一种新型磁流变液离合器的设计和优化计算

一种新型磁流变液离合器的设计和优化计算∗钱林俊，龚兴龙，张培强中国科学技术大学力学和机械工程系，安徽合肥（230027）Email：ljqian@摘要：为了克服传统离合器噪音大，易磨损等缺点以及现有离心式磁流变液离合器在设计加工上较难实现的困境，特设计一种简单可行的新型磁流变液离合器。

通过Ansys的建模和计算优化了磁流变液离合器的磁路，为磁流变液离合器的结构设计和制作提供了理论依据。

磁流变液离合器的性能直接依赖于磁流变液的性能。

随着磁流变液的性能以及化学物理稳定性的提高，该种简单易行的磁流变液离合器必将在小扭矩传动的轻工业市场有着广阔的前景。

关键词：磁流变液,离合器,小扭矩。

中图分类号：TB381.1. 引言磁流变材料是一种流变性能可由磁场控制的新型智能材料。

到目前为止，磁流变材料主要有磁流变液[1-5]和磁流变弹性体两种。

顾名思义，磁流变液是一种具有磁流变性能的液体。

磁流变液中颗粒在外加磁场的作用下被磁化，磁化后的颗粒间相互作用聚集成链状或柱状有序结构，在宏观看来，即是由自由流动状态转变为类固态；而一旦磁场撤去，磁流变液又恢复为自由流动状态。

利用磁流变液流变性能的磁场可控性，可以研制各种各样的新型智能化器件。

目前，磁流变液器件的研究主要着力于离合器、阻尼器、减震器、隔振器以及柔性夹具等方面。

目前离合器的种类繁多，有牙嵌式、摩擦片式、转差式、磁粉式等。

各种离合器由于自身结构设计上的原因或多或少存在着一定程度的冲击作用和摩擦作用。

冲击作用将带来一定程度的噪音；摩擦作用将导致离合器的磨损和温升，当温升过高时将会引起摩擦性能衰退现象。

磁流变液离合器是一种新型的离合器，采用智能材料磁流变液自身状态的改变实现主从动轮之间离合的目的。

磁流变液可以在毫秒量级发生自身状态的相变，使得磁流变液离合器响应速度较快。

另外由于磁流变液离合器通过磁流变液连接主从动轮，故而不存在冲击现象，避免了噪音的产生；由于主从动轮并不直接接触，故而不存在摩擦，主从动轮不会发生磨损，发热量也比较小；克服了传统离合器由于自身设计所带来的不可避免的问题。

到目前为止，尚未发现有较好的磁流变液离合器出现。

现有磁流变液离合器为离心式磁流变液离合器[6-7]，加工起来较难实现。

为了得到一个简单易行的磁流变液离合器，特作此设计。

∗本课题得到高等学校博士学科点专题科研基金（20030358014）资助-1-2. 磁流变液离合器的初步设计鉴于对磁流变液本身性质的考虑，将磁流变液分成两个部分来设计：1、借助磁流变液流变性能的磁场可控性，将磁流变液作为传动介质来传递转矩；2、借助磁流变液自身的液态性质以及自身组成成分（主要成分为硅油和羰基铁粉）的性质，将磁流变液作为冷却剂和润滑剂。

磁流变液离合器的基本结构模型如图1所示。

本结构为轴对称结构，图1中所示点划线为轴对称轴。

该结构主要由以下几部分组成：主动轮、从动轮、支撑体、电磁线圈、导磁外壳以及磁流变液（分为两部分：起传动作用的磁流变液传动层以及起润滑和冷却作用的磁流变液）。

支撑体通过导磁回路定位，再通过轴承将从动轮与主动轮定位，实现从动轮与主动轮的共轴。

通过磁流变液传动层实现转矩的传递，以及磁流变液自身状态的改变实现离合的功能；电磁线圈主要用来在磁流变液传动层中生成磁场从而控制磁流变液的状态。

磁流变液状态的改变决定了磁流变液抗剪切强度的大小，从而决定了从动轮与主动轮之间的扭转矩传递的大小。

在主动轮转速一定的条件下，也可以通过改变磁流变液传动层中磁感应强度的大小来调节从动轮的转速。

3. 磁流变液传动层形状对磁流变液离合器性能的影响3.1 磁流变液传动层形状的设计磁流变液离合器的转矩传动效率直接取决于磁流变液传动层中的磁感应强度的大小，磁流变液传动层中的磁感应强度越大，则磁流变液的固化效果越好，抗剪切能力越强，从动轮对于主动轮的跟随性就越好，转矩传动效率就越高；反之则越低。

