温控SMA弹簧驱动的永磁变磁通圆盘MRF离合器资料文档格式.docx

1、 2016年7 月 12 日目录摘要/31 绪论/31.1 设计的背景及意义/31.2 磁流变液国内外研究现状/41.3 形状记忆合金国内外研究现状/51.4 设计的主要内容/62 SMA及MRF材料特性/72.1 磁流变液（MRF）的材料特性/72.2 形状记忆合金（SMA）的材料特性/83 温控SMA弹簧驱动的永磁变磁通圆盘MRF离合器工作原理及结构设计/83.1 温控SMA弹簧驱动的永磁变磁通圆盘MRF离合器工作原理/83.2 温控SMA弹簧驱动的永磁变磁通圆盘MRF离合器结构设计/94 温控SMA弹簧驱动的永磁变磁通圆盘MRF离合器设计计算/114.1 传递转矩的计算/114.2 轴的

2、设计计算/134.2.1 输出轴的最小直径计算/134.2.2 输入轴的最小直径计算/144.3 SMA弹簧设计计算/144.4 轴承的校核计算/184.5键的校核计算/184.5.1 主动轴上键的校核/184.5.2 从动轴上键的校核/184.6 润滑与密封/194.6.1润滑/194.6.2 密封/195 结论与展望/205.1 全文总结/205.2 进一步的工作展望/20致谢/21参考文献/22摘要形状记忆合金和磁流变液作为新型智能材料，其力学性能可由外部激励源（如热场或磁场等）进行连续控制。因其独特的力学性能及其广阔的应用前景，引起了国内外学者对形状记忆合金和磁流变液材料及其应用器件研

3、究的高度重视。形状记忆合金是合金类中的一种，具有一些优良的特性，最引人注意的是形状记忆合金材料具有应力消除后回复到原来形状的能力（超弹性效应，SE）或采用加热的方式使其恢复到初始形状（形状记忆效应，SME）。磁流变液（Magnetorheological fluids）是可磁极化的固体微颗粒在基液中形成的悬浮液，其流变特性可由外加磁场连续控制。当不加磁场时，磁流变液表现出类似牛顿流体的行为；当外加磁场时，磁流变液中的磁性颗粒沿磁场方向排成链状，这些链状结构阻止了液体的流动，因而改变了磁流变液的流变特性，其流动表现出Bingham塑性体行为，具有粘性和塑性特性。改变外加磁场强度，可控制其屈服应力

4、。基于磁流变液的这些力学特性，它们能用于外加磁场控制的器件，这些磁流变器件的工作模式分为三类：直接剪切模式（如离合器和制动器）、压力 驱动模式（如减振器和阀）和挤压模式（如隔振器）。本文基于形状记忆合金的形状记忆效应和磁流变液的流变特性，结合机械设计方法，设计了温控SMA弹簧驱动的永磁变磁通圆盘MRF离合器，进行相关传动机理、传动器件结构、设计理论的研究。论文主要研究工作如下：1、了解磁流变液和形状记忆合金的研究现状及应用前景2、介绍了形状记忆合金材料的性能特性（形状记忆效应）以及磁流变液材料的性能特性（流动性特性）。3、介绍了本文设计的温控SMA弹簧驱动的永磁变磁通圆盘MRF离合器工作原理。

5、4、对温控SMA弹簧驱动的永磁变磁通圆盘MRF离合器进行结构设计及主要零部件材料的选定。5、对温控SMA弹簧驱动的永磁变磁通圆盘MRF离合器的专递转矩的设计计算、主动轴及从动轴的设计计算、形状记忆合金驱动弹簧的设计计算、轴承的校核计算、键的校核计算、密封于润滑的选择。本文创新之处在于，采用了环状永磁铁，避免了电的使用，达到节约能源的目的，并通过感温形状记忆合金驱动弹簧改变永磁铁位置来改变工作区域磁场强度的大小来使得主动轴带动从动轴转动，利用环境的温度来调节离合器专递的转矩和从动轴的转速。关键词：磁流变液（MRF），形状记忆合金（SMA），离合器，永磁铁，机械设计方法1 绪论1.1 设计的背景及

6、意义 随着现代高新技术的发展，智能材料和器件己经成为当代高新技术和材料学科领域中一个重要研究方向，而且智能材料及器件的研究呈开放性和辐射性趋势，涉及到许多学科，如机械工程、工程力学、物理学、材料学、化学、航空航、医学和计算机等学科领域。形状记忆合金和磁流变液作为新型智能材料，其力学性能可由外部激励源（如热场或磁场等）进行控制。形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称 SMA）在一定条件下进行一定程度的变形之后，通过适当地改变外界条件如温度又可恢复成初始形状。磁流变液（Magnetorheological fluids，简称 MRF）在外加磁场作用下表现出明显的屈服应力，且其屈服

7、应力可由外加磁场强度连续控制。基于形状记忆合金和磁流变技术的结构可能应用于下一代以产品功率密度、精度和动态性能等为主要功能特性的产品设计中。利用形状记忆合金在形状恢复时，其恢复力可对外作功的特性，能制成各种驱动元件。这类驱动元件具有结构简单、灵敏度高、可靠性好等特点。磁流变液应用于传动元件的特点是：它可实现主从动件间的柔性传动；可实现高灵敏度、高精度、平稳地无极调速；易实现调速过程的遥控和自动控制，等等。机械设备的三大基本要素是原动机、传动装置和工作机（或执行机）。其中，传动装置主要用于原动机和工作机之间、机械内部的主动轴和从动轴之间实现运动和动力的传递和脱离，把原动机的运动和动力经过适当变换

