邱銳，熊洋，黃金

（重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

磁流變液（Magnetorheological fluid，MRF）是一種可由外加磁場進(jìn)行控制其流變特性的新型智能材料，主要是由微米或納米級的磁性顆粒、基礎(chǔ)液及添加劑組成[1]。在無磁場作用時，MRF表現(xiàn)為具有良好流動性的牛頓流體，而在磁場作用下，流變特性會發(fā)生巨大變化，其表觀黏度會在幾毫秒內(nèi)發(fā)生幾個數(shù)量級的增加，呈現(xiàn)出類固體的力學(xué)性質(zhì)，抗剪切能力增強(qiáng)，且這種現(xiàn)象是可逆、連續(xù)且易于控制的。因此，利用MRF的這種特性，可作為傳遞轉(zhuǎn)矩的介質(zhì)，制成MRF制動器與離合器等磁流變器件[2-4]。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對MRF在傳動領(lǐng)域的應(yīng)用展開了大量研究。如Huang等[5]研究了MRF在制動器中的應(yīng)用，建立了制動轉(zhuǎn)矩方程，揭示了MRF制動機(jī)理，并建立了MRF制動中MRF最小間隙及體積的設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)方法，為MRF在制動及傳動的工程應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。王西等[6]推導(dǎo)了圓錐式MRF裝置傳遞轉(zhuǎn)矩方程，并發(fā)現(xiàn)在磁場參數(shù)和MRF工作腔參數(shù)一定的情況下，圓錐磁流變傳動比圓盤磁流變傳動的傳遞轉(zhuǎn)矩更大。袁金福和王建文[7]設(shè)計(jì)了一種圓槽盤式MRF制動器，通過在制動盤表面增加半圓形凹槽和凸脊增大MRF的工作面積，以此提高M(jìn)RF制動器的制動性能。本課題組通過將形狀記憶合金彈簧引入MRF傳動裝置，以調(diào)節(jié)裝置傳遞轉(zhuǎn)矩的大小或提高傳動性能，如黃金等[8]提出了一種利用形狀記憶合金彈簧改變MRF工作間隙厚度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)傳遞轉(zhuǎn)矩目的的裝置；熊洋等[9]研究了MRF與電熱形狀記憶合金聯(lián)合傳動，利用電熱形狀記憶合金彈簧驅(qū)動摩擦塊產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩提高裝置性能。

上述相關(guān)研究都極大地推動了MRF在傳動領(lǐng)域的發(fā)展，但在一些特殊工作場景，需要可以傳遞高轉(zhuǎn)矩的MRF裝置。研究人員發(fā)現(xiàn)對MRF施加沿磁場方向的正壓力，可以產(chǎn)生擠壓強(qiáng)化效應(yīng)，提高M(jìn)RF的剪切屈服應(yīng)力[10-11]。Wang等[12]利用軸向液壓缸對MRF裝置擠壓，結(jié)果表明在電流一定時MRF的輸出轉(zhuǎn)矩隨著擠壓力的增大而增大。王鴻云等[13]設(shè)計(jì)了一種利用螺栓擠壓MRF的裝置并搭建了性能測試實(shí)驗(yàn)臺，結(jié)果表明，在相同條件時，擠剪模式下裝置的傳動性能是剪切模式的6.6 倍。以上裝置雖然通過MRF的擠壓效應(yīng)獲得了高轉(zhuǎn)矩，但是擠壓方式與裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。因此，如何保證在擠壓方式與裝置結(jié)構(gòu)都簡單的前提下，利用MRF的擠壓強(qiáng)化效應(yīng)傳遞高轉(zhuǎn)矩很值得研究。

本文針對MRF傳動裝置的高轉(zhuǎn)矩需求，基于MRF的擠壓強(qiáng)化效應(yīng)，提出了一種電磁擠壓的多盤式MRF離合器，利用勵磁線圈產(chǎn)生的磁場控制MRF的流變特性，同時利用其產(chǎn)生的電磁力對MRF沿磁場方向進(jìn)行擠壓，提升MRF的剪切屈服應(yīng)力，使得裝置可傳遞高轉(zhuǎn)矩，并且實(shí)現(xiàn)了擠壓方式操控方便，裝置結(jié)構(gòu)簡單的目的。

