高性能车用磁粉离合器的研究

摘要

磁粉离合器具有接合平顺、可控性好、响应迅速、转矩传递范围广且与滑差率无关、传动效率高等优点，决定其在车辆行业有着广阔的应用前景。但是由于国外技术封锁，国内缺少相关研究，目前国产车用磁粉离合器存在传递转矩容量低，工作过程激磁线圈温升过高等问题，无法满足车辆传动的使用要求。为此，本文以一种适用于经济型乘用车自动变速或半自动变速系统中使用的，具有高转矩传递、高可靠性、低能耗的高性能车用磁粉离合器为研究对象，运用理论分析、仿真计算、样件试制与试验测试相结合的研究方法，紧密把握材料与结构设计两条研究主线，对磁粉离合器转矩传递机理、基于电磁场分析的磁粉离合器性能评价及设计方法、材料性能及结构参数对磁粉离合器性能的影响关系、温度场分析模型、应用永磁材料的磁粉离合器设计及可行性等一系列关键问题展开了深入研究，旨在通过本文的研究提高国产磁粉离合器及汽车产品的档次和市场竞争力。主要内容包括以下几个方面:
　　 (1)从能量守恒角度出发，建立了磁粉离合器转矩传递机理模型，揭示其利用能量变换实现转矩传递的内在规律。建立了磁粉离合器工作间隙电磁场与其转矩传递间关系，提出了通过电磁场分析得到磁粉离合器性能的方法。
　　 (2)利用现有磁粉离合器的设计方法与经验，综合考虑车辆变速器型腔空间对磁粉离合器几何尺寸的限定，对车用磁粉离合器结构与电磁参数进行了设计，建立了设计车用磁粉离合器的电磁场分析模型，并对其性能进行了分析研究。
　　 (3)在设计的车用磁粉离合器分析模型和分析结果的基础上，从离合器结构及参数的改进与优化、离合器材料对其性能影响两个角度，分析提升磁粉离合器转矩传递性能的方法与途径，分析建立了磁粉离合器工作间隙宽度、非工作间隙宽度、工作间隙数目、磁路材料磁性能、磁粉材料等主要设计参数与其性能间的定量关系。通过储粉腔、磁粉导槽的合理设计，改善了磁粉离合器磁场分布，实现了磁粉离合器高转矩传递的高性能。
　　 (4)针对车用磁粉离合器的工作特点，利用永磁材料在工作中不消耗能量的优良特性，提出了一种基于永磁体产生的和由激磁线圈产生的两磁场叠加原理的磁粉离合器，对其结构方案、工作过程及结构参数进行了设计分析。确定了满足设计要求车用永磁磁粉离合器的设计方案，并对其性能进行分析，与常规电磁磁粉离合器相比，能耗得到有效降低。
　　 (5)为评价设计的磁粉离合器的工作能力和可行性，指导其设计与优化，建立了磁粉离合器温度场分析模型，研究了三种典型稳定工况下的磁粉离合器温度分布及其变化情况。分析结果表明，本文设计的车用磁粉离合器具有高的工作可靠性。
　　 (6)研制了磁粉离合器试验样机，建立了试验平台，进行了试验样机表面静态电磁场、转矩-激磁电流特性、表面温升的试验研究。试验验证了本文设计、计算等工作的正确性，结果表明本文所研究的车用磁粉离合器的具有高转矩传递、高可靠性及低能耗的特点，达到预期研究效果。

目录

声明

摘要

插图目录

表格目录

符号表

1 绪论

1．1 课题来源及研究意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 磁粉离合器

1．2．2 相关学科的研究进展

1．2．3 其它类型离合器

1．3 本文解决的问题

1．4 论文结构

2 磁粉离合器工作机理及分析方法研究

2．1 磁粉离合器工作原理及特性

2．1．1 工作原理

2．1．2 工作特性

2．2 磁粉离合器转矩传递机理分析

2．3 磁粉离合器电磁场计算的理论基础

2．3．1 电磁场效学模型

2．3．2 电磁场场域数值计算方法

2．4 磁粉离合器电磁场分析

2．4．1 研究对象

2．4．2 二维稳态电磁场有限元模型

2．4．3 三维稳态电磁场有限元模型

2．5 转矩传递性能

2．6 本章小结

3 磁粉离合器的设计与分析

3．1 磁粉离合器匹配车型

3．2 磁粉离合器结构及材料分析

3．2．1 结构及分类

3．2．2 磁粉离合器材料

3．3 车用磁粉离合器结构设计与分析

3．3．1 结构方案

3．3．2 结构电磁参数设计

3．3．3 电磁场及性能仿真

3．4 结构及其参数对离合器性能影响

3．4．1 储粉腔

3．4．2 空气气隙

3．4．3 工作间隙

3．4．4 激磁线圈

3．4．5 隔磁环

3．4．6 工作间隙数目

3．5 材料磁性能对离合器性能影响

3．5．1 磁路软磁材料

3．5．2 隔磁体材料

3．5．3 磁粉材料

3．6 本章小结

4 应用永磁材料的磁粉离合器的研究

4．1 方案设计与分析

4．1．1 理论依据

4．1．2 结构方案

4．1．3 工作过程

4．1．4 原理可行性

4．2 参数分析

4．2．1 永磁材料选取

4．2．2 参数计算

4．3 性能分析

4．3．1 转矩性能分析

4．3．2 能耗分析

4．4 本章小结

5 磁粉离合器温度场分析

5．1 热分析理论基础

5．1．1 传热学基本理论

5．1．2 热分析的有限元法

5．2 温度场参数确定

5．2．1 热源分析

5．2．2 热参数确定

5．3 磁粉离合器温度场分析模型

5．3．1 极低速行驶工况

5．3．2 满负荷行驶工况

5．3．3 中等负荷行驶工况

5．4 本章小结

6 磁粉离合器的研制与试验

6．1 原理样机研制

6．2 试验平台

6．3 试验内容

6．3．1 静态电磁场测试

6．3．2 转矩-激磁电流特性

6．3．3 表面温度测试

6．4 试验结果分析

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要研究工作和结论

7．2 主要创新点

7．3 工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及科研情况