基于磁流变原理的旋转制动器的研究.pdf

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1、万方数据第4期(总第4l期)2010年7月流体传动与控纠nuidPowerTransrmssionandContmlNo．4(SerialNo．41)July2010基于磁流变原理的旋转制动器的研究柏宗春李小宁陈新(南京理工大学SMC气动技术中心江苏南京210094)摘要：根据磁流变液的流变特性，设计了磁流变液制动器，给出了制动器的结构及工作原理，采用磁场有限元分析的方法，对制动器工作间隙的磁场分布及强度进行分析，建立了制动器的制动力矩模型，给出了制动力矩的仿真及实验测试结果并对制动性能进行了分析。关键词：旋转

2、制动器；磁流变液制动器；磁流变效应；制动性能中图分类号：THl37．3文献标识码：A文章编号：1672—8904(2010)04-0028—003引言磁流变液(MRF)是一种新型智能材料，它在无外加磁场时，流变籽I生与普通牛顿流体类似，但在外加强磁场作用下可产生磁流变效应，即表脱粘度可在ms级内增加几个数量级，呈现类似固体的力学性质，且屈服应力与粘度能够随磁场发生可逆变化。利用磁流变效应可以制造出结构简单、响应速度快、调控方便的各种动力传递装置【11。本文根据磁流变液流变特性，设计了磁流变液旋转制动器，给出了制

3、动器的结构及T作原理，采用磁场有限元分析的方法【2】，对制动器工作间隙的磁场分布及强度进行分析，推导了制动器的制动力矩公式，给I叶J仿真及实验测试结果并对制动性能进行了分析。1结构及工作原理所设计的磁流变液制动器结构如图1所示，主要由壳体、转盘、电磁线圈、磁流变液、主轴、密封圈、轴承等构成。转盘通过平键来限制它的周向转动，通过轴肩和挡圈限制它的轴向移动，使其固定在主轴上，为了方便电磁线圈以及转盘的安装，采用左、右两壳体构成整个壳体的结构形式，磁流变液充满于壳体与转盘中间。从图l可见，磁流变制动器由壳体与转盘两部

4、分组成：壳体与转盘作为两个极板，其间充满了磁流变液体，当线圈不通电时，磁流变液保持其流动性，不影响主轴的同转运动，壳体与转盘相分离，此时磁流变制动器所能传递的力矩仅为粘性阻力矩；当线圈通电后，在空间产生磁场，磁流变液体发生磁流变收稿日期：2010-04—21作者简介：柏宗春(1981年一)。男，博十研究生，主要研究方向为基于磁流变技术气动伺服的研究。图1磁流变制动器结构示意图l一液体注入孔；2一左壳体；3-电磁线圈；4一右壳体；5一主轴；6一转盘；7一密封圈；8-深沟球轴承效应，磁流变液体中的磁性同体粒子被磁化

5、，并沿着磁力线方向呈链状分布。这种链状结构使得磁流变液的剪切应力增大，表现出塑性体的特征，主轴带动转盘转动剪切磁流变液中的链状结构，从而加大转动的阻力，起到了制动的作用，此时磁流变制动器所传递的力矩主要来源于由磁流变效应所引起的力矩分量，其大小远远超过粘性阻力矩，且可以通过调节磁感应强度的大小来对其进行控制。2磁场分析磁流变液流变特性表明，磁流变液产生的屈服应力与作用在磁流变液上的磁场强度有直接关系，因此对工作间隙的磁场设计与分析是磁流变液制动器设计的重要部分。针对所设计的磁路结构，应用ANSYSl0．0软件在

6、输入控制电流为2A的情况进行有限元仿真分析。在对磁流变制动器磁路性能验证的有限元仿真分析过程中，类似标量磁位分析，将模型简化为2D静态电磁场分析。采用二维轴对称模型(2D，万方数据2010年7月柏宗春等：基于磁流变原理的旋转制动器的研究AxsymmetricModel)；由于模型为规则的长方形，故选取二次四边形等参单元(PLANE53)，该单元求解精度高、边界适应性强。磁流变制动器磁路模型分别由上下壳体、激励线圈、转轴、制动器转盘、隔磁环、以及丁作气隙组成。根据给定结构尺寸建立模型，励磁线圈以电流源的形式加载，

7、不考虑漏磁，加通量平行条件。ANSYS软件对电磁场分析求解出节点的矢量磁势值，经后处理得到磁力线分布和磁通密度分布。气缸磁流变制动器电磁装置有限元仿真分析得到的磁路结构磁力线分布如图2所示。切工作间隙中的磁链，由剪切应力引起制动力矩为系统提供阻尼力矩。图4磁流变制动器结构原理示意图根据文献[3，4】，当磁流变液中的磁性固体粒子未达到完伞饱和时，磁流变液的屈服应力可以写成磁感应强度的幂函数形式：,r=otB“(1)本研究使用的是重庆仪表材料研究所配置的型图2磁力线分布图号为MRF-J的磁流变液，根据厂家提供的磁流

8、变液磁通密度分布如图3所示，在2A的输入控制剪切应力与磁感应强度关系图，可以拟合磁流变液电流作用下，丁作气隙中的磁感应强度为0．35T，与的磁感应强度与剪切应力之间的关系为理论设计值相符合。r=0．02481‘785(2)3数学建模与仿真磁流变制动器的絮警磐由两部分组成㈨』d一1rI-11p，图4为磁流变制动器结构原理示意图，磁流变制动器的丁作内径为r，，最大工作外径为r2，有效工式中