1 工作原理

電磁擠壓的多盤式MRF離合器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要由以下零部件組成：1為主動軸、2為過孔導(dǎo)電滑環(huán)、3為內(nèi)橡膠環(huán)、4為外橡膠環(huán)、5為復(fù)位彈簧、6為主動盤、7為從動盤、8為從動軸、9為銜鐵、10為勵磁線圈、11為隔磁環(huán)、12為MRF。

圖1 MRF離合器結(jié)構(gòu)示意圖

電磁擠壓的多盤式MRF離合器工作原理如下：

1）初始狀態(tài)，勵磁線圈未通電，MRF工作間隙無磁場，當(dāng)主動軸轉(zhuǎn)動時，僅依靠MRF零磁場的粘性力傳遞的轉(zhuǎn)矩，不能帶動從動殼體及從動軸轉(zhuǎn)動。

2）勵磁線圈通電，產(chǎn)生的磁場使MRF中的磁性顆粒沿磁場方向呈鏈狀排列，依靠此鏈狀結(jié)構(gòu)的剪切屈服應(yīng)力使主動軸的運(yùn)動與動力能夠傳遞至從動軸，并且離合器傳遞轉(zhuǎn)矩的能力隨電流的增大而增大。同時，勵磁線圈通電時產(chǎn)生的電磁力吸引銜鐵，銜鐵沿著磁場方向擠壓MRF產(chǎn)生擠壓強(qiáng)化效應(yīng)，使得MRF的傳動性能增強(qiáng)，由于主動盤與從動盤之間依靠橡膠環(huán)分隔，在擠壓作用下橡膠環(huán)之間協(xié)調(diào)變形，使各主動盤、從動盤與MRF之間的壓力增大，產(chǎn)生的MRF擠壓強(qiáng)化效應(yīng)隨著擠壓力的增大而增強(qiáng)。

3）勵磁線圈斷電，MRF恢復(fù)為牛頓流體，不再傳遞轉(zhuǎn)矩，銜鐵在復(fù)位彈簧的作用下回到初始位置，不再擠壓MRF。

MRF離合器內(nèi)部由4個主動盤和3個從動盤分隔成8個MRF工作間隙。為減少氣隙過大造成磁路磁阻過大，圖1所示的MRF離合器中銜鐵與殼體端面的間隙為0.2 mm。

2 磁路設(shè)計(jì)與磁場分析

2.1 磁路簡化模型

勵磁線圈通電產(chǎn)生磁場后，磁力線經(jīng)過離合器殼體、主動盤，從動盤以及工作間隙，構(gòu)成一個閉合回路。電磁擠壓的多盤式MRF離合器的磁路簡化模型如圖2所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 MRF離合器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 磁路簡化模型

將磁路細(xì)分為5段，如圖2a）中a～ e 所示，則各段磁阻分別為：

式中：μ1、μ2、μ3和μ4分別為離合器外殼、MRF、主從動盤以及銜鐵的磁導(dǎo)率。

磁路總磁阻為

因此，整個磁路的磁通量為

式中：N 為勵磁線圈的匝數(shù)；I 為勵磁線圈的電流。

根據(jù)磁路基爾霍夫第二定律，可以推導(dǎo)出MRF工作間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

2.2 材料屬性

隔磁環(huán)和軸的材料分別選用銅和鋁，殼體材料選用Q235，主從動盤及銜鐵的材料選用20號鋼，MRF選用中國重慶材料研究所生產(chǎn)的MRF-J01T，最大剪切屈服應(yīng)力為55 kPa、零磁場下黏度（100 s-1,20℃）為0.38 Pa·s、磁性顆粒體積百分?jǐn)?shù)為25%、粒徑范圍為0.1～ 10 μm，MRF材料屬性如圖3所示。

圖3 MRF-J01T 材料屬性

MRF的剪切屈服應(yīng)力可以根據(jù)工作間隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度和MRF的材料特性來近似計(jì)算[14]

