多筒式磁流变液离合器的设计及仿真

陈德民， 蔡青格， 张 宏

(装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072)

多筒式磁流变液离合器的设计及仿真

陈德民， 蔡青格， 张 宏

(装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072)

为满足B级轿车大转矩传递的要求，并克服高速旋转工况下离心力对磁流变液(Magneto-Rheological Fluid，MRF)的影响，提出了多筒式磁流变液离合器(Magneto-rheological Fluid Clutch，MFC)结构型式，设计了可以自动消除因工作温度变化导致磁流变液膨胀或收缩的压力平衡机构；同时，在Ansoft Maxwell中建立了离合器有限元分析模型，并对磁力线分布和磁场强度进行了仿真分析。结果表明：当励磁电流在2.5～3 A之间时即可达到设计要求。

磁流变液；多筒式；离合器

智能化是当前汽车的发展方向，而对汽车零部件进行智能控制是其中一个重要部分。磁流变液离合器(Magneto-rheological Fluid Clutch，MFC)是一种可智能控制的新型离合器[1-2],目前，MFC大多是用于传递小转矩(如风扇离合器)，只有少数几款针对汽车而设计，且存在体积、质量大，以及在高速旋转工况下因离心作用而出现磁流变液固、液分离的问题[3]。笔者以B级轿车为对象，以解决高速旋转工况对磁流变液性能的影响和传递大转矩为目的，设计了一款多筒式MFC，并对磁场进行了仿真研究。

1 离合器的设计

1.1 筒式MFC的转矩计算

为便于计算，需要对筒式MFC进行简化。忽略磁流变液的压缩和膨胀，假定磁流变液全过程为稳态流动且流速是半径r的函数，不考虑边缘效应。

对单个圆筒，在半径r处离合器传递的转矩T1为

T1=2πr2LτB，

(1)

式中：L为磁流变工作区轴向长度(m)；τB为剪切屈服应力(Pa)。

圆筒旋转时，磁流变液线速度v对r的微分为

(2)

式中：ω为磁流变液的角速度(rad/s)。

(3)

有磁场作用时，磁流变液的本构关系为

(4)

式中：η为液动力黏度(Pa·s)。

由式(1)-(4)可知，MFC传递的转矩T2为

(5)

式中：r1、r2分别为磁流变工作区内、外半径(m)；ω1、ω2分别为内、外半径处对应的角速度(rad/s)。

通常，与η有关的转矩称为黏度转矩，在实际中相对于磁场转矩往往很小，为便于分析计算，一般可忽略不计。当有多个圆筒嵌套，形成n个工作区域时，其转矩值为各个工作区域传递转矩的叠加，多筒式MFC传递的转矩T3为

(6)

1.2 结构参数的确定

按照多筒式结构的设想，结合转矩传递目标和汽车传动系统的空间布置要求，经过反复计算和优化，确定的多筒式MFC装配图如图1所示。

图1 多筒式MFC装配图

图1中：采用3个主动圆筒和2个从动圆筒结构，构成了6个工作区域；离合器径向最大尺寸为230 mm，轴向最大尺寸为124 mm；圆筒间的间隙值不能过大或者过小，其理想值为1～2 mm[4]，综合考虑加工精度和价格因素后，取2 mm；为减轻圆筒重量，在满足结构强度的基础上，取壁厚为5 mm。各个圆筒的内、外半径尺寸如表1所示。

表1 圆筒内、外半径尺寸

1.3 压力平衡机构的设计

线圈通电和磁流变液的剪切滑磨所产生的大量的热量，会使传动装置整体工作温度升高，当断电停止工作后温度又会逐渐降低。温度的反复变化导致磁流变液体积也发生改变，而磁流变液膨胀之后会导致整个液体压强增大，容易造成磁流变液泄漏。压力平衡机构可自动消除磁流变液热膨胀造成的压力增大。

压力平衡机构由图1中的活塞3、簧片24组成。工作时，离合器中产生的热量使磁流变液膨胀，推动活塞3向外运动，通过放置在活塞后的簧片24，把热能转化为弹性势能；当温度降低后，活塞在簧片作用下恢复原位。

1.4 磁路参数的计算

张进秋等[5]研制的磁流变液已经成功应用于我国某型军用履带车辆，其剪切屈服应力τB与磁感应强度B之间的关系为

τB=-16.08B3-54.05B2+130.8B-5.7。

(7)

取B级轿车所传递的最大转矩值为250N·m，储备系数为1.5，则目标转矩为375N·m。把式(7)以及各工作区域的内、外半径代入式(6)，可得

T3=-6 521.08B3-59 333.93B2+286 056.98B-34.2，

(8)

经计算，当最外侧工作区域间隙处磁感应强度大于0.212T时，即可达到要求。

根据磁路走势将MFC划分为7个部分，如图2所示，其中：a、b、e、f、g为磁轭部分；c为单个圆筒的磁路；d为单个工作区域的磁路。通电之后，磁力线经过这7部分形成闭合回路，其各部分尺寸分别为：la=71 mm,lb=7.5 mm,lc=2 mm,ld=5 mm,le=14.5 mm,lf=71 mm,lg=53.5 mm。

