多盘式磁流变离合器的理论研究

张浩，胡元，李志雄，唐超权

（中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221116）

0 引言

近年来，磁流变液（Magnetorheological Fluid，MRF）作为一种新型智能材料受到了各国学者的广泛关注，发展较为迅速。其良好的可控性、响应速度快、能耗低、温度使用范围广、低碳环保等性能，在众多领域中具有非常广阔的应用前景。磁流变传动（Magnetorheological Transmission，MRT）技术就是磁流变液所应用的一个重要方向。磁流变传动技术是以磁流变液的流变效应为传动理论，以磁流变液作为动力传递介质，通过改变励磁线圈的电流大小来控制外磁场强度，从而改变磁流变液的剪切屈服应力，达到控制传递转矩大小的目的。基于磁流变传动技术而开发的磁流变传动装置（Magnetorheologicial Transmission Device，MRTD）与传统动力传递装置相比具有多方面的优势（其中以磁流变离合器为主要应用方向），如：低噪音、反应迅速、体积小、控制简单、能耗低、磨损小、可以实现无级变速、软起动和过载安全保护等优点。MRTD 所具有的优良动力传递性能，在今后的科技发展中将拥有非常广阔的应用前景。

1 磁流变液概述

磁流变液是由微米级的软磁性颗粒分散于基液中所形成的悬浮液，是一种可控智能材料，其流变特性可随外加磁场的变化而发生显著改变。无外磁场作用时，其具有良好的流动性，而存在磁场作用时，磁流变液可在极短的时间内（毫秒级）连续、可逆地转变为高粘度、低流动性的Bingham 流体，其表观粘度可增大两个数量级以上，呈现出类固体的性质。由于其连续、可逆、迅速及易于控制等特点，使得磁流变装置成为了电气控制与机械系统间结构简单、噪声小且响应迅速的偶合器。

2 磁流变离合器概述

2.1 磁流变传动基本原理

磁流变传动主要是依靠磁流变液的剪切屈服应力来传递力和力矩。假设间距为h 的两平板A、B间充满了磁流变液，如图1 所示，当平板A 相对于平板B 以速度v移动时，则两平板间的磁流变液所受到剪切力，即两平板间可以传递的力，其大小为：F=τA。

式中：τ-磁流变液的剪切应力；A-磁流变液剪切作用面积。

由此可知，决定磁流变传动性能的因素主要有两个：磁流变液的剪切屈服应力和剪切作用面积，并且这两者与传递力成正比。所以，设计大功率磁流变传动装置应从两方面考虑：一是当作用面积一定时，可以通过控制外磁场的强度来调节磁流变液的剪切屈服应力，从而控制传递的力，实现无级变速。二是当磁流变液的剪切应力为定值时，可以通过增加剪切作用面积来提高传递力的功率。因此，从理论上讲，多盘式磁流变离合器的力传递性能应该优于双盘式。

磁流变液离合器的工作原理是利用了磁流变液的剪切力，结构一般有筒式、盘式、杯式等。以盘式磁流变液离合器为例，当外磁场为零时主动盘传递到从动盘的转矩几乎为零，而当外磁场增大时，由于磁流变液的剪切应力瞬间增强，使主动盘的转矩传递到从动盘上，从而实现离合器的工作要求。

图1 磁流变传动基本原理

图2 盘式磁流变液离合器原理图

2.2 多盘式磁流变离合器传递转矩的计算模型

图3 多盘式磁流变离合器力矩传递模型

图3为多盘式磁流变离合器的剖视示意图，磁流变液贮存于输入盘与输出盘之间的缝隙内，输入盘通过磁流变液的剪切屈服应力将力矩传递到输出盘。通过控制励磁线圈的电流强度来调节外磁场的大小，从而控制磁流变液的剪切屈服应力达到改变离合器传递力矩大小的目的。主、从盘的转速分别为ω1、ω2，圆盘的内径为R1，外径为R2，主、从盘间的距离为d，外加磁场为H。

多盘式离合器采用Bingham 塑性模型来描述磁流变液所产生的剪切屈服应力。

剪切速率可以定义为γ˙＝r（ω1－ω2）/d

在半径为r 处的微转矩为dT=2πr2τdr

对于具有N 个输出盘的离合器，考虑到圆盘两个表面都为工作面，那么多盘式离合器传递转矩的计算公式为：

由式（1）可以看出多盘式磁流变离合器所传递的转矩T 包括两个部分：一是由磁流变液的磁流变作用而产生的转矩分量TH，其受控于外加磁场H，属于可调部分；二是由磁流变液自身的黏性所产生的分量Tη，其与外磁场H 无关，属于不可控部分。

由于转矩分量Tη相对于TH来说数值较小，通常所占的比重在2%以下，所以当无外磁场作用时，仅由磁流变液自身的黏度所传递的转矩很小，几乎可以忽略，此时磁流变离合器处于分离的状态。而当励磁线圈有电流通过时，磁流变液在外加磁场的作用下，流变状态发生改变，主、从动盘通过磁流变液的剪切应力传递力矩，此时离合器处于结合的状态。在磁流变液达到磁饱和状态之前，离合器的力矩传递能力随励磁电流的增大而增强，从而实现无级变速的目的。

由式（1）还可知，多盘式磁流变离合器的最大力矩传递值取决于两个因素：磁流变液的剪切屈服应力和输出盘的个数。

3 结论

目前，对于磁流变离合器的研究，多数是以双盘式磁流变离合器为主。虽然双盘式磁流变离合器具有结构紧凑、反应迅速等优点，但是，双盘式磁流变离合器的缺点是转矩传递性能不佳，这是由于双盘式磁流变离合器的工作面只有一对所决定的。

而多盘式磁流变离合器除了具有双盘式磁流变离合器的一些优点之外，还具有可以传递较大转矩的特点。理论上来说，多盘式磁流变离合器的转矩传递能力可以达到双盘式磁流变离合器的几倍以上，所以对多盘式磁流变离合器的传递性能研究是具有实际意义的。

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