将降低 10左右。加入 Fe、Co(置换 Ni)或 Cr、V、Mn(置换 Ti)等元素可使合金相变点向低温侧偏移。Cr 的加入可以提高合金的超弹性；V 元素可以提高合金的屈服强度和超弹性；Nb 元素可增大合金的相变滞后；加入 Cu 可使合金的相变滞后减小并降低马氏体的变形应力，但相变温度基本不变。而提高马氏体相变温度的元素大多为第副族和第族元素，如 Au，Pt 和 Pd(替代 Ni)，Hf 和 Zr(替代 Ti)等。加工处理方法149NiTi 合金的记忆效应与加工处理履历有很大关系，记忆特性的实现必须通过记忆处理。记忆处理可以先在一定温度(通常大于 Md，Md点为能够出现应力诱发马氏体的最高温度)下热成型，随后进行记忆热处理；也可以在低温下变形，约束变形后的形状在一定温度下(Md)热处理以实现合金的记忆功能。通过不同加工处理，NiTi 合金可以获得不同类型的形状记忆效应。形变150在马氏体状态下施加的形变 (包括卸载后的残余变形和预应变)对 NiTi 合金随后加热时的形状回复温度和回复率有重大影响。形变提高了 NiTi 合金马氏体的稳定性，可显著提高逆转变温度 As和 Af，对 Ms和 Mf点则影响不大。约束状态151约束状态和热循环等对 NiTi 合金的形状记忆特性也起着一定的影响作用，NiTi 记忆合金元件在受载状态下，相变温度会有所提高，但形状回复率会下降。辐射151当环境温度在常温附近时，中子辐射会抑制钛镍合金的马氏体相变，辐射 第 14 页后在 523K 下退火处理可以消除这一影响。当环境温度在 423 K 以上时，中子辐射几乎不会对钛镍合金的形状记忆行为产生影响。3 3 SMASMA 驱动的驱动的 MRFMRF 传动装置的工作原理传动装置的工作原理工作原理热效应下由形状记忆合金驱动的磁流变液在两平行圆盘间的挤压传动原理如图 3.1 所示。通过加热形状记忆合金弹簧可以产生轴向力把活塞前向推动，从而使工作间隙内充满磁流变液。利用磁流变液屈服应力可由外加磁场连续控制的特点，在一定的条件和范围内实现挤压力的无级调节。磁流变液主要由固体颗粒、载液油和稳定剂3部分组成。在一定强度的外加磁场作用下其流变特性会发生剧变，表观黏度在瞬间增加几个数量级，成“固化”状态；而在无磁场作用的状况下表现为一般牛顿流体的流动特性；并且通过对外加磁场的控制，磁流变液的“固化”反应是连续、可逆的。因此，凭借其 第 15 页反应迅速、连续、可逆而且方便与计算机技术结合进行控制的特性，磁流变液已经成为智能材料发展的一个主要方向，是当今世界智能材料与机构研究的热点之一。磁流变液传动器件的工作原理本论文中研究的圆盘式磁流变传动器件的工作原理如图l所示，输入轴在外接动力源的带动下驱使主动盘旋转。当电磁线圈无电流时，磁流变液呈Newton流体，流体中散砂似的悬浮粒子不阻碍主动盘与从动盘之间的相对转动，此时，传递转矩仅是很小的流体黏性阻力矩。然而，当电磁线圈通入电流后，磁流变液中的悬浮粒子在磁场作用下产生磁化，沿磁通的方向相互吸引形成链状。这种链状结构增大了磁流变液的剪切应力，依靠这种剪切应力来传递转矩，通过改变磁场强度的大小而改变传递转矩的大小。在图里面的磁性体里面加入活塞，活塞里面的弹簧用形状记忆合金代替，把磁流变液推入流体腔 第 16 页3.2.1 圆盘空间的切向剪切传动工作原理形状记忆合金驱动的磁流变液在两圆盘空间的切向剪切传动如图 3.1 所示。加热形状记忆合金驱动弹簧，使形状记忆合金驱动弹簧轴向伸长，从而驱动磁流变液进入主动盘和从动盘之间形成的工作腔中。当励磁线圈通入电流后，磁流变液中的悬浮粒子在磁场作用下产生磁化，沿磁场方向相互吸引形成链状，这种链状结构增大了磁流变液的剪切应力，依靠这种剪切应力实现主动圆盘与从动圆盘之间的转矩的传递。在低温下形状记忆合金驱动弹簧被压缩，在离心 第 17 页力和工作腔中压缩空气的作用下，磁流变液通过导管流回储油腔中保存起来。流动模型磁流变液在两圆盘间的剪切模型如图 3.2 所示，磁流变液工作在内外半径分别为 R1和 R2、相距为 h(hr)的两个平行圆盘的间隙中。主动盘以角速度1沿 z 方向旋转，两圆盘间的磁流变液受到剪切，从而带动从动盘以角速度2转动。设磁流变液在两圆盘间的平行流动中，磁流变液沿径向和和轴向没有流动(0ru ，0zu )，磁流变液的切向速度u是 z 和 r 的函数，即u=u(z, r)。控制方程与边界条件柱坐标下，磁流变液在两圆盘间沿方向的运动方程为170112rrzrzruuuuuu upuuftrrzrrrrzr(3.1)式中，是磁流变液密度；u为切向速度； 为时间；ru为径向速度；f为t方向的质量力；为应力张量。ijhMR fluidDriving-discDriven-disc1ShaftCoil assemblyFlux pathOil chamberSMA springCompressed airrWorking gapPipe2图 3.1 形状记忆合金驱动的磁流变液在两圆盘间的剪切传动Fig.3.1 MR fluid shear transmission driven by SMA between two discs12hzR1R20MRFzr图 3.2 磁流变液在两圆盘间的周向流动 第 18 页Fig.3.2 Circular flow mode of MR fluid between two discs对于如图 3.2 中所示的磁流变液在两平行圆盘间的受剪流动，假设磁流变液为不可压缩流体，磁流变液对称稳态流动(，)，流速只沿切向分00t布，忽略质量力，无外加应力，则方程(3.1)可简化为 20rzrrzr (3.2)式中，和为磁流变液的剪切应力。rz由式(3.2)可知，磁流变液在两平行圆盘之间的流动是一个二维问题。在这种情况下，磁流变液的切向速度u是 和的函数，即( , )uu z r。根据假设条rz件，可知0u，也就是说流速分量u在方向并不变化，沿各坐标方向的流速为 0( , )0rzuurz ru (3.3)式中，r 为微圆环的半径，( , )z r是磁流变液在圆盘厚度方向的角速度，它是 z和 r 的函数。