1、磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 62 具有楔形间隙的圆筒式磁流变液离合器传动性能研究赵金涛，胡荣丽，黄金(重庆理工大学 机械工程学院，重庆 400054)摘要：针对传统的圆筒式磁流变液传动装置存在轴向长度过长且传递转矩较小的问题，提出一种具有楔形间隙的圆筒式磁流变液离合器。运用有限元法对装置进行磁场仿真，在相同输入电流下，分析不同截面下不同间隙厚度的磁场分布，得出磁流变液的剪切屈服应力。根据传动装置的结构特点和Bingham模型理论，基于计算流体动力学对楔形间隙内流场的速度、压力、黏度及剪切应力分布进行分析，得到传递转矩随结构和转速的变化。研究结果表明，磁流变液
2、间隙差越大，该楔形间隙提供的转矩越大；同时，磁流变液在挤压强化后，剪切屈服应力显著增加；在磁感应强度为0.55 T，初始屈服应力为30 kPa的条件下，同转速60 rad/s下相较于传统圆筒式磁流变液离合器，传递转矩提升了约1.12倍。关键词：磁流变液离合器；楔形间隙；流场；输出转矩中图分类号：TB381;TH133.4 文献标识码：A 文章编号：1001-3830(2023)02-0062-07DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.02.011著录格式：赵金涛,胡荣丽,黄金.具有楔形间隙的圆筒式磁流变液离合器传动性能研究J.磁性材料及器件,2023,54(2):62-6
3、8./ZHAO Jin-tao,HU Rong-li,HUANG Jin.Research on drive performance of cylindrical MR clutch with wedge gaps J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(2):62-68.Research on drive performance of cylindrical MR clutch with wedge gapsZHAO Jin-tao,HU Rong-li,HUANG JinCollege of Mechanical Engine
4、ering,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,ChinaAbstract:In this paper,a cylindrical magnetorheological fluid clutch with wedge gap is proposed to solve the problem of long axial length and small transfer torque in traditional cylindrical magnetorheological fluid drive.Finite element
5、method is used to simulate the magnetic field of the device.Under the same input current,the magnetic field distribution of the magnetorheological fluid thickness under different sections is analyzed and the shear yield stress of magnetorheological fluid is obtained.According to the structural chara
6、cteristics of the transmission and Bingham model theory,the velocity,pressure,viscosity and shear stress distribution of the flow field in wedge gap are analyzed based on computational fluid dynamics,and the variation rule of transfer torque with structure and speed is obtained.The results show that
7、 the greater the gap difference between magnetorheological fluids,the greater the torque provided by the wedge gap.At the same time,the shear yield stress of MRF increases significantly after extrusion strengthening.At a magnetic induction strength of 0.55 T and an initial yield stress of 30 kPa.At
8、the same speed of 60 rad/s,compared with the traditional cylindrical magnetorheological fluid clutch,the transmission torque is increased by about 1.12 times.Key words:MR clutch;wedge gap;flow field;output torque1 引言磁流变液(Magnetorheological Fluid,MRF)是一种由磁性颗粒、基础液和添加剂混合组成的智能可控非胶体1。当外界磁场为零时，MRF呈流动性较好的牛
