基于虚拟仪器圆盘式电流变传动机构动态分析

电流变流体（ＥＲＦ）是一种新型的智能材料，它的粘性和屈服应力可用外加电场加以控制。随着现代科学技术的发展，机电一体化（Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ）越来越受到重视，把机、电、液融合为一体，用微机进行控制的流体元件及系统不断问世。将电流变流体技术应用于机械系统和液压控制系统，可实现无移动件或少移动件的机构，极大地改善了系统的动态品质[１]。

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。 当环境温度为１８．９℃、外加电压为交流３ｋＶ、主动盘的转速为６０ｒ／ｍ时，步进电机的输出按图６所示的任意波形变化，得到的电流变传动装置的输入转矩和输出转矩如图７所示。装置的输入转矩随步进电机的输出转速信号的变化而变化，而输出转矩信号与负载相关，随负载的变化而产生波动。

主动盘的旋转是给电流变流体产生一个旋转剪切场。当环境温度为１８．６℃、外加３ｋＶ的直流电压、并撤去步进电机的输入时，调节异步电机的转速，从而控制电流变传动装置的主动盘的转速，得到图８所示的结果。

从图８可以看出，随着电流变传动装置的主动圆盘转速的增大，其输出转矩也随之增大。在主动盘转速较低时，其变化对输出转矩的影响较小；而当主动盘转速较高时，其变化对输出转矩的影响就比较明显。

根据（４）式及实验所得数据，转矩Ｍｅ拟合的曲线如图９所示，其中α０为０．０６１１，α１为－０．０２７３２，α２为０．００５７７。

通过以上分析，可得出如下结论：

（１）对本实验所设计的圆盘式电流变传动装置，选用一种电流变流体后，其传动特性只与外加电场有关。

（２）ＨＩＴＬ２型电流变流体在交流电场作用下，其电流变效应比在直流电场作用下要强。并且，随着外加电场的增大，电流变效应所产生的屈服应力也随之增大。

（３）电流变传动装置的输出转矩的曲线是波动的。因为负载是变化的，输出转矩要与负载相匹配，因此输出转矩也应随着负载的变化而变化，即呈波形状态。

（４）电流变传动装置的输入转矩是跟随步进电机的转速信号，但有一定的滞后，因为在机构中使用了弹性联轴器。

（５）对电流变的控制，采用双主动圆盘的机械结构，使剪切速率对传动力矩的影响可以忽略不计。只要控制电场就能控制电流变传动装置。