摘 要

目前国内外汽车离合器大部分都采用气动风扇离合器，电磁风扇离合器和硅油风扇离合器等风扇离合器控制，但其冷却性能，调速灵敏性等各有不足，因此研究一种新型的结构简单，冷却性能好且调速准确的离合器就很有必要。

近年来，磁流变液作为一种新型智能材料，被好多人投入研究，其特殊的磁流变效应被许多智能元件所青睐，其良好的流动性能也大受欢迎。本文设计了一种新型的磁流变液离合器，运用磁流变液产生的磁流变效应设计实现离合器传动转矩的可调。本论文从以下几个方面进行了研究：

首先介绍了国内外学者对磁流变液以及磁流变效应的研究现状，从磁流变液的构成以及性能对磁流变液做了分析，为后文模型的建立提供依据。

然后对磁流变液离合器的工作原理做了详细分析介绍，结合磁流变液的性能完成数学模型的建立，在此基础上进行结构的分析计算，完成设计。

本论文通过对磁流变离合器的机理模型和机械特性分析，为磁流变离合器在工程中的实际运用提供了理论参考依据。

关键词：磁流变液；离合器；结构设计

Abstract

At present, most of the automobile clutches at home and abroad are controlled by pneumatic fan clutch, electromagnetic fan clutch and silicone oil fan clutch, but their cooling performance and speed regulation sensitivity have their own shortcomings. Therefore, it is necessary to study a new type of clutch with simple structure, good cooling performance and accurate speed regulation.

In recent years, as a new type of intelligent material, magnetorheological fluid has been studied by many people. Its special magnetorheological effect is favored by many intelligent components, and its good fluidity is also popular. In this paper, a new type of magnetorheological fluid clutch is designed, which uses the magnetorheological effect produced by magnetorheological fluid to design and realize the adjustable transmission torque of the clutch. This paper studies the following aspects:

Firstly, the research status of magnetorheological fluids and magnetorheological effects by scholars at home and abroad is introduced. From the composition and performance of magnetorheological fluids, the magnetorheological fluids are analyzed, which provides the basis for the later model building.

Then, the working principle of MRF clutch is analyzed and introduced in detail. The mathematical model is established based on the performance of MRF. On this basis, the structure of MRF clutch is analyzed and calculated, and the design is completed.

In this paper, the mechanism model and mechanical characteristics of MR clutch are analyzed, which provides a theoretical basis for the practical application of MR clutch in engineering.

Key words: magnetorheological fluid; clutch; structure design

目 录

第1章 绪论 1

1.1 国内外研究现状 1

1.2课题研究目的与意义 2

1.3课题研究的主要内容 2

第2章 磁流变液 3

2.1 磁流变液的组成 3

2.2 磁流变效应 3

2.3 磁流变液的主要性能参数及影响因素 4

2.3.1 沉降稳定性 4

2.3.2 响应时间 4

2.3.3剪切屈服应力 5

2.4本章小结 6

第3章 圆筒式磁流变离合器 7

3.1圆筒式磁流变离合器的工作原理 7

3.2圆筒式磁流变离合器的计算模型 8

3.3磁流变离合器最大有效转矩 10

3.4圆筒式磁流变离合器的关键尺寸计算 10

3.4.1主动轴直径的计算 12

3.4.2内外筒半径的计算 12

3.4.3从动轴的计算 13

3.5本章小结 13

第4章 磁流变离合器结构设计 14

4.1 设计中的转矩分析 14

4.2 离合器的机械结构 14

4.2.1 旋转模块 14

4.2.2 支撑模块 14

4.2.3 润滑和密封模块 15

4.3离合器的电磁回路设计 15

4.3.1电磁线圈 15

4.3.2 控制电路 15

4.4本章小结 16

第5章 环境影响及经济性分析 17

5.1环境影响 17

5.2 经济性分析 17

第6章 总结与展望 18

6.1总结 18

6.2 展望 18

参考文献： 19

致谢 20

第1章 绪论

1.1 国内外研究现状

磁流变液是一种主要由非导磁性液体和均匀分散于其中的高磁导率、低磁滞性的铁磁性微粒组成的新型智能材料。其基本特征为在外部磁场作用下能在瞬时从自由流动的牛顿流体转变为半固体，呈现出可控性极优的屈服应力，且这种转变具有可控、可逆且连续的特点。磁流变液的主要优势是^[1]：(1)在外部磁场作用下进行液-固转化耗时极短且可精确控制其剪切屈服应力；(2)磁流变液的阻尼调幅和工作温度范围都比较宽；(3)磁流变液在转化 过程中的损耗和能耗都极小。因此，磁流变液是一种比较优秀的动力传递介质。