由于磁流变液在两圆盘间的流动方程(3.2)是一个非线性偏微分方程，剪切速率受两个方向的速度梯度的影响，无法得到解析解，因此必须应用数值解法。然而，一维本构方程（如 Bingham、 HerschelBulkley 等）无法运用于数值解法。由本文第二章的分析可知，在外加磁场作用下，磁流变液的三维本构模型可表示为(2) 0(2) 0ijNyijijNGFsFJ (3.4)式中，ijs为偏应力张量，为应变张量，是未屈服部分材料的弹性模量；ijG是被屈服液体的粘度；为屈服应力，为应变率张量第二基本不变量，y)2(Jij为应变率张量，(2)(2)22NyFJJ。方程(3.4)的一维形式为 121212121212 (2) yyyGsss (3.5)当12ys时，式(3.5)即为 Bingham 本构模型。然而，在本构方程(3.5)中，当剪切应变率趋于零时(120)，表观粘度(12y)趋于无穷大，从而导致不连续，在数值计算中无法得到数值解。为了避免这种情况，Bercovier 和 第 19 页Engelman174对 Bingham 模型进行了修正以近似表达磁流变液的流变行为 (2)(2)yijijsJ (3.6)式中，为修正系数。经过修正系数的修正，在 Bercovier-Engelman 模型中类似固体未屈服的材料近似地由很高粘度的液体代替，如图 3.3 所示。y减小图 3.3 Bercovier-Engelman 模型Fig.3.3 The Bercovier-Engelman model as varies在柱坐标下应变率的一般形式为 zzzrzrrzrrij212121212121)(zrji，应变率各分量由速度分量表示，则 11 11()()221111111()()2211 1()()22rrzrrzrijzrzzuuuuuurzrrrruuuuuuurrrrrzruuuuurzrzz (3.7)偏应力张量在极坐标系下的一般形式为 第 20 页 (3.8)000zzzrzrrzrrijs根据假设条件和式(3.3)，方程(3.7)简化为1( , )0()021( , )1( , )()0()221( , )0()02ijz rrrz rz rrrrzz rrz (3.9)变形率的第二不变量为222(2)221()41( , )( , ) 4rzzrrzzrJz rz rrrrz (3.10)由于只有两个非零的变形率张量和应力张量分量，因此它们可以表示为矢量形式rijzs，12ijrrrz (3.11)为了简化，式中用代替( , )z r表示速度。结合方程(3.10)和(3.11)，得到 Bercovier-Engelman 本构方程(3.6)的简化形式为222yrzrrrrzrz (3.12)假设与主动盘相接触的磁流变液的流速与主动盘转速相同，1，沿从动盘方向磁流变液的流速递减并在从动盘处流速与从动盘转速相同，2。假设磁场只分布在内外半径之间。没有外加磁场时，磁流变液的屈服应力为零00yH，此时磁流变液表现为牛顿流体。基于以上假设，要用到牛顿粘性方程uz。 第 21 页由于两圆盘间的间隙很小，所以假设在顶部与底部之间速度承线性分布，于是，边界条件为21211212121222(0, ) ( , ) ( ,) 0( ,) 0rRrRh rRrRz Rzzhhz Rzzhh (3.13)引入以下无量纲参数以使运动方程、本构方程和边界条件无量纲化ijijy，1ijij，1，1yBn，1，rrh，zzh (3.14)使用这些无量纲参数，得到方程(3.2)、(3.12)和(3.13)的无量纲形式为20rzrrzr (3.15a)22112rzrrBnrrzrz (3. 15b)21212122222(0, ) (1, )1 ( ,)1 01( ,)1 01rRrRrRrRz Rzzz Rzz (3. 15c)流动分析由于无法解得偏微分方程组(3. 15a)和(3. 15b)的解析解，故应用有限差分法求解方程组(3.15a)和(3.15b)的数值解。在此方法中，速度偏导数由有限差分公式代替，因此，偏微分方程组简化为一个代数方程组。只在节点处进行计算，而其他区域不参与计算，如图 3.4 所示。 第 22 页j=1i=1j=mi=njiz=0z=hr=R1r=R2i, jhzhri+1, ji-1, ji, j-1i, j+1 i+1, j+1i+1, j-1i-1, j-1i-1, j+1图 3.4 计算区域及节点Fig.3.4The solution domain and the nodes in FDM计算步骤如下(1)由方程(3.15b)得到和的解析式。上述偏导数是速度的方程。rrzz(2)速度偏导数由有限差分公式代替。无量纲化的速度偏导数为2222222( ,1)( ,1)2(1, )(1, )2( ,1)2 ( , )( ,1)(1, )2 ( , )(1, )(1,1)(1,1)(1,1)(1,1) 4rzrzri ji jrhijijzhi ji ji jrhiji jijzhijijijijr zh h z式中的符号在图 3.4 中也用到。( , )i j为节点的速度；和分别为 向和),(jirhzhr向两节点间的距离。z(3) 方程(3.15a)的偏导数由代数方程代替。(4) 编写第 3 步中代数方程的 MATLAB 代码。运用方程(3.15c)给出的边界条件，求得每个节点的速度值。基于上述理论，应用迭代有限差分法并用 MATLAB 编写程序计算获得角速度分布等值线，如图 3.5 所示。分析计算中假设已知以下参数： 第 23 页125 mmR ，250 mmR ，1 mmh ，0.28 Pa s，1100 rad/s，220 rad/s，50 kPay。从以上参数中可以求得无量纲参数为：125R ，250R ，20.2，1785nB ，0.01。需要说明的是，厚度远小于径向距h离，但是为了说明的目的，尺寸并没有按比例绘制。