车用磁流变离合器磁路设计研究

韩晓明，薄玉成，张鹏军，王 慧

（中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051）

1 引言

离合器是汽车传动系统中直接与发动机相连接的部件，其主要作用是传递和切断发动机传给传动系的动力，以保证汽车的平稳起步、换挡平顺和防止传动系统过载，还可以有效地降低传动系中的振动和噪声[1]。

目前，车用离合器有依靠接触面间的摩擦作用传递转矩的摩擦离合器、利用液体作为传递介质的液力耦合器、利用磁力传递转矩的电磁离合器。传统的离合器在实际使用过程中出现的波形片、离合器盖、盘毅、夹持盘的开裂等问题严重地影响了离合器的正常工作，利用磁流变液在外加磁场作用下其自身流变状态的改变实现动力和运动的传递成为机械传动领域的重要研究趋势[2-3]。

当前，磁流变液技术的研究开发主要集中在阻尼控制、减振应用方面，磁流变液传动装置作为一种新型的传动方式，目前对它的研究、工程应用还极不成熟，急需对磁流变液的相关传动机理、无级变速理论、传动器件的结构设计和控制理论做更加系统深入的分析探讨，以此来推动磁流变传动技术的继续发展。

2 磁流变液离合器的结构

磁流变液离合器的结构通常有圆盘式、圆筒式、圆柱式，主要依靠磁流变液的屈服剪切应力来传递运动和动力。现设计的车用磁流变液离合器采用圆筒式结构，如图1 所示。当嵌装有电磁线圈的输入轴转动角速度为时，在线圈未通电时没有磁场的作用，磁流变液处于牛顿流体状态，由于流体黏性传递的粘性力矩很小，离合器处于分离状态。当线圈通电时，磁流变液在外加磁场作用下磁性粒子磁化，并沿着磁力线方向成链状分布，使得磁流变液的剪切应力增大呈塑性特性，使离合器产生一个转矩分量，磁流变液的剪切应力足够大时，输出轴可以和输入轴同步旋转，完成传动比为1的传动。磁流变液离合器的工作状态可以通过调节磁感应强度来控制其传递的转矩。

3 磁流变液离合器的传递转矩模型

3.1 汽车离合器传动系统模型

如图2 所示，参考汽车传动系统建立的汽车离合器传动系统数学模型为[4]：

式中：I1—主动轴上的等效转动惯量；I2—从动部轴上的等效转动惯量；C1、C2—主动轴和从动轴上的等效阻尼系数（N·m/rad·s-1），T1、ω1—主动轴转矩和角速度；T2、ω2—从动轴转矩和角速度；TR—汽车起动时折算到离合器从动部件上的起动阻力矩。

图1 圆筒式磁流变液离合器工作原理图Fig.1 Working Diagram of Cylindrical MR Clutch

图2 汽车传动系统简化模型Fig.2 Simplified Model of Vehicle Driving System

3.2 磁流变液离合器的传递转矩计算

磁流变液离合器的工作机理是基于剪切模式，为分析圆筒型磁流变液离合器传递力矩，如图2 所示。现假设：（1）磁流变液是不可压缩的；（2）磁流变液流动只是半径的函数，在轴线和径向间没有流动；（3）忽略离心力对部件的影响，认为磁场强度在工作间隙的分布是均匀。

图3 圆筒型磁流变液离合器转矩模型Fig.3 Torque Model of Cylindrical MR Clutch

磁流变液在零磁场下为牛顿流体，受外加磁场作用时呈Bingham 流体，其关系方程为[5-6]