目前，国内外对磁流变液器件的研究应用主要集中在半主动控制阻尼器、MRF 传动设备、土木工程中的振动控制以及汽车传动等领域。国外学者Takehito Kikuchi 等^[2]开发出一种结构紧凑的磁流变液传动装置，并对其进行了机械特性方面的试验。Paweł KIELAN等^[3]根据磁流变液工作区域上的磁场强度和扭矩提出了一种磁流变液传动装置的电子控制系统。国外在磁流变液的研究上保持领先的知名机构主要有美国Lord 公司、Exxon公司、马里兰大学、Ford 公司以及TRW 研究所等，其主要的磁流变液产品有减震器、流体控制阀以及阻尼器等。福特、通用等公司已将磁流变液减震器应用到了旗下的汽车悬架控制上，极大地提高了汽车驾驶的舒适性。德国BASF公司已研制出了性能极为稳定的纳米级磁流变液。

在国内，许多高校和科研机构已经开始进入这一领域，并且目前已经在磁流变液制备 和工程应用方面取得了一些优异成果。国内学者郑军等^[4]研制了一种具有优异散热能力的磁流变传动装置。重庆大学在汽车用磁流变液阻尼器方面获得了很好的成绩，香港中文大学在人造关 节用磁流变液制动器方面研究成果十分显著，哈尔滨工业大学在结构振动控制方面研究比 较深入。此外，国内进行磁流变液相关研究的机构还有上海交通大学、南京理工大学、中科大、武汉理工大学等。国内的武汉盘古减振抗震缓冲技术有限公司和宁波杉工智能安全 科技股份有限公司等企业在磁流变液产品研发方面也具备较强优势。尽管国内的磁流变液研究已呈现百花齐放的态势，但在磁流变液的机理研究及开发应用方面与国外相比仍有一定差距。

1.2课题研究目的与意义

可利用外部磁场来控制其屈服应力的大小是磁流变液最优良的特点，故本课题运用磁流变液的性能特点设计的离合器与传统的风扇离合器相比有很多优势：

传动稳定、衡平、结构简单、易操作、低能耗等。目前国内外汽车离合器大部分都采用风扇离合器控制，根据其做功形式分为气动，电磁和硅油风扇离合器等三种。电磁风扇离合器则以控制电磁力使离合器离合，断电则离；而气动风扇离合器通过压缩气体做功使离合器接合，利用弹簧力使离合器分离，以上两种离合器的风扇转速都不可调，要么运行，要么停止；硅油风扇离合器结构复杂，调速灵敏性不高。本课题旨在设计结构合理的磁流变离合器应用于实际。

1.3课题研究的主要内容

本文的研究内容主要分为以下部分：

（1）磁流变液的研究

通过查阅相关的文献资料，了解了磁流变液的组成及其性能，也介绍了磁流变效应理论。

（2）磁流变离合器的总体设计

对磁流变液离合器的工作原理做了详细分析介绍，结合磁流变液的性能完成数学模型的建立，在此基础上进行结构的分析计算，完成设计。

第2章 磁流变液

磁流变效应是磁流变液器件发展的理论基石。从1948年工程师 Rabinow^【5】发现磁流变液的磁流变效应以来，大量国内外优秀学者都投入了极大的精力来研究和探索磁流变液的工作机理和应用，已取得了卓越的成就，但根据磁流变液的微结构形态研究磁流变液的屈服应力依然没有得到统一的认识。

磁流变液是一种主要由非导磁性液体和均匀分散于其中的高磁导率、低磁滞性的铁磁性微粒组成的新型智能材料。零磁场作用下，磁流变液的流动性和牛顿流体类似，流动性能好，表观粘度小；而随着磁场强度的加强，其表观粘度系数增加，变成类似固体的状态，失去流动性，这时若突然撤去磁场，又将在毫米级内瞬时恢复成可流动的液体，转变过程是可逆的。