12RR 510152025303540455051015202530354045500 hR2R1rh51015202530354045505101520253035404550图 3.5 角速度分布等值线Fig.3.5 The contour lines of angular velocity由图 3.5 可知，磁流变液在两平行圆盘间剪切流动的角速度( , )z r在半径r 方向的变化很小，因此可以假设( , )0z rr ，角速度只是z 的函数。于是，运动方程(3.2)可进一步简化为0zz (3.16) 第 24 页积分(3.16)式得1zc (3.17)式中，1c为积分常数。由(3.17)式可知，在两平行圆盘间作剪切流动的磁流变液受到剪切应力处处相等。如果工作间隙中的磁流变液有一处地方作剪切屈服流动，则处处做剪切屈服流动，反之，如果有一处未屈服则处处未屈服。经过简化后的运动方程(3.16)式，形式更简单，为了简化计算过程，可采用一维本构方程来描述磁流变液流变行为。一维流动本构方程可由 Herschel-Bulkley 模型来描述 (3.18) yzyzmyz 0 sgn式中，、为大于零的常数，由实验确定。剪应变率为md ( )dzrz (3.19)当时，磁流变液处处未屈服，类似固体。工作间隙中的磁流变液的yz运动角速度处处相等且等输入和输出角速度12( ) z (3.20)当时，工作间隙中的磁流变液处处作剪切屈服流动，将式(3.18)和yz(3.19)代入(3.17)得11d ( )1dmyczzr (3.21)积分(3.21)式，并应用边界条件：在 z=0 处，；在 z=h 处，2)(z。得流动角速度方程为1)(z122()( )zzh (3.22)传递转矩对于如图 3.2 中所示的磁流变液在两圆盘间的流动，设圆盘的工作面积为半径从 R1到 R2的圆环，在半径 r 处取一微圆环面积 dA，dA=2rdr；产生的作用力为 dF，dF=dA， 为磁流变液的剪切应力；传递的转矩为 dM，则有dM=rdF，即 dM=2r2dr 。可知整个圆盘能传递的转矩为2122dRRMrr (3.23)两平行圆盘间磁流变液的传递转矩由两部分组成，分别为磁流变液本身粘度产生的转矩M和由磁流变屈服应力 y产生的转矩 MH。假设两圆盘工作间隙中的磁流变液全部屈服作剪切流动，则由方程(3.19)、(3.20)和(3.23)得磁流变液 第 25 页粘度产生的传递转矩M为2211233122122()()3RRmmmRRMdMr drRRmh (3.24)假设磁场强度在工作间隙中均匀分布，则由磁流变屈服应力 y产生的转矩MH为22112332122()3RRHHyyRRMdMr drRR (3.25)所以在两圆盘间，磁流变液传递的转矩为333312212122()()()33mmmHyMMMRRRRmh (3.26)计算结果与分析分析计算中磁流变液材料选 MRF-140CG，粘度=0.225Pas，其剪切应力与剪应变率的关系如图 3.6 所示。假设磁流变液工作间隙的内外半径分别为R1=40mm 和 R2=55 mm，工作间隙 h=1mm。最大输入角速度为1max300rad/s。根据式(3.24)计算得无磁场作用时稀释系数 m 对两平行圆盘间磁流变液的最大粘性传递转矩的影响，如图 3.7 所示。当稀释系数 m 分别为0.6、0.7、0.8、0.9 和 1 时，最大粘性传递转矩分别为 0.015N.m、0.039 N.m、0.103 N.m、0.268 N.m 和 0.699 N.m。由图 3.7 可知，稀释系数 m 对磁流变液的粘性传递转矩有很大影响。图 3.6 MRF-140CG 剪切应力与剪应变率的关系Fig.3.6 Shear stress versus shear rate for MRF-140CG根据式(3.26)计算得磁场强度对两平行圆盘间磁流变液传递转矩的影响，如图 3.8 所示。由于传递转矩由磁流变液屈服应力产生而粘性转矩很小，于是可设 m=1，0.225Pas。当磁场强度分别为 50kAmp/m、100kAmp/m 和 第 26 页150kAmp/m 时，传递转矩分别为 6.164 N.m、10.135 N.m 和 12.374 N.m。当达到饱和磁场强度 200kAmp/m 时，传递转矩为 13.236N.m，19 倍于零磁场时的最大粘性传递转矩 0.699 N.m。图 3.7 无磁场作用下传递转矩与 m 的关系Fig.3.7 Torque versus m with no magnetic field图 3.8 传递转矩与磁场强度的关系Fig.3.8 Torque versus magnetic field strength 在外加磁场作用下，磁性金属颗粒沿磁力线方向形成链状结构。这种链状结构限制了流体的运动，因此改变了流体的流变行为。这种限制载液流动的结构的形成即是磁流变效应。磁性金属颗粒通常由羰基铁，铁粉，铁/钴合金等磁 第 27 页饱和强度高的材料制成。磁流变液中的磁性金属颗粒体积百分含量可高达50。磁性金属颗粒的尺寸取决于生产方法，通常是微米级的。对于不同的用途，可以选择和组合不同的颗粒尺寸。羰基铁颗粒的大小通常在 1-10 微米之间。一般地，磁性金属颗粒越大和百分含量越高磁流变液在外加磁场作用下所能提供的扭矩越大，但同时磁流变液在零磁场下的粘度也越高。因此，材料的成分对磁流变效应的影响非常大。添加剂包括稳定剂和表面活性剂。添加剂能起到分散磁性金属颗粒、防止流体触变、改进摩擦、防止腐蚀和磨损等作用。油脂或其他防触变添加剂可以用于改善磁流变液的稳定性、防止磁性金属颗粒沉淀。亚铁可以作为分散剂，硬脂酸钠或硬脂酸锂可作为防触变添加剂。添加剂要求能够控制液体的浓度、颗粒间的摩擦和沉淀并且在设计使用寿命期间性能稳定。电流变效应的发生取决于静电场，而磁流变效应取决于磁场。磁流变产品的控制精度比等效电流变产品高 20 至 50 倍。所有这些磁流变技术的优势使得基于磁流变技术的器件越来越引起科研人员的兴趣。由于解决了一些工业问题，对于磁流变液的应用无论是技术还是商业利润方面都已变得非常有前途，使得磁流变技术持续不断地发展。电流变液和磁流变液主要性能的比较如表 2.1 所示。磁流变液的组成内容主要包括三个基本部分，分别为：基础液、磁性金属颗粒和添加剂。