电流变变速器中盘式离合器传动性能研究

邱志荣

（福建工程学院，福州 350014）

电流变变速器中盘式离合器传动性能研究

邱志荣

（福建工程学院，福州 350014）

研究电流变变速器中的盘式离合器的电流变液特性，转盘间的传递扭矩和离合器的动态特性，以及各参数对离合器性能的影响。实验表明，在盘式离合器结构参数一定的情况下，其传动性能与电场强度和转速差有关，通过提高电场强度及增大转速差可提高其传递扭矩。

电流变液；离合器；扭矩；性能

电流变技术（Electrorheological Technology，简称ER技术）主要是应用电流变流体 (Electrorheological Fluids,简称ERF)在电场作用或控制下，处于剪切场中流体的黏度发生明显变化的电流变效应现象。这种变化能够使流体的黏度快速地增大，直至停止流动达到固化，有明显的抗剪切屈服应力。电流变流体在液态和固态之间的转换具有可逆、连续可控、控制简单、响应迅速和能耗低等特性［1］。而巨电流变 (GER)效应的电流变流体的研究成功,使流体的电流变效应得到大大提高，温维佳研究组［2］通过在电流变液中掺杂铷(Rb)元素改变纳米颗粒的尺寸，实验发现，掺杂Rb的电流变液在5kV/mm时，屈服强度高达250kPa；陆坤权等人用湿化学方法合成了以TiO2、Ca2Ti2O纳米颗粒为基的多种电流变液。由这些颗粒制备的电流变液具有很高的屈服强度,有的可高达300kPa［3-5］。本文基于文献［8］中设计的变速器结构原理，研究改变电场和其他因素时，电流变变速器中盘式离合器的传动性能。

1 电流变变速器原理及特点

图1是应用电流变技术设计的变速器传动原理图，其中1和2是两个电流变盘式离合器，由内外转盘组成，在内外转盘间填满电流变液（ERF）；3和4是两个超越离合器。电动机带动1的外转盘转动，当在电流变盘式离合器1和2分别添加电场和均不添加电场时，实现输入扭矩到输出扭矩的传输变化，结合超越离合器的工作原理以及齿轮传动实现不同传动比的减速。

利用电流变流体的电致特性，把其柔性接入、控制和离合简单、无极调速、动态调整、响应迅速等良好品质应用于该变速器中，可以有效地实现变速。电流变变速器中电流变盘式离合器的传动性能对变速器起着至关重要的作用。

图1 电流变变速器传动原理

2 电流变盘式离合器传输特性

在电流变变速器设计中采用了多盘面的离合器结构设计，安装组合相对复杂，为了便于实验，采用图2所示的传动机构原理图来完成其传动性能的研究。图2中，2和1分别为转速的输入、输出的平面转盘,盘2内径为r1，盘1和2外径均为r2，两盘间距是h。2盘为主动盘，1盘为从动盘。设主、从盘的转速分别为ω1和ω2，它们之间的转速差为ΔΩ。当在充满电流变液的1、2两盘之间施加外加电场时,由电流变液的电致屈服应力和黏性剪切应力产生的力矩T带动盘1转动。

图2 电流变离合器原理图

2.1 电流变流体的性能

盘式离合器利用了电流变流体在有无外加电场作用时,其黏度有明显的差异，在无外加电场时ERF表现为牛顿流体，而当其处于外加电场时表现为Bingham流体。在电流变效应作用下，Bingham流体的本构方程为：

式中：τy—流体的屈服应力；kU—屈服应力的电场系数；η—黏度；γ′—剪切速率；U—两盘间可控电压。

设ω沿轴线性分布，即

其中r为液层的半径，且r1≤r≤r2。最后整理得电流变流体的本构方程：

由式（4）得出，随着外加电压U、剪切速率γ′和黏度η的变化,两盘剪切应力τ随之变化。通过实验得出各参数变化关系，如图3和图4所示 。实验用电流变液由SiO2、32机械油和油酸配制，所占质量百分比分别为13%、7%和10%。

图3 电流变液的黏度η与U、γ′的关系图

图4 电流变液的剪切应力τ与U、γ′关系图

分析图3、4可知，电流变液在外加电场作用下，表现为Bingham流体特性，这种作用能够使流体变稠、变硬直至停止流动,当电场消失时,电流变流体又能立即恢复原来流体特性，它具有可逆、可控性。

2.2 盘式离合器的扭矩

盘式离合器是一种力矩传输机构，通过分析其扭矩传输特性得到其传动性能。

设定：（1）流体的体积不可压缩；（2）流体流动为层流状态；（3）在垂直于转动轴的平面上，液体沿着圆弧曲线流动，径向和轴向都不流动；（4）运动是稳态的，即连续性方程和运动方程中所有时间导数均为零；（5）流体与转盘壁直接接触，即无滑脱；（6）不计边缘效应；（7）系统的温度不变［9］。对于转盘间半径r处任意一微元液体层2πr·dr上的扭矩为：