2.1 磁流变液的组成

磁流变液一般由铁磁性易磁化颗粒、非导磁的基载液和少量添加剂组成，各构成部分的物理和化学性质在很大程度上影响着磁流变液的性能。

铁磁性易磁化固体微粒是磁流变液的重要组成部分，直接影响磁流变液的磁特性。磁性微粒一般使用直径在 0.01～10𝜇𝑚之间的羰基铁粉微粒，这种磁粉微粒的磁导率和磁饱和强度都很大。在受到外部磁场作用下，磁流变液内部的磁性微粒会因发生极化而相互吸 引成排列规则的链条状结构，表现出类固态。

非导磁的基载液一般为石蜡油合成油以及甲基硅油等，可将铁磁性易磁化固体微粒均匀分散在磁流变液中，对提高磁流变液的性能有着极为重要的作用。基载液应该具有黏度低、耐腐蚀、化学稳定性好、温度稳定性好、氧化稳定性好、密度高、无污染等特点。

添加剂主要分为分散剂和防沉降剂，因铁磁性易磁化固体微粒与基载液之间存在密度差，故磁流变液中存在微粒下沉和结块等问题，因此，需加入添加剂提高磁流变液的性能稳定性，进而增强磁流变液的磁流变效应。

2.2 磁流变效应

磁流变效应是指磁流变液在外部磁场作用下能在瞬时从自由流动的牛顿 流体转变为半固体，呈现出可控性极优的屈服应力，且这种转变具有可控、可逆且连续的特点。目前有多种物理理论可以对磁流变液的磁流变现象做出解释，其中最广为人知的是 相变理论和场致偶极矩理论^【8】。这两种理论均假设磁性微粒为规则形状(球形)，球形微粒 会在外部磁场作用下完全磁化而相互靠近，从而形成排列规则的链状结构，大大增强其屈 服剪切应力，外显为类固体状。但实际情况并非如此，磁流变液中的微粒是非常不规则的，粒子之间还存在着相互嵌套的情况。因此，这两种理论与实际情况并不是十分相符。

2.3 磁流变液的主要性能参数及影响因素

磁流变液在发生磁流变效应时表现出的剪切屈服应力是磁流变液主要的性能评价指标之一，性能良好的磁流变液器件需要优质的磁流变液，因此，必须对磁流变液的主要性 能参数及影响因素进行分析^【9】。目前，市场上常见的磁流变液为 Lord 公司制备的 MRF132DG^【10】和 MRF-140CG^【11】型磁流变液，其基本参数如图2.1 所示，根据表中所列出的密度取值范围，前后两种磁流变液的密度取其均值分别为𝜌𝑐 =3.05 𝑔/𝑐𝑚3、𝜌𝑑=3.64 𝑔/𝑐𝑚3。

图2.1 MRF-132DG和MRF-140CG型磁流变液参数

2.3.1 沉降稳定性

因磁流变液中基载液的密度一般比铁磁性微粒的密度小，故微粒易沉到基载液底部相 互粘结而成密度很大的“硬块”。这些很难分散开的“硬块”会严重影响磁流变液的性 能。因此通常会向基载液中加入稳定剂和其他添加剂来提升磁流变液的稳定性^【12】，加强磁流变液的性能。通过大量的实验分析可知影响磁流变液稳定性的要素为：微粒大小、基载液温度、基载液的黏度以及密度等。

2.3.2 响应时间

在磁流变液器件的实际运用过程中，一般对磁流变液产品的响应时间有极高的需求。 磁流变液产品的响应时间与磁流变液的响应时间、产品的几何参数相关，磁流变液的响应 时间通常为 1～2𝑚𝑠。性能优异的磁流变液能极大的缩短磁流变液产品的整体响应时间^【13】。通过查阅大量的文献资料进行分析可得出影响磁流变液响应时间的重要因素为：微粒体积占比、基载液黏度以及磁感应强度。微粒体积占比越大，磁感应强度越大，响应越迅速；基载液黏度越大，微粒运动阻力越大，响应越缓慢。