基础液的主要功能是作为磁性金属颗粒和添加剂的载液，对磁性金属颗粒进行润滑和分散磁性金属颗粒。为了提高磁流变效应，基础液的粘度应该越小越好而且受温度影响越小越好。这样，磁流变效应与在不同温度和剪应力下的粘度变化相比将起主导作用。从磁流变液的成分可以看出，一般情况下，磁流变液在无磁场作用时的行为类似基础液。可以作为基础液的液体种类很多，如：烃基油、矿物油、硅油、水等。由于磁性金属颗粒的加入会使流体变“稠”，所以磁流变液零磁场时的粘度要受金属粉末含量的影响。通常，磁流变液在常温下的动力粘度 d约为 100mPa 左右。磁流变液主要由以下三部分组成58：磁性颗粒、基础液、添加剂。在外加磁场作用下，磁流变液中的磁性颗粒产生磁极化，是磁流变液产生磁流变效应的核心。磁性颗粒的关键问题是颗粒的制作，目前磁性颗粒所用的磁性材料属于铁、钴、镍及其合金等。目前磁性颗粒制备方法有：粉碎法59、共沉法60、软化学方法61、热分解法62、超声分解法63和沉积法64等。基础液的主要功能是作为磁性金属颗粒和添加剂的载液，对磁性金属颗粒进行润滑和分散磁性金属颗粒。为了提高磁流变效应，基础液的粘度应该越小越好而且受温度影响越 第 28 页小越好65。可以作为基础液的液体种类很多，如：烃基油、矿物油、硅油、水等。添加剂包括稳定剂和表面活性剂66。添加剂能起到分散磁性金属颗粒、防止流体触变、改进摩擦、防止腐蚀和磨损等作用67-68。添加剂要求能够控制液体的浓度、颗粒间的摩擦和沉淀并且在设计使用寿命期间性能稳定。3.2.2 圆筒周向传动工作原理形状记忆合金驱动的磁流变液在两圆筒间的周向剪切传动如图 3.9 所示。加热形状记忆合金驱动弹簧，使形状记忆合金驱动弹簧轴向伸长，从而驱动磁流变液进入主动圆筒和从动圆筒之间形成的工作腔中。依靠磁流变液剪切应力实现主动圆筒与从动圆筒之间扭矩的传递。在低温下形状记忆合金驱动弹簧被压缩，在离心力和工作腔中压缩空气的作用下，磁流变液通过导管流回储油腔中保存起来。MR fluidDriven-cylinderDriving-cylinder1ShaftCoil assemblyFlux pathOil chamberSMA springCompressed airrWorking gapPipe2图 3.9 形状记忆合金驱动的磁流变液在两圆筒间的剪切传动Fig.3.9 MR fluid shear transmission driven by SMA between two cylinders控制方程与边界条件磁流变液在两圆筒间的剪切模型如图 3.10 所示，内筒半径为 R1，外筒半径为 R2，(R2-R1) R1)。磁流变液工作在内外圆筒形成的间隙中。主动内圆筒以角速度1沿 z 方向旋转，两圆筒间的磁流变液受到剪切，从而带动从动圆筒以角速度2转动。磁流变液在两同心圆筒间的剪切流动中，磁流变液沿径向和和轴向没有流动(，)，只有切向速度v。于是，柱坐标下，磁流变液0rv0zv在两圆筒间沿方向的运动方程为112rzzrvvvvpvftrzrrrzr (3.27)式中，是磁流变液密度；为切向速度； 为时间；f为方向的质量力；vt 第 29 页为应力张量。ij12zR1R20MRFInner cylinderOuter cylinder图 3.10 磁流变液在两圆筒间的周向流动Fig.3.10 Circular flow of MR fluid between two cylinders柱坐标系不可压缩流体的连续性方程为10rrzvvvvrrrz (3.28)对于如图 3.10 中所示的磁流变液在两圆筒间的流动，假设磁流变液为不可压缩流体，磁流变液对称稳态流动(，)，流速只沿切向分布，忽略00t质量力，无外加应力。根据假设条件，由连续性方程(3.28)可知0v，也就是说流速分量v在方向并不变化，则方程(3.27)可简化为d20drrrr (3.29)根据假设条件，在圆柱坐标系中沿各坐标方向的流速为0( )0rzvvrrv (3.30)式中，r 为微圆环的半径，为磁流变液在半径 r 处的角速度，它是半径 r 的)(r函数。忽略磁流变液与上下圆筒壁面间的滑移效应，两边界条件可表示为111r RvR (3.31a)222r RvR (3.31b)流动分析无磁场作用时，磁流变液表现为牛顿流体，剪应力与剪应变率之间的关系 第 30 页为rr (3.32)对于两同心圆筒间磁流变液的剪切流动，剪应变率为ddrvvrr (3.33)将公式(3.32)和(3.33)代入(3.29)得222dd0ddvvrrvrr (3.34)积分(3.34)式得21cvc rr (3.35)式中，1c、2c 为积分常数，应用边界条件(3.31a)和(3.31b)确定积分常数为22221112221RRcRR (3.36a)22122122221()R RcRR (3.36b)于是得角速度方程为222222111221222222121()1( )vRRR RrrRRRRr (3.37)在外加磁场作用下，两圆筒间磁流变液的流动可以分为两部分，分别为屈服区域和未屈服区域。在屈服区域磁流变液类似牛顿流体流动，而在未屈服区域类似固体运动。一种确定未屈服区的方法是先找到屈服面(0v或ry)。定义磁流变液屈服面位于剪切应力等于屈服应力的那一点(ry)，设两同心圆筒间磁流变液屈服面的位置为 ry。外加磁场作用时，采用 Bingham 模型来描述磁流变液的流流变行为，Bingham 模型的本构方程可表示为 0 yyy (3.38)积分(3.29)式，得剪应力为 (3.39)21rcr式中，1c为积分常数，由于输出角速度2小于输入角速度1，为了保证剪应力为正，式(3.38)中的剪应变率为 第 31 页d ( )drrrr (3.40)将式(3.39)和(3.40)代入(3.38)并求积分得角速度为122( )ln2ycrrcr (3.41)式中，2c 为积分常数。磁流变液在圆筒间的流速分布可分为三种情况来讨论(1)当2111rycR时，两圆筒间的磁流变液全部未屈服，磁流变液类似固体运动。