式中：k 和α是由MRF材料特性得到的兩個參數(shù)，由圖3數(shù)據(jù)擬合得到k = 107.4 kPa/T，α=0.986。

2.3 磁場有限元分析

將離合器模型導(dǎo)入Maxwell 中，勵磁線圈匝數(shù)設(shè)置為1000匝，進(jìn)行不同輸入電流（I =0.5 A、1 A、1.5 A、2 A、2.5 A、3 A）下的磁場有限元分析，其中I =2.5 A 時的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖如圖4所示。由圖4可以觀察到磁力線大都垂直穿過工作間隙，且圍繞勵磁線圈形成閉合回路，這說明離合器的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)合理，工作間隙磁感應(yīng)強(qiáng)度最大為0.94 T，最小為0.41 T，平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.62 T。

圖4 磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

將MRF工作間隙從下到上順序排列，導(dǎo)出不同輸入電流下各工作間隙的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度，如圖5所示。由圖5可知：在相同輸入電流下，第3、4、5、7條工作間隙的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度最大；隨著電流增大，平均磁感應(yīng)強(qiáng)度從0.30 T 增長至0.63 T，其他工作間隙的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度也增長明顯。

結(jié)合式（5）與圖5可得在不同電流下，各工作間隙MRF的剪切屈服應(yīng)力，如圖6所示。由圖6可知，各工作間隙MRF的剪切屈服應(yīng)力變化趨勢同磁感應(yīng)強(qiáng)度一致，在輸入電流為3 A 時，最大剪切屈服應(yīng)力為45.4 kPa。

圖5 工作間隙平均磁感應(yīng)強(qiáng)度

圖6 工作間隙剪切屈服應(yīng)力

由磁場有限元分析得出的銜鐵所受電磁力與輸入電流的關(guān)系如圖7所示。

圖7 電磁力與輸入電流的關(guān)系

由圖7可知，銜鐵所受電磁力隨輸入電流的增大而增大，在0.5～3 A范圍內(nèi)，電磁力由1 879.4 N增長至7 241.4 N。由于MRF在受到擠壓時會發(fā)生擠壓強(qiáng)化效應(yīng)，MRF的剪切屈服應(yīng)力會進(jìn)一步增大，因此，隨著輸入電流的增大，即銜鐵所受電磁力的增大，會使MRF受到的擠壓力增大，裝置所能傳遞的轉(zhuǎn)矩也會進(jìn)一步增大。

3 擠壓強(qiáng)化及轉(zhuǎn)矩特性分析

3.1 電磁擠壓

將離合器三維模型導(dǎo)入Abaqus中進(jìn)行結(jié)構(gòu)場分析，由Maxwell 電磁場分析得到的不同電流下銜鐵所受電磁力，作為結(jié)構(gòu)場分析時對銜鐵施加的體力，電磁場分析與結(jié)構(gòu)場分析為順序耦合。分析得到銜鐵在不同電磁力下對MRF擠壓后，各工作間隙內(nèi)MRF的擠壓應(yīng)力云圖（應(yīng)力單位：MPa），如圖8所示。由圖8可知，各工作間隙MRF在擠壓力下產(chǎn)生了不同大小的擠壓應(yīng)力，且擠壓應(yīng)力隨電磁力的增大而增大，其中，第4條工作間隙內(nèi)MRF在不同電流下的擠壓應(yīng)力與徑向距離的關(guān)系如圖9所示。

圖8 擠壓應(yīng)力云圖

圖9 不同電流下的擠壓應(yīng)力

由圖9可知，第4條工作間隙內(nèi)的MRF在銜鐵的擠壓下產(chǎn)生的應(yīng)力隨著電流的增大而增大，在0.5～1.5 A 范圍內(nèi)，最大應(yīng)力由56.77 kPa 增大至135.89 kPa，增幅較大，電流繼續(xù)增大到3 A，最大應(yīng)力由135.89 kPa 增大至185.59 kPa，增幅有所減小。

3.2 MRF擠壓強(qiáng)化

MRF在受到擠壓時，磁性顆粒形成的鏈狀結(jié)構(gòu)在擠壓應(yīng)力作用下變?yōu)榇种鶢罱Y(jié)構(gòu)和體心立方結(jié)構(gòu)，此時MRF的剪切屈服應(yīng)力τy分為：磁偶極子作用產(chǎn)生的剪切應(yīng)力τm，磁性顆粒相互摩擦產(chǎn)生的剪切應(yīng)力τf。通過實(shí)驗(yàn)修正的剪切屈服應(yīng)力τy為[15]

