基于虚拟仪器圆盘式电流变传动机构动态分析
发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:501
电流变流体的应用领域很广泛，在工程应用方面包括液压工程、汽车制造工业、机器人系统、流体密封领域等。其在汽车制造工业中，可用于汽车发动机冷却风扇的调速离合器、传动离合器、阻尼可控的减振器或计算机控制的悬挂系统等。采用ｅｒ技术设计制造的汽车零部件，具有性能优良、无磨损、寿命长、制造工艺性好、成本低的特点，而且可直接用计算机控制，无需接口。采用ｅｒ技术的汽车在未来市场竞争中具有明显的优势。电流变传动的自动控制系统由三部分组成，即机械传动机构、计算机检测与控制装置和电流变流体。
１ 机构工作原理
图１所示为圆盘式电流变传动机构工作原理图。中间盘和芯轴连在一起，芯轴左端有步进电机芯轴右端接负载，左右端各套一个圆盘，左右圆盘和中间盘间充满ｅｒｆ。本实验中的ｅｒｆ选用哈尔滨工业大学复合材料研究所研制的ｈｉｔｌ２型ｅｒｆ，外加电场由电子开关控制。输入信号由芯轴左端步进电机提供。由于输入信号很小，而芯轴右端接有负载，所以芯轴转动不起来。这时由导步电机带动左右圆盘以大小相等、方向相反的转速ωｌ、ωｒ旋转，将需要加高压电源的一侧的电子开关合上（如要增加力矩，则合上左侧的电子开关），此时圆盘和中间盘间的ｅｒｆ会产生电流变效应，通过圆盘将产生的附加力矩传递给中间盘输出。
可以看出，中间盘的轴的左端输入微小的机械控制信号，右端可以输出大的力矩，电场使左盘或右盘与中间盘之间的ｅｒｆ粘度变稠，产生大的剪切应力，从而使中间盘克服负载力矩，按输入信号转动。这就是双圆盘式电流变传动机构的工作原理。
２ 系统理论模型
ｅｒｆ在无外加电场作用时表现为牛顿流体。在有外加电场作用下表现为接近ｂｉｎｇｈａｍ流体，在低应变率下，具有粘弹性能[２]。在高电场下，是具有高屈服应力的粘塑性体。
其本构方程为：
τ＝τｙ＋ηｐｌ（１）
其中，τ为流体流动产生的剪切应力，τｙ是在电场作用下，电流变流体逐渐固化或稠化所产生的屈服应力，ηｐｌ是流体的塑性粘度，是剪切速率。
屈服应力与外加电场的关系为：
τｙ＝ａｅ２＝ａ(u/h)2 （２）
电流变效应产生的剪切应力使从动盘获得力矩ｍｅ。这个电流变力矩ｍｅ与τｙ、ηｐｌ、左盘和右盘的转速差δω、圆盘间的间距ｈ、圆盘有效面积的内外圆半径ｒ１和ｒ２的关系如下式所示[３]
ｔ＝τ·２πｒ２ｄｒ＝２πｒdr=２πｒ/３－ｒ２３＋ｒ１４－[r41-r42]（３）
由式（２）知，剪切力矩和外加电压间呈非线性关系。这里假设它们的关系为幂次关系，如下式所示：
ｍｅ＝α０＋α１u/u*+α2(u/u*)２（４）
其中α０、α１、α２由实验获得，ｕ＝１ｋｖ。这是为了使系数量纲一致，且都为力矩量纲。
３ 传动机构测控系统的构建
实验装置如图２所示，控制、分析和检测采用ｎｉ虚拟仪器系统由计算机自动进行。在实验中，采用多功能数据采集板ｐｃｉ－ｍｉｏ－１６ｅ－１、ｓｃｘｉ信号调理系统、温度及电压测量仪和动态信号分析仪ｎｉ－４５５２等对数据进行采集和分析，采用任意波形发生器ｐｃｉ－５４１１、接线端子ｕｍｉ和电机控制板ｆｌｅｘｍｏｔｉｏｎ－６ｃ等对步进电机进行控制，整个系统由软件平台ｌａｂｖｉｅｗ编写的程序进行管理。由步进电机输入不同的运动信号，由异步电机产生剪切场。图３是采用ｌａｂｖｉｅｗ编写的ｎｉ虚拟仪器控制程序。通过实验得到的结果分析圆盘式电流变传动装置的动态性能。
在进行电流变传动性能的实验研究中，利用步进电机实现变信号输入，通过控制异步电机的转速来调节剪切速率，在高压电源输出高压的同时，采集电流变传动装置的输入、输出转矩和转速的信号。装置的输出端利用木头轮和簧片磨擦来模拟负载。
４ 实验结果
在交流电场作用下，对于本实验所采用的ｅｒｆ，其产生的电流变效应比在直流电场作用下要强，屈服应力也相应要大。随着外部施加电压的增大，电流变传动装置的输出转矩也有一定的增大，如图４、５所示。 当环