其边界条件为1112( ), ( ), rrRrrR (3.42)将(3.42)代入(3.41)得积分常数为221221222112lnyR RRcRRR (3.43a)2221212122222121lnlnyRRcRRRRRR (3.43b)将式(3.43)代入式(3.41)可得流速分布为21( ) r (3.44)(2)当2212rycR时，两圆筒间的磁流变液全部被屈服作粘性流动。其边界条件为1122( ), ( ), rrRrrR (3.45)将(3.45)代入(3.41)得积分常数为22221221211222222112122ln()yR RRR RcRRRRR (3.46a)2222221122112222222212121lnlnyRRRRRRcRRRRRR (3.46b)将式(3.46)代入式(3.41)可得流速分布为22122122222112222221122112222222121211( )lnlnlnlnyyyR RRrrRRRrRRRRRRRRRRRR (3.47) 第 32 页(3)当221211ycRcR时，两圆筒间的磁流变液部分被屈服作粘性流动，屈服区域为 R1rry，未屈服区域为 ryr R2。在屈服区域为 R1rry，其边界条件为11( ), d ( )0, dyrrRrrrr (3.48)将(3.48)代入(3.41)得积分常数为1y ycr (3.49a)221121ln2yyrcRR (3.49b)将式(3.49)代入式(3.41)可得流速分布为2112221lnln11( )22y yyrrRrrrR (3.50)在未屈服区域为 ryr R2，磁流变液类似固体运动21( ) r (3.51)传递转矩分析对于如图 3.10 中所示的磁流变液在两圆筒间的流动，设磁流变液在圆筒间的轴向工作长度为 L，在半径 r 处磁流变液能传递的转矩为22MA rr L (3.52)式中，A 为面积。两同心圆筒间磁流变液的传递转矩由两部分组成，分别为磁流变液本身粘度产生的转矩 M和由磁流变屈服应力 y产生的转矩 MH。假设两圆筒工作间隙中的磁流变液全部屈服作剪切流动，由方程(3.37)和(3.40)得剪切应变率为22122122221()2R RrRR (3.53)半径 r 取平均值，即212rRR。则由方程(3.32)、(3.52)和(3.53)得磁流变液粘度产生的传递转矩 M为2212122221()4R RMLRR (3.54)假设在工作间隙中能产生磁流变效应的工作长度为eL，则由磁流变屈服应力 y产生的转矩 MH为 第 33 页221()2eHyL RRM (3.55)所以在两圆筒间，磁流变液传递的转矩为2222112122221()()42eHyL RRR RMMMLRR (3.56)由磁流变液在两圆管中流动的屈服面位置的定义(即ry的点)以及传递转矩计算公式(3.52)可知，屈服面位置的半径为2LyeyMrL (3.57)式中，LM为负载转矩，只有当时才存在屈服面。yeLyeRLMRL222122计算结果与分析分析计算中磁流变液材料选 MRF-140CG，粘度=0.225Pas，其剪切屈服应力与磁场强度的关系如图 2.10 所示。假设磁流变液在两圆筒间工作间隙的内外半径分别为=40mm，=41mm，工作间隙总长度L=50mm，能产生磁流1R2R变效应的长度eL=20mm。最大输入角速度为 1max100rad/s。不同磁场强度下，磁流变液在工作间隙中的流动角速度分布如图 3.11 所示。假设输出角速度保持不变，=20rad/s。在不同磁场强度下，磁流变液在工作2间隙中的流动角速度分布明显不同。零磁场时，流动角速度沿半径方向呈直线分布。当磁场强度为 25kAmp/m 时，流动角速度沿半径方向呈抛物线分布。当磁场强度达到 100kAmp/m 时， 流动角速度可分为两部分：在小于距离内径0.54mm 部分沿半径方向呈抛物线分布；而在大于 0.54mm 部分为一常数，2( ) r，表明磁流变液未屈服。结果表明，磁场强度的大小对磁流变液在工作间隙中的流动角速度分布有很大影响。弹簧设计计算弹簧设计计算弹簧选择圆柱螺旋压缩弹簧30，具体设计方法和步骤1) 工作时，弹簧所受最大工作载荷为 600N，工作环境有腐蚀性，故选择材料为1Cr18Ni9，类弹簧，许用切应力，许用弯曲应力， a 440ab 550弹性模量 ，切变模量 ，此种材料耐腐蚀，耐高温，aE197000aG 73000有良好的工艺性，适用于小弹簧。2) 选择旋绕比 ，暂取 ，C8C则根据公式 CCCK615. 04414计算出曲度系数 184. 18615. 0484184K 第 34 页3）根据安装空间，初定弹簧中径，mmD24则根据公式 dDC 计算出 mmd34）计算弹簧丝直径 mmKCFd4 . 54408184. 16006 . 16 . 1max取 mmd65）对于压缩弹簧，工作圈数根据公式 计算3maxmax8CFGdn 实际工作中正常情况下 ，为保证检测时钻杆过度偏mm1 .112/ )1272 .149(向一边时的仪器的安全，这里取 mm24max 弹簧内径 mmdDD426481 弹簧外径 mmdDD526482 弹簧节距 mmDp2 .19484 . 04 . 0 弹簧自由长度mmdpnH6 .16265 . 182 .195 . 10因在实际安装中，允许的空间满足不了所设计的弹簧自由高度值，也即过大，不0H符合实际应用要求，需重新设计。重新设计如下: 重选 6C 则 曲度系数：25. 16615. 0464164K弹簧丝直径： 取mmKCFd96. 4440625. 16006 . 16 . 1maxmmd5 弹簧中径：mmD30 弹簧内径：mmdDD255301 弹簧外径：mmdDD355302 弹簧节距：mmDp12304 . 04 . 0 弹簧工作圈数： 取 45. 866008305730003n5 . 8n 第 35 页 弹簧自由长度： 取 mmdpnH5 .10955 . 15 . 8125 . 10mmH11007）验算稳定性：细长比 符合两端固定弹簧的选择标准，故3 . 567. 