因此，对于磁流变液离合器转矩传动效率的研究归结于对磁流变液传动层中磁感应强度值大小的研究。

图1磁流变液离合器的基本结构模型示意图-2-图2 各种磁流变液传动层形状示意图考虑到磁流变液传动层的形状以及面积的大小可能对转矩的传动效率产生影响，将图1中的磁流变液传动层稍做修改，得到图2所示的另外三种情况，分别对包括原始传动层形状在内的四种模型用Ansys进行建模和计算分析（假设四种模型除磁流变液传动层外各元件尺寸相同，所施加给线圈的电流相等），可以得到磁流变液传动层形状对于转矩传动效率的影响。

3.2 不同形状的磁流变液传动层对转矩传动比的影响在此磁流变液离合器中，起传动作用的磁流变液仅是很薄的一层（1mm左右），有理由假设该薄层内的磁流变液在厚度方向的磁感应强度均匀且相等。

研究计算结果中磁流变液传动层的中间截面上的磁感应强度值，以传动层中间截面各点到轴对称轴的距离作为横坐标，以各点的磁感应强度值作为纵坐标，可得如图3所示关系曲线。

比较该四种情况下磁流变液传动层中间截面各对应位置点的磁感应强度值可知，台阶式传动层、半斜坡式传动层、斜坡式传动层各点的磁感应强度值相对于原始平台式传动层而言偏低，台阶式传动层虽然在中间某些点的磁感应强度值比平台式传动层要大一些，但是整体效果未必比平台式传动层好，并且台阶式加工起来较平台式复杂许多，综合比较，选择原始平台式的磁流变液传动层作为离合器的传动层。

采用原始平台式磁流变液传动层的磁流变液离合器的磁力线分布图如图4所示，由图4-3--4-可知，起传动作用的磁流变液传动层中磁力线的密集程度远比起冷却和润滑作用的磁流变液当中的磁力线的密集程度大许多，说明磁流变液传动层中的磁感应强度大，磁流变液的固化程度高，磁流变液传动层的抗剪切能力强，从而为转矩的传递提供了保障；而起润滑和冷却图3不同形状磁流变液传动层中截面磁感应强度的比较图4 具有原始形状磁流变液传动层的磁流变液离合器磁力线分布示意图作用的磁流变液中的磁感应强度相对很小，固化不是很明显，仍然接近液态，流动性能较好，能够起到很好的冷却和润滑作用。

两部分磁流变液各司其职，符合设计的初衷。

4、磁流变液离合器的进一步优化与改进考虑到磁流变液传动层所能传递的转矩的大小不仅与磁流变液传动层中各点的磁感应强度有关，还与各点到轴对称轴的距离相关。

分析图3可知，离轴对称轴的近的磁流变液中-5-磁感应强度大，远离轴对称轴的磁流变液中的磁感应强度小，这样根据转矩的计算可知整个离合器所能提供的转矩相对较小。

为了解决这一问题，考虑将靠近轴对称轴的磁力线赶到远离轴对称轴的地方，从而增加远离轴对称轴各点的磁感应强度的大小，进而增加整个传动装置所能传递的转矩的大小。

因此，可在主动轮与从动轮的两个传动面上分别镶嵌一薄层隔磁物质（隔磁片），以达到将磁力线赶离轴对称轴的目的。

改进后的离合器结构示意图及磁力线分布图如图5所示。

图5 改进后的离合传动装置示意图及其磁力线分布图由图5中的磁力线分布图可知，远离轴对称轴的磁流变液传动层中的磁力线加密。

Ansys 计算结果证明，该部分磁流变液中的磁感应强度得到明显增加。

由图易知，隔磁片半径的大小以及隔磁片的厚度将直接影响整体所能传递的转矩的大小。

4.1 隔磁片半径对传递转矩大小的影响为了研究隔磁片半径的大小对磁流变液传动层中的磁感应强度大小的影响，从而进一步研究隔磁片半径对转矩传动效率的影响，考虑到隔磁片半径的大小与转矩传递率之间很难得到一个固定的解析关系，因此选取几个特征半径分别用Ansys 进行建模计算，将计算所得到的结果用曲线拟合的方法可得到如图6所示的关系曲线：（其中横轴为隔磁片半径的大小；纵轴为磁流变液传动层所能传递的转矩的大小；用Ansys 建模计算时整个磁流变液传动层为半径40mm ，厚度1mm 的薄层。