2.3.3剪切屈服应力

在外部磁场作用下，分散在磁流变液中的铁磁性微粒沿磁感线方向成柱状排列，微粒链在受力时会被拉长甚至断裂，这种因微粒链发生断裂而产生的应力称为剪切屈服应力。剪切屈服应力是比较磁流变液优劣的最主要的参量，也是磁流变液在进行应用推广时的瓶颈所在。目前，国内外已有的磁流变液剪切屈服强度依旧不能满足强度要求极高的器件要求，例如Lord公司的MRF-132DG 型磁流变液最大剪切屈服强度仅为 50KPa，探究决定剪切屈服应力的要素是提高剪切屈服应力的必然途径。

为了精确表述磁流变液的磁流变现象，Shulman 等运用了理论研究和试验验证相互配合的方式，从观察磁流变液的微观结构开始，发现了磁流变液里的磁性微粒会在外部磁场作用下顺着磁场方向形成柱状排布的聚集体。对磁流变液的剪切屈服应力有直接影响的要素主要有：

(1)铁磁性微粒直径的影响

通过大量的实验研究发现，在微粒直径大小为 0.5～1𝜇𝑚时，磁流变液的屈服应力与微粒直径为正比例关系，超出这一范围后，微粒直径大小不会再影响磁流变液的剪切屈服应力。

(2)铁磁性微粒体积占比𝜙的影响

前人已通过大量的实验研究证明，磁流变液的剪切屈服应力与铁磁性微粒的体积占比近似成正比关系。Kordonski通过大量的实验研究之后得出：当磁感应强度较小且微粒的体积占比在 10%～40%范围内时，磁流变液的屈服应力与其体积占比的相关度不大； 在体积占比≥40%时，磁流变液的剪切屈服应力随体积占比的增大而近似成线性增大。当磁场强度较强时，磁流变液的剪切屈服应力随体积占比的增大而线性增大。

(3)微粒磁化饱和强度𝑀𝑆

Ginde经实验研究发现，磁流变液的极限剪切屈服应力与微粒磁化饱和强度𝑀𝑆的平方成正比。因此，选择微粒时应选择具有较大磁化饱和强度的材料。

(4)磁场强度

前人已通过大量的实验数据证明：磁流变液在外部磁场作用下尚未达到磁饱和前，磁场强度越大，剪切屈服应力也随之增大。

2.4本章小结

本章首先阐述了磁流变液的基本构成成分和磁流变效应，为了尽量提高所设计的磁流变液离合器的性能指标，又分析了影响磁流变液性能的性能指标及其影响因素。

第3章 圆筒式磁流变离合器

磁流变液传动(MRT)是20世纪90年代开始蓬勃发展起来的一种新型动力传递技术，其以磁流变液的磁流变效应为传动理论，通过调节施加在作为传力媒介的磁流变液上的磁 场强度来改变磁流变液的屈服应力，进而调节磁流变传动器件的传递扭矩或转速^【14】。

3.1圆筒式磁流变离合器的工作原理

磁流变液离合器是以磁流变液作为传力媒介，通过控制系统控制外部磁场的磁感应强度大小，从而控制磁流变液在外部磁场作用下发生“固化”反应后因受剪切而产生的剪切屈服应力大小，最终可以调节离合器所传递的扭矩，其工作原理如下图3.1所示。

1-主动轴 2-密封圈 3-曲轴 4-磁通

5-电磁线圈 6-套筒 7-磁流变液 8-从动轴

图3.1 圆筒式磁流变离合器原理

离合器由主动件和从动件两部分构成：图3.1中主动轴与曲轴相联构成主动件，电磁线圈嵌在曲轴上；从动轴与套筒相联构成从动件；磁流变液填充在曲轴与套筒形成的同心环形的间隙中，通过磁流变液的特性实现变化磁场，且主动轴以一定速度旋转。

接通直流电源与电磁线圈时，电磁线圈发生电流的磁效应，在线圈周围产生垂直于磁流变液填充面的磁场，这时磁流变液中磁性颗粒在磁场作用下发生磁流变效应，并在两筒间形成沿外部磁场磁力线方向分布的链状结构，磁流变液呈类固体状态。离合器刚开始工作时，主动轴速度远大于从动轴，两筒间形成的链状结构被剪切 ，从而产生的屈服应力带动从动轴与主动轴同步转动，则离合器的主动件与从动件通过磁流变液被联接在一起，此时离合器接通；