3301100DHb不需要进行稳定性验算。8）疲劳强度和静应力强度的验算 疲劳强度验算公式 23max8FdKD 已知： NF6002NFF1202 . 021mm242 由 可得 2211FFmm8 . 41 aFdKD7 .42160053025. 188323max aFdKD3 .8612053025. 188313min 对于变应力作用下的普通圆柱螺旋压缩弹簧，疲劳强度安全系数值按公式 计算， FcaSSmaxmin075. 0式中：-弹簧疲劳强度的设计安全系数，当弹簧的设计计算和材料的力学性能数据精确性caS高时，取；7 . 13 . 1FS-弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限，按变载荷作用次数 N，由下表查取；0表 3-1 弹簧参数表 变载荷作用次数 N410510610710 a/0B45. 0B35. 0B33. 0B3 . 0取 5 . 1FS aB630180035. 035. 00 5 . 162. 17 .4313 .8675. 0630caS故设计合理。上面设计的弹簧仅能检测 5 寸钻杆的现场使用情况，对于 5 寸以下的钻杆却无能为力。为了解决这个问题，我们可以调整设计，争取实现多种钻杆尺寸的现场检测。这里主要是 第 36 页改变浮动弹簧的工作变形量，依据上面的设计原则，重新设计如下：1）选材：1Cr18Ni9 NF600maxMp440Mpb550 MpE197000MpG730002）旋绕比：取， 则 C6C25. 16615. 0464164K3）弹簧中径：DmmD304）弹簧丝直径： 取dmmKCFd96. 4440625. 16006 . 16 . 1maxmmd55）对于压缩弹簧工作圈数根据公式 计算，其中 3maxmax8CFGdnaG 73000 在实际工作中正常情况下 mm15.302/ )9 .882 .149(这里取 mm15.30max则 取 61.106600815.30573000833maxmaxCFGdn5 .11n6）计算弹簧内径，外径，节距，自由长度：弹簧内径 mmdDD255301 弹簧外径 mmdDD355302 弹簧节距 mmDp9303 . 03 . 0 弹簧自由长度 取mmdpnH11055 . 15 .1395 . 10mmH11007）验算稳定性：细长比 符合两端固定弹簧的选择标准，故3 . 567. 3301100DHb不需要进行稳定性验算。8）疲劳强度和静应力强度的验算 疲劳强度验算公式 23max8FdKD NF6002 NFF601 . 021 mm382 第 37 页 由 可得 2211FFmm8 . 31 aFdKD7 .42160053025. 188323max aFdKD15.436053025. 188313min 对于变应力作用下的普通圆柱螺旋压缩弹簧，疲劳强度安全系数值按公式 演算 FcaSSmaxmin075. 05 . 161. 17 .43115.4375. 063075. 0maxmin0caS即 故弹簧设计合理。FcaSS弹簧的有关参数如下表： 表 3-2 弹簧参数表参数名称及代号计算公式结果中径CdD 30mm内径1DdDD125mm外径2DdDD235mm旋绕比 dDC/6长细比 bDHb/03.67自由长度 0HdpnH5 . 10110mm工作长度 nHnnHH030.15mm有效圈数 nmax3max8CFGdn 11.5 圈总圈数 1n21 nn13.5 圈 第 38 页节距 pDp3 . 09mm轴向间距 dp 4mm展开长度 Lcos1DnL 1277.5mm螺旋角 Dparctan5.458质量 0mLdms420.203Kg 4 4 SMA 驱动的 MRF 在圆盘间挤压传动装置的设计计算3.13.1 主缸的设计主缸的设计主缸采用单作用柱塞式套缸，缸径较大，能提供很大载荷作用下的举升力，同时能够满足靠重力回落和撤收的要求。并且工作过程为快进工进快退三个过程的工作循环。缸的机械效率95. 0m工进时候的负载是最大的，缸内径的计算 D=10-3=78mmPF4查传动与控制手册经过标准化处理 D=80mm。 表 4.1 缸内径系列 mm810121620253240506380100125160200250320400500 第 39 页1.缸缸体厚度计算 缸体是缸中最重要的零件，当缸的工作压力较高和缸体内经较大时，必须进行强度校核。缸体的常用材料为 20、25、35、45 号钢的无缝钢管。在这几种材料中 45 号钢的性能最为优良，所以这里选用 45 号钢作为缸体的材料。 2DPy式中，实验压力，MPa。当缸额定压力 Pn5.1MPa 时，Py=1.5Pn，当 PnPy16MPa 时，Py=1.25Pn。缸筒材料许用应力，N/mm 。=，为材料的抗拉强度。2nbb注：1.额定压力 Pn额定压力又称公称压力即系统压力，Pn=5.1MPa2.最高允许压力 PmaxPmax1.5Pn=1.25 5.1=6.375MPa缸缸筒材料采用 45 钢，则抗拉强度： b=600MPa安全系数 n 按传动与控制手册P243 表 210，取 n=5。则许用应力=120MPanb 2DPy =1202100375. 6 =2.66mm,满足。所以缸厚度取 5mm。10D10D则缸缸体外径为 90mm。4.长度的确定缸长度 L 根据工作部件的行程长度确定。从制造上考虑，一般缸的长度 L不会大于缸直径的 20 到 30 倍。这里取 10 倍。 L=800 第 40 页5. 活塞杆直径的设计查传动与控制手册根据杆径比 d/D，一般的选取原则是：当活塞杆受拉时，一般选取 d/D=0.3-0.5，当活塞杆受压时，一般选取 d/D=0.5-0.7。本设计我选择 d/D=0.55，即 d=0.55D=0.5580=44mm。表 4.2 活塞杆直径系列456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400故取 d=45mm。2.