式中：τ—磁流变液的剪切应力；τy—随磁场强度变化而改变的磁致屈服应力；η—零磁场下的磁流变液粘度；γ—剪切应变率。

设磁流变液离合器主动筒内半径和从动筒外半径分别为r1和r2，对应的角速度分别为ω1和ω2，则传动装置传递的转矩为：

式中：l—磁流变液的有效作用轴向长度，设在r 处的磁流变液的角速度为ω，则此处的剪切应变率为：

联立式（2～4），得：

对式（5）积分[7-9]：

式（6）的前一项与磁流变液的屈服强度有关，是可控的库仑阻尼特性，第二项反映的是普通流体的黏度阻尼特性。当无外加磁场时，磁致屈服应力τy为0，离合器切断汽车传动系统的动力传递，当改变励磁电压时，离合器传递相应的汽车动力扭矩。联立式（1）和式（6），即可设计相应的车用磁流变液离合器结构。

4 磁路的设计分析

4.1 磁路设计

磁路设计是车用磁流变液离合器结构设计的核心，根据汽车传动系统的特点，设计的磁路结构，如图3 所示。图中I、II、III、IV、V 分别代表了主动轴、内筒、内筒侧翼、工作间隙以及外筒。

图4 磁流变液离合器的磁路结构Fig.4 Magnetic Circuit Structure of MR Clutch

磁路的计算步骤为：（1）根据需要的输出转矩值，参照所采用的磁流变液的本构关系求出所需要的磁场强度B0。（2）由磁通量公式：φ=s∫Bds 计算通过阻尼间隙的磁通量大小。式中：S—的工作间隙垂直于磁感应强度方向的横截面积。（3）采用等效磁路法计算磁路；假设μ1、μ2、μ3、μmr—主动轴、内筒、外筒、磁流变液的磁导率；μ0—真空磁导率。由磁阻计算公式（7）以及磁导计算公式（8）可得到磁路各部分的磁阻[5]：

主动轴的磁阻为：

内筒的磁阻：

侧翼III的磁阻：

磁路中工作间隙的磁阻为：

磁路中外筒的磁阻为：

则磁路结构总的磁阻为：

4.2 磁路的有限元分析

由于离合器的磁路结构是一个典型的轴对称结构，因此取其1/2 进行有限元建模分析，如图5 所示。励磁线圈以电流源形式加载。设置的边界条件为：忽略离合器壳体周围空气中的磁漏、外界无磁通通过，施加的磁通与磁路表面平行以避免磁路内部漏磁。仿真分析的不同励磁电流时磁路的磁力线分布、磁场强度和磁感应强度，如图6～图8 所示。

图5 磁路的材料属性有限元模型及网格划分Fig.5 Material Attribute FEM and Lattice Division of Magnetic Circuit

不同励磁电流时磁路的磁力线分布图，如图6 所示。当励磁电流从0.3A 变化到1A 时，磁路中的磁力线分布逐渐增强，在工作间隙处磁力线较为集中。

图6 不同励磁电流时磁力线分布图Fig.6 Profile of Magnetic Force Line at Different Excitation Currents

不同励磁电流时磁路的磁场强度、磁感应强度分布图，如图7、图8 所示。

图7 不同励磁电流时的磁场强度Fig.7 Magnetic Field Strength at Different Excitation Currents

图8 不同励磁电流时的磁感应强度分布图Fig.8 Profile of Magnetic Induction Strength at Different Excitation Currents

由图中的磁场、磁感应强度分布可以看出，随着电流密度的增加，磁场强度及磁感应强度都是逐渐增大的，当磁流变液离合器的磁路工作间隙处的磁场强度趋于饱和时，离合器传递最大转矩，通过改变磁场来改变工作间隙部位的剪切屈服强度，可以对离合器传递的转矩进行有效控制。

5 结论

利用磁流变液在外加磁场作用下其流变特性能发生显著变化的特性，设计的磁流变传动装置可以快速响应动力的传递，由磁流变液连接的离合器主、从动轴，不存在传统离合器的冲击磨损现象，同时磁流变传动装置还具有无级变速和过载保护等功能，是一种较为理想的传动器件。

［1］陈家瑞.汽车构造［M］.北京：机械工业出版社，2005.（Chen Jia－rui.Automobile construction［M］.Beijing：Mechanical Industry Press，2005）

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