磁流变限滑差速器摩擦片组的性能分析

2016-08-20陈作炳柳刚程海斌汤帅

汽车工程师 2016年4期

陈作炳柳刚程海斌汤帅

（武汉理工大学）

现有的限滑差速器还存在很多不足之处，如锁紧系数低、磨损严重、噪声大及价格昂贵等。近来出现一种新型差速器——磁流变限滑差速器[1]，该差速器以其快速的流变效应、固液柔性接触、转矩分配可控性及可调的高锁紧系数等优点，弥补了传统差速器的不足。而对该差速器的研究很少，有国外学者对该差速器进行结构设计以及电磁分析[2]，而在磁流变限滑差速器的传递转矩方面研究甚少。文章采用粘性传动原理[3]分析磁流变限滑差速器的摩擦片性能，利用Workbench重点分析其传递转矩与磁感应强度、转速差及摩擦片数量关系。

1 基本原理

图1示出磁流变限滑差速器的结构原理图，主要由差速器结构和带磁流变液的摩擦片组组成。其中C由P上的主摩擦片、A上的从摩擦片及中间磁流变液组成。

磁流变限滑差速器主要原理：通过摩擦片组内主从摩擦片及磁流变液之间的粘性剪切力来传递动力，通过改变励磁线圈电流大小来改变外加磁场大小，由磁流变效应改变磁流变液的粘度，实现不同剪切转矩的传递。

动力通过发动机、离合器、变速箱、万向联轴器及主减速器传递给差速器，最后经差速器分配给2个半轴及半轴齿轮（A，B）。通过转矩分配关系、转速传递关系及能量守恒原理有式（1）方程组：

对式（1）方程组整理可以得到式（2）转矩分配关系：

式中：ω0——壳体转速，r/min；

T0——壳体转矩，N·m；

ωA，ωB——齿轮A，B的转速，r/min；

TA，TB——齿轮A，B的转矩，N·m；

P——摩擦片组剪切摩擦消耗功率，W。

式中：TY——摩擦片组内的差速转矩，N·m。

当P与A有转速差时，就会产生差速转矩，可通过控制系统来测试该转速差，调节外加磁场的大小改变TY，从而改变锁紧系数（k=TB/TA）的大小，实现汽车转矩的合理分配。

一般情况下k越大越好，所以需要尽量提高TY，影响TY大小的主要因素有摩擦片组的结构、磁流变液的性能（流变效应）、转速差及散热性能等。文章主要研究摩擦片组结构及磁流变液相关参数对TY的影响。

2 摩擦片组结构及磁流变液参数

摩擦片组作为磁流变限滑差速器的关键部件，其结构尺寸与磁流变液性能是影响差速转矩的重点，包括内外半径、厚度、间隙、个数、油槽形状及磁流变液的型号。磁流变液剪切模型方程，如式（4）所示。

式中：τtotal——磁流变液的总剪切应力，Pa；

τY——外加磁场引起的屈服应力，Pa；

γ——剪切速率，s-1；

η——与磁场无关的粘度，Pa·s。

根据一对圆盘的粘性传动模型[4]可以得到其传动力矩公式[5]，如式（5）所示。

式中：R1，R2——内外圆半径，mm；

δ——摩擦片间隙，mm。

由式（5）可得，δ越小越好。考虑制造及安装误差，防止出现安装问题或间隙不均匀，一般δ控制在0.2～1.0 mm；η越大越好，主要与介质、温度及剪切率有关，一般范围在0.1～10 Pa·s；R2和R1与差速器的壳体以及半轴大小有关；τY只与磁流变液型号及外加磁场大小有关，宜尽量选取较小电流得到较大的屈服应力。

对于摩擦片表面的油槽形状采用的是径向油槽[6]，这种油槽其过油性强，散热性好，结构简单。图2和图3分别示出摩擦片组及径向油槽结构示意图。

对于摩擦片组的结构，建立仿真模型，结构参数，如表1所示；对于磁流变液的型号，通过比较选取了MRF-G40型号的磁流变液[7]性能参数，如表2所示。