活塞杆强度计算： 56mm （4-4）mF4d式中 许用应力；（Q235 钢的抗拉强度为MPa805004nb375-500MPa，取 400MPa，为位安全系数取 5，即活塞杆的强度适中）3活塞杆的结构设计 活塞杆的外端头部与负载的拖动电机机构相连接，为了避免活塞杆在工作生产中偏心负载力，适应缸的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，选择适当的活塞杆端部结构。4.活塞杆的密封与防尘活塞杆的密封形式有 Y 形密封圈、U 形夹织物密封圈、O 形密封圈、V 形密封圈等6。采用薄钢片组合防尘圈时，防尘圈与活塞杆的配合可按 H9/f9 选取。薄钢片厚度为 0.5mm。为方便设计和维护，本方案选择 O 型密封圈。 缸工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定，并参照表 4-4 选取标准值。缸活塞行程参数优先次序按表 4-4 中的 a、b、c 选用。表 4-4（a）缸行程系列（GB 2349-80）62550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000 第 41 页表 4-4（b） 缸行程系列（GB 2349-80）6 40 6390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表 4-4（c） 缸形成系列（GB 2349-80）6240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800行程为 800。3 3 主要设计计算主要设计计算基本技术数据，是根据用途及结构类型来确定的，它反映了工作能力及特点，也基本上上确定了轮廓尺寸及本体总质量等。3.33.3 活塞的设计活塞的设计由于活塞在力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机 第 42 页械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的配合表面；间隙过大，会引起缸内部泄露，降低容积效率，使缸达不到要求的设计性能。活塞与缸体的密封形式分为：间隙密封（用于低压系统中的缸活塞的密封） 、活塞环密封（适用于温度变化范围大、要求摩擦力小、寿命长的活塞密封） 、密封圈密封三大类。其中密封圈密封又包括 O 形密封圈（密封性能好，摩擦因数小，安装空间小） 、Y 形密封圈（用在 20Mpa 压力下、往复运动速度较高的缸密封） 、形密封圈（耐高压，耐磨性好，低温性能好，逐渐取代 Y 形密封圈） 、xYV 形密封圈（可用于 50Mpa 压力下，耐久性好，但摩擦阻力大） 。综合以上因素，考虑选用 O 型密封圈。3.43.4 导向套的设计与计算导向套的设计与计算1.最小导向长度 H 的确定 当活塞杆全部伸出时，从活塞支承面中点到到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度1。如果导向长度过短，将使缸因间隙引起的初始挠度增大，影响缸工作性能和稳定性。因此，在设计时必须保证缸有一定的最小导向长度。根据经验,当缸最大行程为 L,缸筒直径为 D 时,最小导向长度为: 220DLH（4-5）一般导向套滑动面的长度 A，在缸径小于 80mm 时取 A=(0.61.0)D，当缸径大于 80mm 时取 A=(0.61.0)d.。活塞宽度 B 取 B=(0.61.0)D。若导向长度 H 不够时,可在活塞杆上增加一个导向套 K(见图 4-1)来增加 H 值。隔套 K 的宽度。)21BAHC（因此:最小导向长度，取 H=9cm；7cm2102040(220cmDLH）导向套滑动面长度 A=cmcm48. 46 . 58 . 0活塞宽度 B=cm2 . 7cm089 . 0隔套 K 的宽度3cm. 1cm)2 . 748. 4(219)21BAHC（2.导向套的结构 导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等，可按工 第 43 页作情况适当选择。 1）普通导向套 这种导向套安装在支承座或端盖上，油槽内的压力油起润滑作用和张开密封圈唇边而起密封作用6。 2）易拆导向套 这种导向套用螺钉或螺纹固定在端盖上。当导向套和密封圈磨损而需要更换时，不必拆卸端盖和活塞杆就能进行，维修十分方便。它适用于工作条件恶劣，需经常更换导向套和密封圈而又不允许拆卸缸的情况下。 3）球面导向套 这种导向套的外球面与端盖接触，当活塞杆受一偏心负载而引起方向倾斜时，导向套可以自动调位，使导向套轴线始终与运动方向一致，不产生“憋劲“现象。这样，不仅保证了活塞杆的顺利工作，而且导向套的内孔磨损也比较均匀。 4）静压导向套 活塞杆往复运动频率高、速度快、振动大的缸，可以采用静压导向套。由于活塞杆与导向套之间有压力油膜，它们之间不存在直接接触，而是在压力油中浮动，所以摩擦因数小、无磨损、刚性好、能吸收振动、同轴度高，但制造复杂，要有专用的静压系统。3.53.5 端盖和缸底的设计与计算端盖和缸底的设计与计算 在单活塞缸中，有活塞杆通过的端盖叫端盖，无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔，它不仅要有足够的强度以承受力，而且必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔（或装导向套的孔）及防尘圈、密封圈槽，还有连接螺钉孔，受力情况比较复杂，设计的不好容易损坏。1.端盖的设计计算端盖厚 h 为：)-3p(h1cpcpddD式中 D1螺钉孔分布直径，cm； P力，；2kgf/cm 密封环形端面平均直径，cm；cpd 材料的许用应力，。2kgf/cm 第 44 页2.缸底的设计 缸底分平底缸，椭圆缸底，半球形缸底。3.端盖的结构 端盖在结构上除要解决与缸体的连接与密封外，还必须考虑活塞杆的导向，密封和防尘等问题6。