張浩，胡元，李志雄，唐超權(quán)

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

近年來(lái)，磁流變液（Magnetorheological Fluid，MRF）作為一種新型智能材料受到了各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注，發(fā)展較為迅速。其良好的可控性、響應(yīng)速度快、能耗低、溫度使用范圍廣、低碳環(huán)保等性能，在眾多領(lǐng)域中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。磁流變傳動(dòng)（Magnetorheological Transmission，MRT）技術(shù)就是磁流變液所應(yīng)用的一個(gè)重要方向。磁流變傳動(dòng)技術(shù)是以磁流變液的流變效應(yīng)為傳動(dòng)理論，以磁流變液作為動(dòng)力傳遞介質(zhì)，通過(guò)改變勵(lì)磁線圈的電流大小來(lái)控制外磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而改變磁流變液的剪切屈服應(yīng)力，達(dá)到控制傳遞轉(zhuǎn)矩大小的目的。基于磁流變傳動(dòng)技術(shù)而開(kāi)發(fā)的磁流變傳動(dòng)裝置（Magnetorheologicial Transmission Device，MRTD）與傳統(tǒng)動(dòng)力傳遞裝置相比具有多方面的優(yōu)勢(shì)（其中以磁流變離合器為主要應(yīng)用方向），如：低噪音、反應(yīng)迅速、體積小、控制簡(jiǎn)單、能耗低、磨損小、可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速、軟起動(dòng)和過(guò)載安全保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。MRTD 所具有的優(yōu)良動(dòng)力傳遞性能，在今后的科技發(fā)展中將擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1 磁流變液概述

磁流變液是由微米級(jí)的軟磁性顆粒分散于基液中所形成的懸浮液，是一種可控智能材料，其流變特性可隨外加磁場(chǎng)的變化而發(fā)生顯著改變。無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，其具有良好的流動(dòng)性，而存在磁場(chǎng)作用時(shí)，磁流變液可在極短的時(shí)間內(nèi)（毫秒級(jí)）連續(xù)、可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)楦哒扯取⒌土鲃?dòng)性的Bingham 流體，其表觀粘度可增大兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，呈現(xiàn)出類(lèi)固體的性質(zhì)。由于其連續(xù)、可逆、迅速及易于控制等特點(diǎn)，使得磁流變裝置成為了電氣控制與機(jī)械系統(tǒng)間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲小且響應(yīng)迅速的偶合器。

2 磁流變離合器概述

2.1 磁流變傳動(dòng)基本原理

磁流變傳動(dòng)主要是依靠磁流變液的剪切屈服應(yīng)力來(lái)傳遞力和力矩。假設(shè)間距為h 的兩平板A、B間充滿(mǎn)了磁流變液，如圖1 所示，當(dāng)平板A 相對(duì)于平板B 以速度v移動(dòng)時(shí)，則兩平板間的磁流變液所受到剪切力，即兩平板間可以傳遞的力，其大小為：F=τA。

式中：τ-磁流變液的剪切應(yīng)力；A-磁流變液剪切作用面積。

由此可知，決定磁流變傳動(dòng)性能的因素主要有兩個(gè)：磁流變液的剪切屈服應(yīng)力和剪切作用面積，并且這兩者與傳遞力成正比。所以，設(shè)計(jì)大功率磁流變傳動(dòng)裝置應(yīng)從兩方面考慮：一是當(dāng)作用面積一定時(shí)，可以通過(guò)控制外磁場(chǎng)的強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)磁流變液的剪切屈服應(yīng)力，從而控制傳遞的力，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。二是當(dāng)磁流變液的剪切應(yīng)力為定值時(shí)，可以通過(guò)增加剪切作用面積來(lái)提高傳遞力的功率。因此，從理論上講，多盤(pán)式磁流變離合器的力傳遞性能應(yīng)該優(yōu)于雙盤(pán)式。

磁流變液離合器的工作原理是利用了磁流變液的剪切力，結(jié)構(gòu)一般有筒式、盤(pán)式、杯式等。以盤(pán)式磁流變液離合器為例，當(dāng)外磁場(chǎng)為零時(shí)主動(dòng)盤(pán)傳遞到從動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)矩幾乎為零，而當(dāng)外磁場(chǎng)增大時(shí)，由于磁流變液的剪切應(yīng)力瞬間增強(qiáng)，使主動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)矩傳遞到從動(dòng)盤(pán)上，從而實(shí)現(xiàn)離合器的工作要求。

