基于B ingham模型描述的强磁场作用下磁流变液的流变特性,建立了圆筒式磁流变液制动器制动力矩的计算公式,并分析了制动力矩与磁场强度的关系.对圆筒式磁流变液制动器力矩分析计算结果进行讨论,结果表明,增大磁场强度可以提高磁流变液制动器的制动力矩.

提出一种由形状记忆合金(Shape Memory Alloy,SMA)驱动通过改变磁流变液的工作面积来改变传递转矩的传动方法;介绍了其工作原理,分析了变面积的过程;基于磁路理论,进行传动装置的磁路计算;应用ANSYS软件进行了磁路建模和有限元仿真,得到不同面积比下的磁感应强度分布云图;最后对比分析了不同面积比下传递转矩的能力。结果表明:随着磁流变液的面积比增大,传递的转矩先增大后减小,传动能力得到提升。

针对单一的磁流变传动传递转矩较小的缺点,提出了一种电热形状记忆合金与磁流变联合传动方法,可以提高传动装置传递的转矩。基于形状记忆合金的热效应特性,建立了电热形状记忆合金弹簧挤压力与温度的关系;利用Maxwell软件,对磁场进行有限元分析,得到了不同电流下圆盘工作间隙中的磁场强度沿半径的分布情况;基于磁流变液的磁流变特性,建立了磁流变传递的转矩与磁场强度、半径等参数的关系;基于形状记忆合金弹簧的挤压特性,建立了摩擦转矩与挤压力、半径等参数的关系式。研究结果表明,电热形状记忆合金弹簧的挤压力产生的摩擦转矩随温度的升高而增大;磁场强度沿半径的增大而增强;电热形状记忆合金与磁流变联合传递的转矩比单一磁流变传递的转矩提升了53.8%。

针对磁流变液装置所产生的转矩偏小的问题,提出了一种磁流变液与电热形状记忆合金(SMA)联合传动的方法,并介绍了传动装置的工作原理。基于电热SMA弹簧力学特性,推导了温度与摩擦转矩的关系;通过有限元软件对装置进行了磁场分析,得到了环形磁流变液工作间隙磁场强度与磁流变液剪切屈服应力之间的关系,并计算得出磁流变液传递的转矩。实验结果表明:由8个SMA弹簧产生的摩擦转矩最大为1.798 N·m,励磁线圈的电流为1 A、匝数为380时,磁流变液传递的转矩为1.41 N·m。相较于单一的磁流变液传动装置产生的转矩,磁流变液与电热SMA联合传动产生的转矩为3.15 N·m,传动性能提高了1.2倍。

针对均匀间隙磁流变制动器制动力矩较低、制动效率低的问题,根据磁流变液挤压增强效应原理,设计了偏心式磁流变制动器,建立了偏心式磁流变制动器制动力矩模型;分析了工作间隙、偏心率及偏心距对制动力矩的影响规律,基于Sobol法对制动器结构尺寸参数进行全局灵敏度分析,以偏心制动器制动力矩为目标进行了结构尺寸优化。结果表明,偏心率对制动力矩影响最大,且偏心制动器制动力矩随偏心率增大而增大;偏心率从ε=0.1到ε=0.2变化时,制动力矩从38.3 N·m提升到51.9 N·m;偏心距对制动力矩影响较弱,且制动力矩随偏心距的增大而减小,在偏心距e大于1后,影响效果不明显;优化后的偏心制动器制动力矩达到86.3 N·m,较优化前提高了约35.27%;在磁流变液达到磁饱和时,偏心结构对制动器制动力矩提升约7.57%。

为解决单一圆筒式磁流变液离合器转动转矩过小的问题,提出了一种电热形状记忆合金驱动的圆筒-圆盘式磁流变液传动方法,利用形状记忆合金的热驱动特性使磁流变液的工作间隙由单一圆筒变成圆筒-圆盘多工作间隙,提高了传动性能;基于形状记忆效应,得出了电热形状记忆合金推力与温度的关系;通过磁场有限元分析,得出了圆筒-圆盘磁流变液传动装置的磁场强度及分布情况;基于Bingham模型,得出了磁流变液传动转矩与磁场强度、结构尺寸等参数的关系。研究结果表明:圆筒-圆盘式磁流变液传动装置传递的转矩比单一的圆筒式磁流变液传动装置传递的转矩提升了42%。

针对高转矩磁流变液装置结构复杂及使用场景受限等问题,提出了一种电磁挤压的多盘式磁流变液传动方法,利用励磁线圈通电后产生的电磁力对磁流变液进行挤压,使其在传递高转矩的同时,装置的结构更加简单紧凑。利用Maxwell和Abaqus对装置进行了磁场及结构场有限元分析,计算得到了不同输入电流下磁流变液的剪切屈服应力、电磁力以及各工作间隙内磁流变液所受挤压应力;分析了磁流变液在受到挤压强化后的剪切屈服应力,并计算得出装置所能传递的转矩。对比实验表明:利用电磁挤压,磁流变液的传动性能显著增强,在3 A输入电流、7 241.4 N电磁力时,相较于未挤压状态,装置传递转矩提升了约78.6%。

针对圆筒式磁流变传动装置中传力介质磁流变液受压强差、工作间隙、黏度等因素作用进而影响递转矩的问题,根据能量守恒方程和壁面滑移系数建立流速模型。基于FLUENT软件对流速进行模拟仿真,研究了不同工作间隙对流速分布规律的影响,分析了黏度与剪切应力的关系。研究表明,工作间隙与流速分布有关,对流速大小及剪切应力影响不大,磁流变液黏度会影响挤压作用产生的效果,转速越大,传递力矩越大,在工作间隙3mm时传递的力矩最大。

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。

针对磁流变液传动装置转矩偏小和温度升高磁流变液性能下降的问题,提出一种磁流变液和电磁摩擦联合传动装置,并介绍其工作原理。利用Maxwell软件对装置进行磁场有限元分析,得到线圈在不同位置时磁流变液工作区域内的磁场强度和磁感应强度;基于圆筒式磁流变液传动装置转矩公式和电磁吸力公式,计算出磁流变液传递的转矩和电磁摩擦转矩。结果表明:随线圈分布位置距离摩擦盘越近,装置传递的转矩越大;当线圈分布在主动轴两端最外侧且距摩擦盘0 mm时,电磁摩擦转矩达到最大值96.86 N·m,同时磁流变液传递转矩也达到最大值36.60 N·m,总传动转矩为130.25 N·m;相较于单一的磁流变液传动,电磁摩擦与磁流变联合传动装置传递转矩性能提升255%。