基于磁流變轉向器和離合器的傳動系統

關鍵詞：磁流變流體（MRF）；離合器；轉向器；傳動系統

0前言

隨著新能源汽車技術的不斷發展，對其傳動系統的性能提出了新要求和新挑戰。高可控性、高精度與高響應速度成為了新能源汽車傳動系統發展的主要方向，這些發展方向可以通過軟/硬件方法實現。其中，軟件實現方法可采用控制系統配合一系列高精度傳感器完成［1］，而硬件實現方法則采用合適的傳動系統，包括齒輪、離合器和飛輪［2］。相較于傳感器方案，傳統機械系統在體積和質量上有較大缺陷，模塊化程度較低［3］，但傳統機械系統在惡劣工況下可靠性更高。

近年來，磁流變流體（MRF）作為一種新型功能性流體材料，受到業界關注。MRF 由載流體和直徑為1～10 μm 的磁性顆粒組成，如圖1 所示。MRF 的表觀黏度隨所施加磁場的變化而變化，其在磁場作用下的響應時間約為5 ms［4］。

MRF的流變效應使其在傳動領域有較好的應用場景，如通過改變勵磁線圈電流控制外加磁場強度，從而改變MRF 的剪切屈服應力來達到控制傳遞力與力矩的目的［5］。

磁流變離合器（MRF-CL）以MRF 的流變效應代替傳統的接觸摩擦，相較于傳統離合器具有結構簡單、磨損小、響應速度快等優點［6］。MRF-CL 所能產生的扭矩密度比隨著離合器片數的增加而上升［7］，增加離合器片數可以在不減少扭矩輸出的情況下縮小離合器體積。但是離合器僅具有傳遞扭矩的作用，而不具備轉向功能，單獨的MRF-CL 在傳動系統中功能有限。目前將MRF 應用于轉向機構的研究還較為欠缺。本文以MRF 應用于汽車傳動系統為目標，設計了一套具有MRF-CL 和磁流變轉向器（MRF-DC）的傳動系統原型，并測試其相關性能。

1 結構設計

本文采用LORD 公司生產、型號為MRF-132DG 的MRF，該型號MRF 是在磁流變（MR）領域中最為廣泛應用的材料之一。

1. 1 多盤式MRF-CL

1. 1. 1 結構設計

本文開發了一種多盤式MRF-CL，直徑為158 mm、寬度為90 mm，其結構如圖2 所示。驅動軸（A）為輸入端，從動軸（B）為輸出端。驅動軸與驅動軸底座（C）相連，底座上有MRF 注入口（D）、排氣口（E）和MRF 流道（F）。驅動軸底座和驅動軸通過復合滾針軸承連接。2 個驅動盤（G）固定在驅動軸基座上，中間由鋁環（H）隔開，以保持驅動盤之間的距離固定。3 個從動盤（I）固定在從動軸（B）上，外側同樣由鋁環相隔以保持間距不變。線圈鐵芯（J）由坡莫合金制成，鐵芯周圍的線圈（K）由銅線繞制。由硅鐵合金制成的金屬板（L）用于將線圈產生的磁場導向MRF-CL 中心。鋁制外殼（M）容納所有部件。運動部件和固定外殼之間由軸承連接。

相較于傳統MRF-CL 設計中以磁性材料制成的轉軸作為勵磁線圈鐵芯，所開發的多盤式MRFCLMRFCL在驅動盤及從動盤周圍環形設置了獨立固定的線圈，解決了既有方案中必須安裝電刷的問題，同時提高了可制造性和可維護性。

根據所用MRF-132DG 的生產廠商提供的數據，在最大磁感應強度0.2 mT 下，流體的最大屈服應力為25 kPa，則由式（4）計算可得流體提供的最大剪力為231.2N。

1. 2 MRF-DC

1. 2. 1 結構設計

本文所開發的MRF-DC 結構如圖4 所示，其直徑為90 mm，長度為160 mm。設計中使用了4 個錐齒輪組件齒輪箱以實現方向轉換和輸出的功能。驅動軸（A）為輸入端，從動軸（B）為輸出端。驅動軸和從動軸都由磁性材料制成，起鐵芯作用。從動軸與制動器（C）固定。殼體（D）由鋁制成。錐齒輪組（E）固定在殼體內部。殼體內部間隙以MRF（F）填充，線圈（G）環繞在殼體外。外側線圈所產生的磁場經由傳動軸通入內部，使MRF 固化以控制MRF-DC 運動狀態。

