摆线波纹状磁流变液联轴器机理分析及试验研究

摘要

磁流变扭矩传递装置(Magneto-rheological Torque Transmission Device)通常指一类将磁流变液作为工作介质的旋转传动器件，以其具有快速响应、可控制等优点常被应用于机械传动系统中的力矩传递和振动控制场合。但目前磁流变液的工作剪切模量远低于传统工程材料，而传统的磁流变扭矩传递装置一般工作于磁流变液的剪切模式下，导致该类装置在性能上满足大扭矩传递的同时在结构上存在难以实现轻量化、小型化设计的问题。因此，本文以磁流变液联轴器(Magneto-rheological Fluid Couplings)为研究对象，提出并设计一种基于磁流变剪-压混合工作模式的新型摆线波纹状磁流变液联轴器，该装置通过优化磁链的形成方式结合紧凑的结构设计思路，从而有效利用磁流变液的力学特征以提升动力扭矩传递能力。本文通过理论分析、数值仿真和试验测试相结合的研究方法，围绕摆线波纹状磁流变液联轴器的结构设计、力学模型以及性能测试试验展开了一系列研究，具体的工作内容如下： （1）在分析目前传统的磁流变联轴器的结构及工作模式的基础上，根据电磁学理论和有限元仿真分析的结果，提出了一种基于磁流变液剪-压混合工作模式的摆线波纹状磁流变液联轴器设计方案。采用基于卡尔曼单位压力微分方程的金属轧制力计算方法，建立具有摆线波纹传动表面的磁流变液联轴器力学机理模型。通过Matlab编程的手段分别就关键参数对具有平面与摆线波纹传动表面的磁流变液联轴器扭矩传递性能的影响进行数值计算以明确装置的性能表征。数值仿真结果表明，当波纹参数合理设置时，摆线波纹状磁流变液联轴器的扭矩传递性能较普通平面的磁流变液联轴器有明显提升。 （2）针对磁流变液联轴器的电磁学特性、热力学特性，完成了电-磁与电-热耦合仿真分析。利用有限元分析软件对相应的二、三维有限元模型进行磁路设计的合理性分析，结果表明磁力线由隔磁环引导，磁感应强度的分布情况符合设计预期，同时验证了磁流变液联轴器的电磁学理论模型。此外，从热力学角度对磁流变液联轴器进行了稳态热分析，初步确定不同电流载荷下其主要结构以及磁流变液在稳定工作状态下的温度分布情况。 （3）搭建磁流变液联轴器的性能测试平台，主要就试验样机的力学性能开展了试验研究。对比测试采用普通平面与摆线波纹传动表面的磁流变液联轴器在不同激励电流下的制动扭矩、动态传递扭矩以及粘滞阻力矩等主要性能特征。将实验结果与理论结果对比以验证理论模型的有效性，同时分析误差产生原因。试验结果表明，摆线波纹状磁流变液联轴器在扭矩输出能力、传动稳定性、同步时间以及抗冲击性能上均表现出比传统磁流变液联轴器更加优良的力学特性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1引言

1.2课题研究的目的与意义

1.3国内外研究现状

1.3.1 国外研究进展

1.3.2 国内研究进展

1.4课题研究的主要内容

1.5本章小结

第2章 波纹状磁流变液联轴器工作机理及结构设计

2.1磁流变液的构成与固化原理

2.1.1 组成成份

2.1.2 固化原理

2.2磁流变液剪-压混合工作模式

2.2.1 一般工作模式

2.2.2 磁性颗粒在导磁曲面的成链机理

2.3摆线波纹状磁流变液联轴器结构方案

2.3.1 结构原理设计

2.3.2 基本结构材料选取

2.3.3 零件及供电方案设计

2.4本章小结

第3章 摆线波纹状磁流变液联轴器理论分析

3.1磁路分析

3.2扭矩传递力学模型

3.2.1 磁流变液剪-压混合机理模型

3.2.2 摆线波纹状磁流变液联轴器扭矩传递模型

3.2.3 普通平面磁流变液联轴器扭矩传递模型

3.3磁流变液联轴器性能特征

3.3.1 最大输出扭矩

3.3.2 波形参数对工作输出扭矩的影响

3.3.3 粘滞阻力矩

3.3.4 扭矩可调比

3.4动态特性分析

3.4.1 磁流变液腔的电磁特征

3.4.2 动力学机理建模

3.5本章小结

第4章 磁流变液联轴器有限元仿真分析

4.1二维电磁学仿真

4.1.1 仿真模型及边界条件设置

4.1.2 仿真结果分析

4.2三维电磁学仿真

4.2.1 仿真模型及边界条件设置

4.2.2 仿真结果分析

4.3电-热耦合仿真

4.3.1 热源及散热分析

4.3.2 仿真模型及边界条件设置

4.3.3 仿真结果分析

4.4本章小结

第5章 磁流变液联轴器试验研究

5.1装置性能测试系统设计

5.1.1 磁流变液联轴器的试验样机

5.1.2 测试系统原理设计

5.1.3 机械传动设备

5.1.4 数据测试系统

5.2磁流变液联轴器性能测试内容

5.2.1 主要测试项目

5.2.2 力学性能测试方案

5.3性能测试结果与分析

5.3.1 静态传递(制动)扭矩

5.3.2 动态传递扭矩

5.3.3 粘滞阻力矩

5.3.4 时间响应特性

5.3.5 冲击减振特性

5.4本章小结

第6章 总结与展望

6.1全文总结

6.2主要创新点

6.3研究工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

一、已发表的学术论文

二、申请的专利