其中：

式中：K1和K2為修正系數(shù);φ為MRF體積分?jǐn)?shù)；μf為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率；β 為材料系數(shù)；H0為初始磁場強(qiáng)度；r 為磁性顆粒半徑；d 為磁性顆粒間距，r/d =0.01σ +0.4；ξ 為材料系數(shù)；γ 為剪切應(yīng)變；C 為修正系數(shù)；σs為屈服應(yīng)力；τ0為初始剪切應(yīng)變力；σ 為MRF所受擠壓應(yīng)力。

式中μp為磁性顆粒相對磁導(dǎo)率。

MRF參數(shù)如表2所示，將其帶入式（6）～ 式（9）中，得出MRF剪切屈服應(yīng)力與磁感應(yīng)強(qiáng)度、擠壓應(yīng)力之間的關(guān)系，如圖10所示。

表2 MRF 參數(shù)

圖10 MRF擠壓強(qiáng)化剪切屈服應(yīng)力

由圖10可以看出，當(dāng)擠壓應(yīng)力一定時，MRF剪切屈服應(yīng)力隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而增大，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度一定時，MRF的剪切屈服應(yīng)力隨著擠壓應(yīng)力增大而增大，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度與擠壓應(yīng)力同時增大時，MRF的剪切屈服應(yīng)力迅速增大。

3.3 傳動轉(zhuǎn)矩特性

盤式MRF離合器所傳遞轉(zhuǎn)矩為[8]

式中：τBi為第i 條（i =1～8）工作間隙的MRF剪切屈服應(yīng)力；h為MRF工作間隙，h=1 mm；R1為摩擦盤內(nèi)徑，R1=55 mm；R2為摩擦盤外徑，R2=115 mm；Δω為主動盤與從動盤轉(zhuǎn)速差，Δω=8.48 rad/s；η為MRF零磁場下黏度，η=0.38 Pa·s。

結(jié)合式（6）、式（10）以及圖10對應(yīng)的剪切屈服應(yīng)力，分別計(jì)算得到在不同輸入電流下MRF在受到擠壓時裝置傳遞的總轉(zhuǎn)矩以及MRF在無擠壓時裝置傳遞的總轉(zhuǎn)矩。

4 實(shí)驗(yàn)對比研究

4.1 無擠壓的多盤式MRF裝置實(shí)驗(yàn)對比研究

為研究多盤式高轉(zhuǎn)矩MRF裝置的性能，Wang 等[16]設(shè)計(jì)了一種多盤式MRF制動器，并搭建了轉(zhuǎn)矩性能測試實(shí)驗(yàn)臺，主要由電機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器、MRF制動器、計(jì)算機(jī)、直流電源等組成。該實(shí)驗(yàn)通過直流電源對勵磁線圈（1600匝）輸入0.5～3 A的電流以產(chǎn)生不同強(qiáng)度的磁場，利用轉(zhuǎn)矩傳感器測得在不同輸入電流下MRF制動器的制動力矩。將該實(shí)驗(yàn)測得的多盤式MRF制動器在不同輸入電流下的制動轉(zhuǎn)矩（無擠壓），與本文提出的電磁擠壓的多盤式MRF離合器在受到擠壓與無擠壓時傳遞的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，如圖11所示。

圖11 多盤式MRF裝置實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)矩與本文裝置計(jì)算轉(zhuǎn)矩

由圖11可知，該實(shí)驗(yàn)測得多盤式MRF裝置在無擠壓時便能夠在較小電流下產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩隨著電流的增大而增大。在0.5～2.5 A 范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩隨電流增長較快，但隨著輸入電流繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)矩增長趨勢減緩，當(dāng)電流為2.6 A 時，轉(zhuǎn)矩達(dá)到峰值近980 Nm，之后保持不變。本文提出的MRF裝置在無擠壓時的轉(zhuǎn)矩也隨著電流的增大，由403.77 Nm增長至947.65 Nm。由于本文提出的裝置與該實(shí)驗(yàn)采用的多盤式MRF裝置結(jié)構(gòu)相似，且工作間隙數(shù)與輸入電流大小相同，因此本文裝置在無擠壓時的轉(zhuǎn)矩與該實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)矩值較為接近，且大體增長趨勢接近。MRF受到擠壓后，由于剪切屈服應(yīng)力增大，裝置所能傳遞的轉(zhuǎn)矩隨著電流的增大由1 276.24 Nm 迅速增長至1 692.32 Nm。

