SMA驱动的MRF在圆盘间挤压传动装置中的分析与设计
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文献综述 钱涛摘要：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；并分析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：形状记忆合金（SMA）；磁流变液(MRF)；研究现状；传动装置。1.1 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。1.2 国内外研究现状1.2.1磁流变液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、液压阀、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 Mf的完全奥氏体状态这两种状态,而不考虑过度状态的特性时,为了简化计算,可以采用表观设计法; 当我们同时还关心弹簧在Mf到Af之间的过度状态时,可以采用回归分析法;在任何状态下,特别是当工作点选在Mf到Af之间时,可以使用图解法。于月民,郝俊才利用示差扫描热分析（DSC）的方法研究了形状记忆合金（SMA）的相变特性，并对其热力学性能进行了测试分析，获得了马氏体和奥氏体状态下的弹性模量，采用表观设计法设计了形状记忆合金弹簧动作器，为形状记忆合金弹簧动作器驱动的结构设计和分析提供理论基础14。形状记忆合金驱动器件的应用方面，刘玉玺15等人介绍了形状记忆合金离合器的工作原理，分析了SMA弹簧的驱动力,并建立了SMA汽车风扇离合器传递转矩的计算公式，为形状记忆合金离合器的设计提供了理论依据。1.2.5 MRF和SMA器件组合使用设计研究现状在合适的条件下，如果将几种智能材料优势互补配合应用于器件，器件的使用性能将会有一个巨大的飞跃。目前为止，MRF和SMA器件组合使用的设计研究还比较少。黄金16等人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, 结合机械设计的方法, 分析了智能汽车风扇离合器的工作原理; 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式; 分析了形状记忆合金弹簧的设计方法, 得出了形状记忆合金弹簧的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。1.3本课题的主要内容针对磁流变液在外加磁场作用下产生磁流变效应的特点，分析了磁流变液在器件中的流动，研究了磁流变器件的设计理论和方法，力图将磁流变液器件中的关键尺寸参数与磁流变液材料参数、运动参数以及磁场参数定量地联系起来，为合理设计磁流变液器件提供理论依据。SMA驱动的MRF在圆盘间挤压传动原理及理论分析，SMA驱动的MRF在圆盘间挤压传动装置的设计计算和设计。1.4本课题的目的和意义综上所述，虽然国内外学者对SMA和 MRF的性能及器件已进行了大量研究。但是，对热效应下将SMA驱动器件和MRF器件结合的传动装置的研究设计还很少。本课题拟将SMA热效应下形状记忆特性和MRF流变特性应用于一个传动装置中，实现传动的自动感温控制和无级调矩。将所获得的研究成果应用于感温控制传动装置、变速变矩传动装置，使其具备高效、环保、节能、安全、可靠、智能等特点，既具有重要的理论意义和学术价值，又具有重要的工程应用价值。磁流变技术受到人们的极大关注仅仅只有十余年的时间，还远未达到预期的目标，有许多问题有待我们去探索。参考文献 1 Rabinow J.The Magnetic Fluid ClutchJ.AIEE Transactions,1948,67:1308-1315. 2 Carlson J D. The promise of controllable fluids. In: Borgmann H, Lenz K, editors. Proceedings of Actuator 94, Bremen: AXON Technologie GmbH, 1994: 266270 3 Ulicny J C, Mance A M. Evaluation of electroless nickel surface treatment for iron powder used in MR fluids. Materials Science and Engineering: A. 2004, 369(1-2): 309-313 4 El Wahed A K, Sproston, John L., Schleyer, Graham K. Electrorheological and magnetorheological fluids in blast resistant design applications. Material and Design. 2002, 23(4): 391-404 5 P.P. Phul, J.M.Ginder,Synthesis and Processing of Novel MagnetorheologicalFluids Having Improved Stability and Redispersibility. Proceedings of the 6thInternational Conf. on Electrorheological Fluids, Magnetorheological Suspensions and Their Applications, P.445453，1997. 6 潘胜，吴建耀，胡林，沈峰，孙猛，周鲁卫. 磁流变液的屈服应力与温度效 应.功能材料，1997,28（2）:264267 7 翁建生,胡海岩.磁流变液的流变力学特性试验和建模. 应用力学学 报,2000,17(3):1-5 8 邹继文，黄金，杨岩. 磁流变离合器传递的转矩分析. 现代制造工程，2002 （12）：6970 9 徐晓美，曾月民. 圆筒式磁流变液离合器设计的理论研究. 机械传 动,2009,33(6):73-75 10 黄金,廖林清,林昌华. 圆筒式磁流变离合器的设计分析. 功能材料, 2006,5(37): 760-764 11 麻建坐,贺建民,黄金.圆筒式磁流变离合器传动特性分析. 重庆工学院学报 (自然科学),2009,23(3):34-42 12 Buehler W J, Gilfrich J V, Wiley R C.J.
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