将式（4）代入式（5）并积分，得离合器传递扭矩为：

式（6）右边第一项代表电致屈服应力产生的扭矩，第二项代表流体黏性传递的扭矩。随内径r1的减小、外径r2的增大，扭矩T增大，这是由于电流变效应的有效面积增加的缘故。当离合器结构及电流变液参数确定后，传递的扭矩是转速差和外加电场强度的函数。当外加电场一定时,增大转速差可实现扭矩的变大，当转速差一定时，电场强度的增加能有效提高扭矩。

2.3 盘式离合器动态品质

电流变盘式离合器具有良好的动态性能，而且功率损耗较小，而从动盘的转动惯量J是衡量离合器动态性能的一个重要参数。从动盘的转动惯量J:

式中：b—从动盘厚度；ρ—盘的材料密度。

由式（8）可知，在电场或转速差增大时，单位转动惯量传递的扭矩也增大，则离合器动态品质就好，增大转盘外径时，单位转动惯量传递的扭矩减小，则动态品质差。

3 实验与分析

3.1 典型参数及实验条件

实验材料使用文中2.1配置的电流变液；调速电机转速（主动盘转速）为10～500r/min；传动盘为平面盘，内、外半径分别为r1=22mm，r2=65mm，盘间距为h=1mm；电压为(AC/DC)1.0～3.0kV。实验中采用将负载增大到从动盘制动的状态，然后通过加载电压和改变输入转速来获得实验数据。

3.2 实验数据与分析

在离合器典型结构参数及电流变液确定后，通过实验测试外加电场U，转速差ΔΩ的变化对传递扭矩产生影响如图5-图8所示。图5、图6分别是在交流电场（AC）和直流电场（DC）下，转速分别为50、90、200 r/min时，电场强度与离合器扭矩的关系图。在AC电场作用下，扭矩的增大趋势更加明显，特别是当转速差增加到400 r/min后，其扭矩有一个明显的提升趋势。通过图7的实验结果分析，随着转速差的增加，相同电场强度时，AC电场作用比DC电场作用时输出的扭矩略大，而且随电场强度增加，这一趋势变得明显，这与前面扭矩公式中T与U成平方关系相吻合。另外实验结果也说明在交流电场作用下，电流变效应比直流电场作用要强，从而传递的扭矩也更大。图8中，验证了在交流和直流电场作用下，随转速差增加其扭矩有上升趋势；在同一电场强度作用下，转速差较小时，扭矩的差别不明显，当转速差达到300 r/min以后，交流电场的影响比直流电场的影响大。

图5 AC电场下ΔΩ与T的关系图

图6 DC电场下ΔΩ与T的关系图

图7 DC-AC电场下U与T的关系图

图8 DC-AC电场下ΔΩ与T的关系图

4 结 论

（1）由理论分析可知，增大盘式离合器转盘外径r2，可提高离合器传递力矩；另外外径的增大会减小单位转动惯量所传递的力矩，对内径而言,其对系统的影响与外径相比恰恰相反。因此一味增大转盘外径并不可取，应当考虑在转盘结构上进行优化，以实现离合器传输性能的提高。

（2）随外加电压的增大，ERF黏度也增大，导致黏性功率损失增加；另外在剪切运动下，随剪切速率的增大，流体的黏度降低。

（3）在离合器结构参数确定的情况下，可通过增大电场强度、增大转速差及使用交流电场三种方式提高其传输性能。另外改变电流变液的材料性能也可以实现离合器的传递扭矩。

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[3]Lu K Q,Shen R,Wang X Z,et al.The Elect Rorheological Fluids with High Yield Stress[J].Int J Mod Phys B,2005,19:1065.

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[5]Gong X Q,Wu J B,Huang X X,et al.Influence of Liquidphased on Nanoparticle Based Giant Electrorheological Fluid[J].Nanotechnology,2008,19:1.

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[7]Hou Jiaxiang,Shi Lei,Zhu Qingren.Elect Rorheological Properti es and Structure of(BaTiO(C2O4)2/N H2CONH2)[J].J Solid State Chem,2006,179:1874.

[8]邱志荣.应用电流变技术的变速器设计[J].机电工程，2005（11）：4-7.

[9]黄宜坚,黄豪彩,汪海波.圆盘式电流变传动机构的研究[J].机床与液压，2002(1):35-36.

TheTransmissionPerformanceofaDiscClutchintheElectrorheologicalGearbox

Qiu Zhi-rong
(Fujian University of Technology,Fuzhou 350014)

Based on the principle of ER fluids,the paper discusses the ERF characteristics of disc clutch in Electrorheological gearbox,the transmission of torque between the wheel and the clutch dynamics,and the effect of parameters on the clutch performance.Experiments show that in the plate clutch of the structural parameters under certain circumstances,the electric field strength and speed difference impact of the transmission performance,by increasing the electric field strength and increases，the speed difference can increase its transmission torque,this result is consistent with the theoretical analysis.

electrorheological fluids；clutch；torque；performance

U463

A

1673-1980（2011）06-0137-04

2011-10-08

国家自然科学基金项目（50975098）；2008福建省重大科技专项课题（2008HZ0002-1）

邱志荣（1974-），男，福建上杭人，硕士，福建工程学院讲师，研究方向为机电一体化。