通過與該實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可以看出，本文裝置所能傳遞轉(zhuǎn)矩的計(jì)算數(shù)據(jù)可靠，且當(dāng)MRF在受到電磁擠壓后，傳遞轉(zhuǎn)矩明顯提升。當(dāng)輸入電流為3 A，相比無擠壓時，裝置所能傳遞的最大轉(zhuǎn)矩由947.65 Nm增大至1 692.32 Nm，提高了約78.6%。

4.2 高轉(zhuǎn)矩?cái)D壓MRF裝置實(shí)驗(yàn)對比研究

為測試MRF在受到沿磁場方向擠壓后的傳動性能，Wang 等[12]搭建了高轉(zhuǎn)矩?cái)D壓MRF裝置試驗(yàn)臺，由MRF制動器、軸向液壓缸、扭矩傳感器、液壓馬達(dá)、液壓油源、計(jì)算機(jī)、直流電源等組成，避免裝置過熱，采用水冷散熱。該實(shí)驗(yàn)向MRF制動器內(nèi)的勵磁線圈（1500匝）輸入電流以產(chǎn)生磁場，通過液壓缸對MRF制動器依次施加不同大小的軸向擠壓力，利用扭矩傳感器測得在不同擠壓力下的制動力矩。在輸入電流為9 A 時，將該實(shí)驗(yàn)在不同擠壓應(yīng)力下測得的轉(zhuǎn)矩與本文MRF裝置理論計(jì)算轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，如圖12所示。

圖12 擠壓MRF裝置實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)矩與本文裝置計(jì)算轉(zhuǎn)矩

由圖12可知，高轉(zhuǎn)矩?cái)D壓MRF制動器在I = 9 A，無擠壓時的最大轉(zhuǎn)矩為1 060 Nm，在受到207 000 N軸向擠壓力產(chǎn)生的1 500 kPa 的擠壓應(yīng)力后，最大轉(zhuǎn)矩為1 830 Nm，傳動性能提升了72.6%。實(shí)驗(yàn)表明，沿磁場方向擠壓MRF能夠極大的提升MRF的傳動性能，且隨著擠壓力的增大而繼續(xù)增大。與該實(shí)驗(yàn)條件以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比可見，本文提出的電磁擠壓的多盤式MRF離合器只需要更小的電流（3 A）、更小的擠壓力（7 241.4 N）以及更簡單的擠壓方式與結(jié)構(gòu)，便可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩（1 692.32 Nm）傳遞。

5 結(jié)論

本文提出了一種電磁擠壓的多盤式MRF傳動方法，介紹了傳動裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理。利用磁場、結(jié)構(gòu)場有限元分析，計(jì)算得出了MRF在受到擠壓后的剪切屈服應(yīng)力，然后推導(dǎo)計(jì)算了電磁擠壓的多盤式MRF離合器所能傳遞的轉(zhuǎn)矩，并比較了MRF在受到擠壓前后所能傳遞轉(zhuǎn)矩的大小。通過理論計(jì)算與相關(guān)實(shí)驗(yàn)對比表明：無擠壓時，多盤式MRF傳動裝置便能夠傳遞較高轉(zhuǎn)矩947.65 Nm，在受到3 A輸入電流產(chǎn)生的7 241.4 N 的電磁力擠壓后，傳遞轉(zhuǎn)矩增大到1 692.32 Nm，提升了約78.6%；相較于其他裝置，在傳遞高轉(zhuǎn)矩時，電磁擠壓的多盤式MRF離合器需要的電流與擠壓力更小。因此，在勵磁線圈產(chǎn)生的磁場改變MRF流變特性的同時，利用其產(chǎn)生的電磁力對MRF沿磁場方向擠壓，不僅能極大地提升MRF的傳動性能，也使得擠壓MRF的方式與裝置的結(jié)構(gòu)更加簡單。