9、顿流体状态；在外磁场作用下，其流变特性会发生显著变化。同时MRF对磁场的响应迅速，其流体的表观粘度在磁场作用下可增大几个数量级，处于磁场中的MRF呈现出类似固体材料的力学特性，且黏度变化是连续可逆的，即磁场撤去后，又变成流体状态。因此，可以利用MRF的磁流变效应，将其作为传动装置中的动力媒介来传递转矩，收稿日期：2022-05-05 修回日期：2022-06-06基金项目：国家自然科学基金资助项目(51875068)通讯作者：黄 金 E-mail:赵金涛等：具有楔形间隙的圆筒式磁流变液离合器传动性能研究 63 制成MRF制动器与离合器等磁流变器件2-4。对MRF在传动领域的应用已有大量研究。如
10、王鸿云等5设计了一种基于挤压-剪切混合模式磁流变液离合器，并通过实验分析了电流和挤压应力对磁流变离合器转矩的影响。Zhang等6研究了MRF的挤压强化技术，通过建立磁性颗粒的间隙与磁偶极子偶极矩的关系，来解释MRF的挤压增强效应，并设计了一组实验来验证。杨晶等7研究了圆筒式楔形间隙磁流变传动装置，得到输出转矩与楔角度数的关系，但并未考虑流场挤压效应的影响。刘成晔等8基于有限体积法建立圆筒式磁流变液制动器内流场模型，分析了磁流变液处于完全屈服状态时的内流场速度分布，并将结果与动量方程计算结果进行了比较，保证了内流场模型精度。季海峰等9通过建立层间传力模型推导出切应力与剪切速率的关系，并根据实验结
11、果将不同变量之间的关系进行拟合。熊洋等10针对磁流变液装置转矩偏小的问题，设计一种MRF与SMA联合传动装置，该联合传动装置比单MRF传动装置传动性能提高了1.2倍。Liu等11设计了一种盘式挤压制动装置，分析了挤压应力和制动力矩的关系，结果表明磁流变液的剪切屈服应力与挤压力呈正相关，通过轴向加压，磁流变制动器的制动时间大幅度缩短。柏宗春等12利用CFD技术研究了转盘结构对盘式磁流变液制动器的影响，表明磁流变液腔室宽度对制动力矩影响较小，传动装置的制动力矩随环槽两侧磁流变液压差增大而显著提升。上述相关研究都极大地推动了MRF在传动领域的发展，但多数研究忽略了磁流变液自身的流场特性，且利用附加装
12、置轴向挤压磁流变液增加了装置结构的复杂程度。鉴于此，为满足MRF传动装置的高转矩需求，基于MRF的挤压强化效应，提出了一种楔形间隙的圆筒式MRF离合器，该楔形结构由圆形外筒和椭圆形内筒构成，即主从动圆筒之间形成楔形间隙，利用MRF工作间隙变化产生的液体压差改变MRF的流变特性，提升MRF的剪切屈服应力，从而达到提高装置传递转矩，简化装置结构的目的。2 结构与原理圆筒式楔形挤压 MRF 离合器的结构如图 1 所示。MRF充填在由主动内圆筒和从动外圆筒形成的环形工作间隙中；主动轴内圆筒外壁为椭圆柱面，外圆筒内壁设计成圆柱面，这样主从动圆筒之间形成楔形间隙。工作原理如下：(1)初始状态，励磁线圈未通
13、电，MRF工作间隙内无磁场，当主动轴转动时，仅依靠MRF零磁场下的粘性力传递转矩，不能带动外圆筒及从动轴转动。(2)工作时，给励磁线圈通电，产生磁场，磁场垂直穿过磁流变液工作间隙，MRF中的磁性颗粒沿磁通方向形成链状结构，产生磁流变效应，其屈服应力增大。同时，由于椭圆转子和圆筒外壳形成的楔形间隙产生挤压力使磁流变液产生挤压强化效应，且磁流变液通过楔形间隙时磁性颗粒体积分数增大，MRF的屈服应力显著增大。(3)工作结束时，励磁线圈断电，MRF恢复为牛顿流体状态，此时依靠零磁场的MRF产生的剪切屈服应力无法使MRF离合器工作，离合器断开。3 传动装置转矩特性3.1 椭圆挤压流动模型磁流变液在间隙内
14、流动过程中，由大间隙流入小间隙形成收敛的楔形间隙，因此磁流变液在流动过程中会受到挤压力，磁流变液在椭圆与圆筒之间的流动如图2所示。圆筒几何中心与椭圆弧中心之间的距离d为椭圆度，d/C=为椭圆比，其中间隙C为圆筒半径与椭圆长轴半径的差值。由椭圆与圆筒构成的楔形间隙具有两个参考间隙：一个是由圆筒与椭圆外切圆所形成的小间隙，以Cm表示；另一个是由圆筒与椭圆内切圆所形成的大间隙，以C表示。同时，椭圆与圆筒之间的流动存在两种偏心率：(1)圆筒几何中心到椭圆旋转中心O的偏心率，由=e/Ch或=e/Cm表示；(2)上半椭圆弧或下半椭圆弧的曲率中心到椭圆旋转中心O的 123465781-主动轴 2-轴承端盖
15、3-左侧壳体 4-励磁线圈 5-注油螺栓 6-外圆筒 7-MRF 8-从动轴图1 MRF离合器结构示意图磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 64 偏心率，由1,2=e1,2/C表示。同样地，也存在两种偏位角：一个是圆筒的偏位角；另一个是椭圆的偏位角。椭圆的三角关系如图3所示，以1表示椭圆弧的上半部分，2表示椭圆弧的下半部分，因此椭圆弧的三角关系可表示为|1=2+2+2cos2=2+2-2sin1=arcsinsin12=arcsinsin2(1)式中，1=e1/C，2=e2/C。结合(1)式所示的椭圆的三角关系，楔形间隙厚度h可表示为h=C+ecos+R-R2-e2
16、sin2(2)3.2 椭圆间隙流动方程假设椭圆与圆筒构成的楔形间隙在轴向无限长，因此在轴线方向压力无变化，即dp dz=0。于是Reynolds方程可表示为ddx(h3dpdx)=6Udhdx(3)式中，C为油楔厚度，为磁流变液粘度，U为磁流变液流速，U=r。在极坐标系中，Reynolds方程中x以代替，对(3)式积分，得到dpd=6UR(h+C1h3)(4)在楔形间隙内存在某个h=h0，使得dp/d=0，因此C1为h0，C可由(1)式计算得出。因此根据(3)和(4)式，压力p=6URC|d()1+cos2-h0Cd()1+cos3|+C2 (5)进一步地，(5)式积分，引入1+cos=1-21-cos(6)在坐标系内边界条件为=0，p=p0，回复到原始坐标后，可得到压力p=pa+6URC2(2+cos)sin(2+2)()1+cos2(7)式中，pa是=0处的压力，当磁流变液进油区域处于1=0处，pa即为磁流变液进油处的压力值。当磁流变液的剪切屈服应力大于磁致屈服值时，磁流变液产生流动。因此，在楔形间隙内的磁流变液，一部分会在剪切屈服区域发生流动，另一部分会以类固体的形式停滞在未屈服