电流变流体的应用领域很广泛，在工程应用方面包括液压工程、汽车制造工业、机器人系统、流体密封领域等。其在汽车制造工业中，可用于汽车发动机冷却风扇的调速离合器、传动离合器、阻尼可控的减振器或计算机控制的悬挂系统等。采用ｅｒ技术设计制造的汽车零部件，具有性能优良、无磨损、寿命长、制造工艺性好、成本低的特点，而且可直接用计算机控制，无需接口。采用ｅｒ技术的汽车在未来市场竞争中具有明显的优势。电流变传动的自动控制系统由三部分组成，即机械传动机构、计算机检测与控制装置和电流变流体。
１ 机构工作原理
图１所示为圆盘式电流变传动机构工作原理图。中间盘和芯轴连在一起，芯轴左端有步进电机芯轴右端接负载，左右端各套一个圆盘，左右圆盘和中间盘间充满ｅｒｆ。本实验中的ｅｒｆ选用哈尔滨工业大学复合材料研究所研制的ｈｉｔｌ２型ｅｒｆ，外加电场由电子开关控制。输入信号由芯轴左端步进电机提供。由于输入信号很小，而芯轴右端接有负载，所以芯轴转动不起来。这时由导步电机带动左右圆盘以大小相等、方向相反的转速ωｌ、ωｒ旋转，将需要加高压电源的一侧的电子开关合上（如要增加力矩，则合上左侧的电子开关），此时圆盘和中间盘间的ｅｒｆ会产生电流变效应，通过圆盘将产生的附加力矩传递给中间盘输出。
可以看出，中间盘的轴的左端输入微小的机械控制信号，右端可以输出大的力矩，电场使左盘或右盘与中间盘之间的ｅｒｆ粘度变稠，产生大的剪切应力，从而使中间盘克服负载力矩，按输入信号转动。这就是双圆盘式电流变传动机构的工作原理。
２ 系统理论模型
ｅｒｆ在无外加电场作用时表现为牛顿流体。在有外加电场作用下表现为接近ｂｉｎｇｈａｍ流体，在低应变率下，具有粘弹性能[２]。在高电场下，是具有高屈服应力的粘塑性体。
其本构方程为：
τ＝τｙ＋ηｐｌ（１）
其中，τ为流体流动产生的剪切应力，τｙ是在电场作用下，电流变流体逐渐固化或稠化所产生的屈服应力，ηｐｌ是流体的塑性粘度，是剪切速率。
屈服应力与外加电场的关系为：
τｙ＝ａｅ２＝ａ(u/h)2 （２）
电流变效应产生的剪切应力使从动盘获得力矩ｍｅ。这个电流变力矩ｍｅ与τｙ、ηｐｌ、左盘和右盘的转速差δω、圆盘间的间距ｈ、圆盘有效面积的内外圆半径ｒ１和ｒ２的关系如下式所示[３]
ｔ＝τ·２πｒ２ｄｒ＝２πｒdr=２πｒ/３－ｒ２３＋ｒ１４－[r41-r42]（３）
由式（２）知，剪切力矩和外加电压间呈非线性关系。这里假设它们的关系为幂次关系，如下式所示：
ｍｅ＝α０＋α１u/u*+α2(u/u*)２（４）
其中α０、α１、α２由实验获得，ｕ＝１ｋｖ。这是为了使系数量纲一致，且都为力矩量纲。
３ 传动机构测控系统的构建
实验装置如图２所示，控制、分析和检测采用ｎｉ虚拟仪器系统由计算机自动进行。在实验中，采用多功能数据采集板ｐｃｉ－ｍｉｏ－１６ｅ－１、ｓｃｘｉ信号调理系统、温度及电压测量仪和动态信号分析仪ｎｉ－４５５２等对数据进行采集和分析，采用任意波形发生器ｐｃｉ－５４１１、接线端子ｕｍｉ和电机控制板ｆｌｅｘｍｏｔｉｏｎ－６ｃ等对步进电机进行控制，整个系统由软件平台ｌａｂｖｉｅｗ编写的程序进行管理。由步进电机输入不同的运动信号，由异步电机产生剪切场。图３是采用ｌａｂｖｉｅｗ编写的ｎｉ虚拟仪器控制程序。通过实验得到的结果分析圆盘式电流变传动装置的动态性能。
在进行电流变传动性能的实验研究中，利用步进电机实现变信号输入，通过控制异步电机的转速来调节剪切速率，在高压电源输出高压的同时，采集电流变传动装置的输入、输出转矩和转速的信号。装置的输出端利用木头轮和簧片磨擦来模拟负载。
４ 实验结果
在交流电场作用下，对于本实验所采用的ｅｒｆ，其产生的电流变效应比在直流电场作用下要强，屈服应力也相应要大。随着外部施加电压的增大，电流变传动装置的输出转矩也有一定的增大，如图４、５所示。 当环
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