圆盘式磁流变液离合器的有限元分析

　　0　引言

　　磁流变液是在基液中加入微小的固体颗粒而构成的稳定悬浮液。在外加磁场作用下,会产生磁流变效应。磁流变效应直接影响磁流变液材料的机械特性。无磁场时,固体颗粒无规律的分布,磁流变液具有牛顿流体特性;当有外加磁场时磁流变液中的颗粒沿磁场方向排列成磁链,这些链状结构能阻止流体的流动,因而增大了磁流变液的屈服应力,这时磁流变液表现为宾汉流体。这种变化是连续的、迅速的、可控的,并且也是可逆的。

　　磁流变液的这种特性,使其可应用于磁性的可控装置,如制动器、离合器^[1-2] 。磁流变离合器是一种通过磁流变液的动态剪切屈服应力来传递转矩的装置。圆盘式离合器中的磁流变液在两盘之间像一个圆盘。

　　1　圆盘式磁流变液离合器的原理及设计

　　磁流变液离合器是以磁流变液的剪切力来传递转矩,通过改变磁感应强度的大小,以使磁流变液的剪切力发生变化,从而连续调节传递转矩的大小。圆盘式磁流变液离合器的工作原理如图1所示,输入轴在外接动力源的带动下驱使主动盘以ω1旋转。当电磁线圈无电流时,磁流变液呈Newton流体,此时,传递转矩仅是很小的流体黏性阻力矩;然而,当电磁线圈通入电流后,磁流变液中的悬浮粒子在磁场作用下产生磁化,沿磁通的方向相互吸引形成链状。这种链状结构增大磁流变液的剪切应力^[2-3],依靠这种剪切应力来传递转矩,通过改变磁场强度的大小而改变传递转矩的大小。影响磁流变液离合器性能的主要因素是磁场的分布、磁流变液的性能以及离合器的结构参数。

　　2　离合器有限元模型的建立和求解

　　在建立有限元模型的过程中考虑到节省时间和降低成本,首先要对模型进行简化。由于离合器是轴对称的,故只需用到二维静态分析。单元类型为VectQuad 8node 53,这是一个8节点的四边形单元。选取宁波杉工结构监测与控制工程中心有限公司的磁流变液SG-MRF2035作为工作材料,磁流变液和壳都为非线性材料。

　　电磁场问题实际求解过程中有各种各样的边界条件,但归结起来可概括为3种:狄利克莱(Dirichlet)边界条件、偌依曼(Neumann)边界条件以及它们的组合。Dirichlet条件即磁通量平行于模型边界,而Neumann条件(自然边界条件)是磁通量垂直于模型边界^[4] 。

　　文中的研究模型,所加的边界条件为Dirichlet条件。需要加的载荷条件为电流的密度。线圈导线为26线径,其直径d=0·404mm。

　　图1所示模型中,对传动起决定作用的主要是主动盘和从动盘之间狭小空隙的磁场,因此主要分析这一区域内磁场的分布。间隙的宽度只有1mm,相对于半径方向上的距离小得多。因此,假设在这个空隙内磁场沿水平宽度方向均匀分布,而磁感应强度只沿半径r变化。计算各种不同激励电流下的磁感应强度分布结果如图2所示。