張浩，胡元，李志雄，唐超權(quán)

（中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

近年來，磁流變液（Magnetorheological Fluid，MRF）作為一種新型智能材料受到了各國學(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（Magnetorheological Transmission，MRT）技術(shù)就是磁流變液所應(yīng)用的一個重要方向。磁流變傳動技術(shù)是以磁流變液的流變效應(yīng)為傳動理論，以磁流變液作為動力傳遞介質(zhì)，通過改變勵磁線圈的電流大小來控制外磁場強度，從而改變磁流變液的剪切屈服應(yīng)力，達到控制傳遞轉(zhuǎn)矩大小的目的。基于磁流變傳動技術(shù)而開發(fā)的磁流變傳動裝置（Magnetorheologicial Transmission Device，MRTD）與傳統(tǒng)動力傳遞裝置相比具有多方面的優(yōu)勢（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、控制簡單、能耗低、磨損小、可以實現(xiàn)無級變速、軟起動和過載安全保護等優(yōu)點。MRTD 所具有的優(yōu)良動力傳遞性能，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的變化而發(fā)生顯著改變。無外磁場作用時，其具有良好的流動性，而存在磁場作用時，磁流變液可在極短的時間內(nèi)（毫秒級）連續(xù)、可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)楦哒扯取⒌土鲃有缘腂ingham 流體，其表觀粘度可增大兩個數(shù)量級以上，呈現(xiàn)出類固體的性質(zhì)。由于其連續(xù)、可逆、迅速及易于控制等特點，使得磁流變裝置成為了電氣控制與機械系統(tǒng)間結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小且響應(yīng)迅速的偶合器。

2 磁流變離合器概述

2.1 磁流變傳動基本原理

磁流變傳動主要是依靠磁流變液的剪切屈服應(yīng)力來傳遞力和力矩。假設(shè)間距為h 的兩平板A、B間充滿了磁流變液，如圖1 所示，當(dāng)平板A 相對于平板B 以速度v移動時，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，決定磁流變傳動性能的因素主要有兩個：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)計大功率磁流變傳動裝置應(yīng)從兩方面考慮：一是當(dāng)作用面積一定時，可以通過控制外磁場的強度來調(diào)節(jié)磁流變液的剪切屈服應(yīng)力，從而控制傳遞的力，實現(xiàn)無級變速。二是當(dāng)磁流變液的剪切應(yīng)力為定值時，可以通過增加剪切作用面積來提高傳遞力的功率。因此，從理論上講，多盤式磁流變離合器的力傳遞性能應(yīng)該優(yōu)于雙盤式。

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、盤式、杯式等。以盤式磁流變液離合器為例，當(dāng)外磁場為零時主動盤傳遞到從動盤的轉(zhuǎn)矩幾乎為零，而當(dāng)外磁場增大時，由于磁流變液的剪切應(yīng)力瞬間增強，使主動盤的轉(zhuǎn)矩傳遞到從動盤上，從而實現(xiàn)離合器的工作要求。

圖1 磁流變傳動基本原理

圖2 盤式磁流變液離合器原理圖

2.2 多盤式磁流變離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的計算模型

圖3 多盤式磁流變離合器力矩傳遞模型

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

多盤式離合器采用Bingham 塑性模型來描述磁流變液所產(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

對于具有N 個輸出盤的離合器，考慮到圓盤兩個表面都為工作面，那么多盤式離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的計算公式為：

由式（1）可以看出多盤式磁流變離合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩T 包括兩個部分：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H 無關(guān)，屬于不可控部分。

由于轉(zhuǎn)矩分量Tη相對于TH來說數(shù)值較小，通常所占的比重在2%以下，所以當(dāng)無外磁場作用時，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，此時磁流變離合器處于分離的狀態(tài)。而當(dāng)勵磁線圈有電流通過時，磁流變液在外加磁場的作用下，流變狀態(tài)發(fā)生改變，主、從動盤通過磁流變液的剪切應(yīng)力傳遞力矩，此時離合器處于結(jié)合的狀態(tài)。在磁流變液達到磁飽和狀態(tài)之前，離合器的力矩傳遞能力隨勵磁電流的增大而增強，從而實現(xiàn)無級變速的目的。

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

3 結(jié)論

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

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

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