缸体端部的连接形式有以下几种： A焊接 特点是结构简单，尺寸小，质量小，使用广泛。缸体焊接后可能变形，且内缸不易加工。主要用于柱塞式缸。 B螺纹连接（外螺纹、内螺纹） 特点是径向尺寸小，质量较小，使用广泛。缸体外径需加工，且应与内径同轴；装卸徐专用工具；安装时应防止密封圈扭曲。 C法兰连接 特点是结构较简单，易加工、易装卸，使用广泛。径向尺寸较大，质量比螺纹连接的大。非焊接式法兰的端部应燉粗。 D拉杆连接 特点是结构通用性好。缸体加工容易，装卸方便，使用较广。外形尺寸大，质量大。用于载荷较大的双作用缸。 E半球连接，它又分为外半环和内半环两种。外半环连接的特点是质量比拉杆连接小，缸体外径需加工。半环槽消弱了缸体，为此缸体壁厚应加厚。内半环连接的特点是结构紧凑，质量小。安装时端部进入缸体较深，密封圈有可能被进油口边缘擦伤。F钢丝连接 特点是结构简单，尺寸小，质量小。3.63.6 缸体长度的确定缸体长度的确定 缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还需要考虑到两端端盖的厚度1。一般缸缸体长度不应大于缸体内经的 2030 倍。取系数为 5,则缸缸体长度：L=5*10cm=50cm。3.93.9 密封件的选用密封件的选用1.对密封件的要求 缸工作中要求达到零泄漏、摩擦小和耐磨损的要求。在设计时，正确地选择密封件、导向套（支承环）和防尘圈的结构形式和材料是很重要的。从现在 第 45 页密封技术来分析，缸的活塞和活塞杆及密封、导向套和防尘等应作为一个综合的密封系统来考虑，具有可靠的密封系统，才能式缸具有良好的工作状态和理想的使用寿命。 在元件中，对缸的密封要求是比较高的，特别是一些特殊材料缸，如摆动缸等。缸中不仅有静密封，更多的部位是动密封，而且工作压力高，这就要求密封件的密封性能要好，耐磨损，对温度适应范围大，要求弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，摩擦阻力小，容易制造和装卸，能随压力的升高而提高密封能力和利于自动补偿磨损。 密封件一般以断面形状分类。有 O 形、U 形、V 形、J 形、L 形和 Y 形等。除 O 形外，其他都属于唇形密封件。2.O 形密封圈的选用 缸的静密封部位主要是活塞内孔与活塞杆、支承座外圆与缸筒内孔、缸盖与缸体端面等处6。这些部位虽然是静密封，但因工作由力大，稍有意外，就会引起过量的内漏和外漏。静密封部位使用的密封件基本上都是 O 形密封圈。O 形密封圈虽小，确实一种精密的橡胶制品，在复杂使用条件下，具有较好的尺寸稳定性和保持自身的性能。在设计选用时，根据使用条件选择适宜的材料和尺寸，并采取合理的安装维护措施，才能达到较满意的密封效果。 安装 O 形圈的沟槽有多种形式，如矩形、三角形、V 形、燕尾形、半圆形、斜底形等，可根据不同使用条件选择，不能一概而论。使用最多的沟槽是矩形，其加工简便，但容易引起密封圈咬边、扭转等现象。3.动密封部位密封圈的选用 缸动密封部位主要有活塞与缸筒内孔的密封、活塞杆与支承座（导向套）的密封等。 形密封圈是我国缸行业使用极其广泛的往复运动密封圈。它是一种轴、xY孔互不通用的密封圈。一般，使用压力低于 16MPa 时，可不用挡圈而单独使用。当超过 16MPa 并用于活塞动密封装置时，应使用挡圈，以防止间隙“挤出” 。 第 46 页 6 6 总结与展望总结与展望6.1 总结总结基于磁流变液的流变特性和形状记忆合金的形状记忆效应，分析形状记忆合金驱动器的驱动力大小及其输出位移与激励温度的关系。给出几何尺寸的设计计算公式并对其结构进行设计，进一步通过仿真实验验证。为智能风扇离合器的设计提供理论依据。论文的主要研究工作如下：1) 介绍了磁流变液的组成、磁流变液效应、磁流变液的主要性能及形状记忆合金的研究现状、形状记忆效应和形状记忆合金的力学性能。2) 基于 Navier-Stokes 方程和 Bingham 模型，结合智能风扇离合器的工作原理，研究了磁流变液在离合器中的流动，建立了流动方程， 得出了传递转矩与屈服应力、工作圆盘半径、工作间隙之间的关系式，得到了输出转速的表达式。研究结果表明，磁流变液在离合器中呈粘塑性流动，外形尺寸确定的情况下，离合器传递转矩随外加磁场的增加而增大。3) 分析了形状记忆驱动器的原理和设计方法，建立了驱动力大小及输出行程与温度等参数之间的关系式。结果表明，在形状记忆合金相变温度范围内，驱动力大小及输出行程随温度的升高明显增加。4) 根据离合器传递转矩的要求，确定了离合器的基本结构参数，以此为基础进行了磁路设计，得出了工作圆盘半径尺寸，同时分析了传递转矩和输出转速与温度之间的关系。研究结果表明，离合器传递转矩和输出转速随温度升高 第 47 页而增大。本文的创新之处在于：1) 建立了磁流变液传递的转矩方程，得到了智能汽车风扇离合器中有效工作间隙和磁流变液的有效体积的计算公式，为离合器的关键几何尺寸的设计提供了理论依据。2) 进行了 SMA 弹簧的设计，得出了 SMA 弹簧的驱动力大小及输出行程与温度等参数之间的关系式，提供了温度对传递转矩的控制方法；发展了一种温度控制的智能汽车风扇离合器的设计理论和方法。6.26.2 工作展望工作展望由于本次毕业设计时间仅仅只有几个月的时间，本次设计的传动装置仅仅是停留在理论层面上，要将其应用到实际的传动系统中，还有待加工出产品并做大量相关的实验 。人们对磁流变液和形状记忆合金及与它们相关的器件研究只有短短几十年，要最大发挥它们的性能优势，无论是在材料制备上，材料性能上，还是在材料的使用上还有待进行进一步的研究。从本次的设计研究中，可以发现将几种性能优良的材料或器件组合起来应用于一个系统中，有可能大大提高系统的可靠性、稳定性、使用性等性能，这不失为一种创新的方法。更多材料的使用性能和使用方法还用待人们去发掘，随着越来越多智能材料被发现，可以预见，未来的器械将越来越完善越来越人性化。致致 谢谢毕业设计是在黄金教授的精心指导和悉心关怀下完成的。黄老师学识渊博、治学严谨、
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号