）图6 隔磁片半径的大小对磁流变液传动层所能传递转矩大小的影响由图6可以看出，当隔磁片的半径在18mm左右时，磁流变液传动层所能传递的转矩最大。

经分析，当隔磁片半径较小时，虽然用来传递转矩的磁流变液的面积较大，但是磁流变液中的磁感应强度较小，尤其是远离中心轴的磁流变液中的磁感应强度较小，导致虽然传动面积较大，但所能传递的转矩却较小；而当隔磁片的半径较大时，显然用来传递转矩的磁流变液的面积较小，虽然磁力线被赶离中心轴，远离中心轴的磁流变液中的磁感应强度增大，但是其所能传递的转矩仍然较小；因此，磁流变液传动层中起传动作用的磁流变液的面积与该部分磁流变液中的磁感应强度的大小是互相矛盾的两个因素，只有合适的选择隔磁片的半径，才能得到较理想的转矩传递率。

综合考虑该矛盾的两个方面以及用Ansys计算的结果可得，当隔磁片半径的大小约为磁流变液传动层半径的一半时，转矩传动的效果最佳。

4.2 隔磁片厚度对传递转矩大小的影响隔磁片的加入是为了将磁力线赶离中心轴，使得远离中心轴的磁流变液当中的磁感应强度增加，从而提高磁流变液传动层所能传递的转矩的大小。

但是隔磁片厚度的大小有可能影响到隔磁的效率，从而影响转矩的传递效率。

从理论上来讲，隔磁片越厚，隔磁效果越好。

为了考察隔磁片厚度对转矩传动效果的影响，特选取0.5mm和1mm的铜片作为隔磁片，用Ansys进行建模计算。

计算的结果表明，隔磁片厚度的改变对磁流变液传动层中的磁感应强度的影响并不大。

因此，隔磁片厚度的选择在隔磁片能够起到隔磁效果的前提下，厚度越小越好。

4.3 磁路的进一步优化磁路中一些直角转角的存在，可能引入涡流而影响整个磁流变液离合器的性能。

为了研究直角磁路对整体性能的影响，特将隔磁片半径为20mm的模型中的一些直角部分用圆角加以代替，得到磁力线分布图如图7所示：-6-图7 对磁回路作适当倒角处理后的磁力线分布图比较图7与图5可以发现，整体磁路圆滑了许多。

将倒角前与倒角后磁流变液传动层中的磁感应强度作比较（如图8所示）可以发现，磁流变液传动层中的磁感应强度的大小有了明显的提高。

可见在磁路的设计当中，适当的以圆角代替直角可以在一定程度上提高磁流变液器件的性能。

图8 倒角前后磁流变液传动层中间截面的磁感应强度大小比较-7-5. 小结与展望本文通过对磁流变液离合器的Ansys建模以及一系列的比较计算，给出了区别于传统离合器以及离心式磁流变液离合器的简单可行的磁流变液离合器的模型。

通过对磁流变液传动层形状的不同对磁流变液传动层中磁感应强度大小的比较，通过引入隔磁片并计算隔磁片半径和厚度对磁流变液传动层中磁感应强度大小的比较，以及对磁路中直角转角的影响的分析计算，为磁流变液离合器结构设计和制作提供理论依据。

磁流变液离合器的性能很大程度上依赖于磁流变液自身的性能。

随着磁流变液的深入研究以及性能的提高，该种简单易行的新型磁流变液离合器必将在轻工业市场中占有一席之地。

为了得到一个切实可行的磁流变液离合器，将其应用到生产生活中来，将对该磁流变液离合器做进一步的加工和改进。