當MRF 處于液態（未施加磁場）時，MRF 不對錐齒輪提供力，作用等同于潤滑劑，輸出軸的方向在齒輪箱內被轉換為輸入軸的反方向。當MRF 處于高黏度狀態（施加磁場）時，錐齒輪間隙中的MRF 可以嚙合錐齒輪。在這種情況下，輸入軸帶動整體一起旋轉，輸出軸的方向與輸入軸保持同向。MRF-DC 的工作模式見表1。

1. 2. 2 磁場與剪力

對MRF-DC建立磁阻模型，表2列出了MRFDC各部分的磁導率、長度、面積和磁阻。根據式（3）計算可得總磁阻為3.20×109 H?1。利用式（1）和式（4）可以推出，當線圈為2000匝、勵磁電流為4 A時，MRF-DC所能產生的最大剪力為0.6 N。

1. 3整體系統

本文提出的傳動系統由MRF-DC、MRF-CL和制動器（BR）組成，如圖5 所示，該系統可提供多種工作模式，包括速度、扭矩和方向轉換。本系統4 種具有代表性的工作模式見表3，其對應的模式轉換如圖6 所示。

由圖6（a）、圖6（b）可見，斷開MRF-CL 可迅速將模式從正向自由模式轉換為反向自由模式。當系統需要交替切換方向時，MRF-DC 和BR 的狀態可同時發生變化。當從正向（反向）切換到反向（正向）時，MRF-DC 為斷開（嚙合），BR 為嚙合（斷開）。

MRF-CL 的嚙合是傳輸動力的必要條件。由圖6（e）可見，當對MRF-DC 施加外部磁場，內部MRF 固化（圖中呈深灰色）、MRF-DC 嚙合時，殼體與驅動軸同向旋轉，此時BR 斷開，通過嚙合的MRF-CL 傳遞的系統輸出方向為同向。相反，當BR 嚙合時，殼體被固定在底座上，此時MRF-DC內MRF 呈液態，錐齒輪可以正常工作，輸入端方向經由齒輪組逆轉，系統輸出方向與輸入端相反，如圖6（d）所示。當MRF-CL 斷開時，無論MRF-DC和BR 的工作狀態如何，輸出端均處于自由狀態；但是MRF-DC 的工作狀態會對系統局部運動狀態產生影響，當MRF-DC 工作時，輸入軸通過“ 錐齒輪傳動”使輸出軸在MRF-CL 前端發生旋轉，同時由于殼體未被BR 固定可以發生“殼體旋轉”，導致這2 種動力的方向相互抵消。因此，即使MRF-CL 處于嚙合狀態，輸出軸也處于自由狀態，但當MRFDC和BR 都處于嚙合狀態時，輸入軸的動力完全被BR 阻斷，此時整體系統也處于停止狀態。

2 試驗結果

2. 1 工作模式確認

以電機為動力源，具有執行器、角度和扭矩傳感器的測試平臺被開發用于驗證系統的可行性，如圖5所示。通過初步測試，整體系統符合設計需求，在不同的電流組合下可以根據表3 改變工作狀態。

2. 2 扭矩測試

在0 A、0.3 A、0.6 A、0.9 A、1.2 A、2.1 A 和3.0 A 的勵磁電流下對整個系統進行測試，實際扭矩輸出由最大扭矩減去初始位置扭矩計算得出。圖7 為各電流下的實際扭矩。由圖7 可以看出：實際扭矩在3.0 A 勵磁電流時達到最大，整體輸出扭矩隨勵磁電流增大而增大，符合預期設計；但從0.9 A 勵磁電流開始，扭矩的增長幅度變小。

2. 3 響應速度測試

為測試整個系統的響應速度，試驗電流設定為2.0 A，輸入電機轉速為2 r/min，系統設定為單向旋轉，記錄從輸出改變方向信號到達到系統在外加磁場作用下輸出最大扭矩的時間，結果見表4。由表4 可以看出，平均響應時間為0.3 s。ZHANG 等［4］開發的葉片型MRF 傳動裝置的平均響應時間為1.23 s，與之相比，本文所開發的傳動系統將響應時間從1.23 s 縮短至0.3 s，提高了75.6%。由此可證實所設計的系統具有高響應速度。

3 結語

在本研究中，通過設計MRF-DC 和MRF-CL，開發了一種傳動系統原型。通過改變MRF 的狀態，整個系統可提供具有代表性的4 種工作模式，包括反向、正向和2 種自由模式，同時具有高響應速度。試驗結果表明，該系統滿足設計的工作模式，可以充分發揮作用。該傳動系統可應用于汽車方向控制及動力傳輸，但系統理論值和測量值之間存在偏差，未來需要進一步優化磁路，盡量縮小各部分體積，以減少能量損耗。