图2 磁路构成

磁阻的计算公式为

(9)

式中：L为磁路长度(m)；μ为物质的绝对磁导率，其值为真空磁导率μ0与物质相对磁导率μi的乘积；S为磁路的截面积(m2)。

计算可得总磁阻R=2 023 427.6 H-1。根据磁阻欧姆定律和基尔霍夫定律有

F=NI=ΦRm=B·S·Rm，

(10)

式中：N为线圈匝数；I为电流；Ф为磁路磁通。

受车载电流源的限制,最大电流不超过3 A，MFC的工况条件定为长时工作，计算得到线圈匝数为1 162，线圈窗口面积为871.5 mm2，查阅电工手册，选择等级为1的Q型油性漆包线。

2 离合器的磁场仿真

2.1 模型的建立

利用Ansoft Maxwell电磁有限元分析软件对MFC的磁场分布进行仿真。忽略边界的漏磁现象，省去不导磁的轴承、轴套等结构。由于离合器为轴对称结构，故取其1/2建立简化的有限元分析模型，如图3所示。其中：导磁材料选择20钢；非导磁材料选择不锈钢1Cr18Ni9Ti；因离合器边界理想化，外部未发生漏磁现象，选用气球边界；内部工作区域的间隙充满磁流变液，其余间隙处填充介质为空气。

图3 简化的有限元分析模型

2.2 仿真结果

2.2.1 磁力线的分布

图4为电流为3 A时的MFC中磁力线分布。可以看出：磁力线近似垂直地通过圆筒工作区域，且分布比较均匀，表说明这种磁路设计是合理的。

图4 MFC中磁力线分布

2.2.2 磁感应强度

图5为电流强度分别为1、2、2.5、3 A时的磁力线矢量分布。可以看出：随着电流强度的增加，磁力线明显增多、变密，B值也随之变大。

图5 磁力线矢量分布

图6为电流达到3 A时，MFC整体磁感应强度分布。可以看出：在磁轭部分，B值未超过20钢的磁感应强度极值2.0 T，整个磁路中未出现磁饱和现象,表明磁轭设计合理。

图6 MFC整体磁感应强度分布

图7为励磁电流为3 A时，工作区域磁感应强度分布。可以看出：磁感应强度分布并不均匀，不同工作区域内的B值由内至外依次减小；而同一工作区域中，靠近线圈的B值较大，反之则较小。

图7 工作区域磁感应强度分布

图8为不同电流下外侧工作区域的B值。根据图8得到的仿真结果并结合式(8)，可得到不同电流下离合器的转矩传递能力，如图9所示。从图9可以看出：当励磁电流在2.5～3 A之间时，即可达到设定传递375 N·m的目标。

图8 不同电流下外侧工作区域B值

图9 不同电流下转矩传递能力

通过数据拟合，得到多筒式MFC传递的扭矩T与电流关系为

T=-18.5I2+209.15I-50.7，

(11)

由式(11)可计算出不同电流下传递的转矩大小，从而实现通过控制电流值达到转矩精确输出的目的。

[1] 汪建晓，孟光.磁流变液研究进展[J].航空学报, 2002, 23(1):6-12.

[2]JollyMR，BenderJW，CarlsonDJ.PropertiesandApplicationsofCommercialMagnetorheologicalFluids[J].JournalofIntelligentMaterialSystemsandStructures, 2000, 10(11):5-13.

[3] 陈德民，蔡青格，张进秋，等.多片式磁流变液离合器的设计与仿真[J].装甲兵工程学院学报, 2013, 27(6):26-28.

[4] 郭崇志，万志维.圆盘式磁流变传动装置输出转矩的计算[J].机械传动, 2010, 34(2):46-50.

[5] 张进秋，张建，孔亚男，等.磁流变液及其应用研究综述[J].装甲兵工程学院学报, 2010, 24(2):1-6.

(责任编辑:尚菲菲)

Design and Simulation of a Multi-cylindrical Magneto-rheological Fluid Clutch

CHEN De-min, CAI Qing-ge, ZHANG Hong

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

To meet the requirement of transmitting a large torque of B-class automobile and overcome the effects of centrifugal force under high speed rotating conditions on Magneto-Rheological Fluid (MRF), a multi-cylindrical Magneto-rheological Fluid Clutch (MFC) is proposed. A pressure balance mechanism is designed to avoid the expansion or contraction of MRF caused by the temperature changes. A finite element analysis model is built in Ansoft Maxwell, and the magnetic force line distribution and magnetic field intensity are simulated. The simulation result shows that the design goal can be realized when the excitation current is between 2.5 A and 3 A.

magneto-rheological fluid; multi-cylindrical; clutch

1672-1497(2015)04-0036-04

2015-03-16

军队科研计划项目； 北京市自然科学基金资助项目(3152023)

陈德民(1965-)，男，副教授，博士。

U463.211

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.04.008