圖1 磁流變傳動(dòng)基本原理

圖2 盤(pán)式磁流變液離合器原理圖

2.2 多盤(pán)式磁流變離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的計(jì)算模型

圖3 多盤(pán)式磁流變離合器力矩傳遞模型

圖3為多盤(pán)式磁流變離合器的剖視示意圖，磁流變液貯存于輸入盤(pán)與輸出盤(pán)之間的縫隙內(nèi)，輸入盤(pán)通過(guò)磁流變液的剪切屈服應(yīng)力將力矩傳遞到輸出盤(pán)。通過(guò)控制勵(lì)磁線圈的電流強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)外磁場(chǎng)的大小，從而控制磁流變液的剪切屈服應(yīng)力達(dá)到改變離合器傳遞力矩大小的目的。主、從盤(pán)的轉(zhuǎn)速分別為ω1、ω2，圓盤(pán)的內(nèi)徑為R1，外徑為R2，主、從盤(pán)間的距離為d，外加磁場(chǎng)為H。

多盤(pán)式離合器采用Bingham 塑性模型來(lái)描述磁流變液所產(chǎn)生的剪切屈服應(yīng)力。

剪切速率可以定義為γ˙＝r（ω1－ω2）/d

在半徑為r 處的微轉(zhuǎn)矩為dT=2πr2τdr

對(duì)于具有N 個(gè)輸出盤(pán)的離合器，考慮到圓盤(pán)兩個(gè)表面都為工作面，那么多盤(pán)式離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式為：

由式（1）可以看出多盤(pán)式磁流變離合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩T 包括兩個(gè)部分：一是由磁流變液的磁流變作用而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量TH，其受控于外加磁場(chǎng)H，屬于可調(diào)部分；二是由磁流變液自身的黏性所產(chǎn)生的分量Tη，其與外磁場(chǎng)H 無(wú)關(guān)，屬于不可控部分。

由于轉(zhuǎn)矩分量Tη相對(duì)于TH來(lái)說(shuō)數(shù)值較小，通常所占的比重在2%以下，所以當(dāng)無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，僅由磁流變液自身的黏度所傳遞的轉(zhuǎn)矩很小，幾乎可以忽略，此時(shí)磁流變離合器處于分離的狀態(tài)。而當(dāng)勵(lì)磁線圈有電流通過(guò)時(shí)，磁流變液在外加磁場(chǎng)的作用下，流變狀態(tài)發(fā)生改變，主、從動(dòng)盤(pán)通過(guò)磁流變液的剪切應(yīng)力傳遞力矩，此時(shí)離合器處于結(jié)合的狀態(tài)。在磁流變液達(dá)到磁飽和狀態(tài)之前，離合器的力矩傳遞能力隨勵(lì)磁電流的增大而增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速的目的。

由式（1）還可知，多盤(pán)式磁流變離合器的最大力矩傳遞值取決于兩個(gè)因素：磁流變液的剪切屈服應(yīng)力和輸出盤(pán)的個(gè)數(shù)。

3 結(jié)論

目前，對(duì)于磁流變離合器的研究，多數(shù)是以雙盤(pán)式磁流變離合器為主。雖然雙盤(pán)式磁流變離合器具有結(jié)構(gòu)緊湊、反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，但是，雙盤(pán)式磁流變離合器的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩傳遞性能不佳，這是由于雙盤(pán)式磁流變離合器的工作面只有一對(duì)所決定的。

而多盤(pán)式磁流變離合器除了具有雙盤(pán)式磁流變離合器的一些優(yōu)點(diǎn)之外，還具有可以傳遞較大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)。理論上來(lái)說(shuō)，多盤(pán)式磁流變離合器的轉(zhuǎn)矩傳遞能力可以達(dá)到雙盤(pán)式磁流變離合器的幾倍以上，所以對(duì)多盤(pán)式磁流變離合器的傳遞性能研究是具有實(shí)際意義的。

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