8、，以满足工作机的作业要求。目前主要采用离合器作为机械传动系统中的传动装置。牙嵌式离合器靠齿牙啮合传递转矩，接合时容易碰齿，冲击大，噪声大，分离时转速不能过高，不能滑差运行，不能应用于调速、调力等场合；摩擦片式离合器靠摩擦片之间的摩擦力来传递转矩，摩擦片的磨损较大，不能长时间滑差运行，同时由于自身结构的缺陷造成响应时间不够快，传递转矩不够精确，一般适用于慢速重载场合；磁粉离合器工作时连接平稳，无冲击，能实现转矩和转速的连续可调，但工作前需要预先旋转一周以使磁粉均匀分布，往复的小角度旋转工作性能不好，在高剪切率下传动磁链由于磁粉离心力等作用，传递转矩不平稳，使得其在高速场合的使用受到限制，同时磁粉

9、易老化粘结，造成磁粉离合器卡死等现象。从以上看到，现有较成熟的传动技术中都存在着或多或少的缺陷，目前为止还不能找到一种人们心目中理想的传动装置。因此有必要大力采用新材料、新工艺、新技术来开发新型的传动装置，进而带动新型传动技术的发展。 磁流变技术的出现，由于其独特的机-电耦合性能，使得它在传动工程领域的启动、制动、转矩调节、无级变速、过载保护、安全防护等方面具有得天独厚的优势，可以预见，在传动工程领域进行磁流变技术的研究和相关器件的开发将会掀起一场新的变革。磁流变传动装置采用智能材料磁流变液自身流变状态的改变实现动力和运动传递。磁流变液可以在毫秒量级的时间内发生自身状态的相变，使得磁流变传动装

10、置响应速度很快；另外由于磁流变传动装置通过磁流变液连接主、从动转子，故不存在冲击现象，避免了噪音的产生；由于主、从动转子并不直接接触，磨损较小；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。本文旨在现有形状记忆合金和磁流变液的材料制备、性能机理和工程应用等 相关研究的基础上，将形状记忆合金和磁流变液引入到传动工程领域，孕育一种由形状记忆合金驱动的磁流变液新型传动技术。在研究热效应下形状记忆合金弹簧驱动的永磁变磁通磁流变液离合器工作原理的基础上，提出离合器的传动方案、控制方法和结构。利用磁流变液的屈服应力随外加磁场变化而变化的特性，将其作为传递介质实现传动装置传递转

11、矩的连续输出并建立相应的设计方法；利用形状记忆合金皆具感温与驱动的特性，将其应用于散热器温度的感应和对工作区磁场强度的调节，实现离合器的智能化，并将相关理论和技术推广到其它机械领域。这一研究既有重要的理论意义和学术价值，又有重要的社会和经济效益前景。1.2 磁流变液国内外研究现状磁流变液作为一种新颖的智能材料，其流变特性随外加磁场的变化而急剧变化，在不加磁场时，它表现为牛顿流体；在外加磁场作用下，它的结构和性能表现出神奇的特征，即可在瞬间（千分之一秒左右）由液态变成固态，其粘度陡然增大几个数量级以至失去流动性，表现出 Bingham 塑性体的行为，具有一定的抗剪屈服应力，且随外加磁场强度的增加

12、，材料的屈服应力增加，它的性能可由外加磁场连续调控。磁流变液的这种力学特性使其能在汽车、建筑、机械、航空、医疗 等领域具有广泛的应用前景。磁流变器件是利用磁流变液的流变特性随外加磁场的变化而急剧变化的特长和机械设计方法相结合而开发的新器件，如离合器、制动器、阀、减振器和隔振 器等，这些器件的传力特性可由外加磁场连续控制。美国学者 Rabinow在 1948 年发明了磁流变液及磁流变离合器, 并在 1951 年 申请了磁流变液传递转矩器件的专利。从50年代到80年代，磁流变液发展一直非常缓慢。进入 90 年代，磁流变液的研究重新焕发了生机；特别是，自 1995 年 起，两年一届的国际电流变液会议

13、也易名为国际电流变液与磁流变液会议，促进了磁流变液和磁流变器件的研究和开发。美国 Lord 材料公司的研究人员在磁流变液及应用研究方面取得了突出成果，如 Carson 等人对磁流变器件进行了研究, 并申请了磁流变阻尼器及减振器、制动器等的多项专利; Jolly 等人对磁流变液材料的流变行为及磁流变液减振器的挤压模型进行了研究，并且 Lord材料公司已有商品化磁流变液材料上市。美国Ford汽车公司Ginder和Phule等人对磁流变液的原理及应用进行了研究。美国通用汽车公司 Ulicny等人研究了磁流变液的制备方法; 美国 David等人研究了对用于重型卡车的磁流变阻尼器的性能；美国 Notre

14、 Dame 大学的 Spencer和 Dyke等人对建筑结构用磁流变阻尼器进行了研究；美国 Exxon 工程研究公司的 Rosensweig等人研究了磁流变液的静态屈服应力特性；美国 Rochester 大学的 Jacobs、 Arrasmith、Lambropoulos和 Yang等人研究了 磁流变液在光学元件抛光中的应用；英国 Dundee 大学 Wahed等人研究了在外力作用下磁流变液的性能。德国 BASF 公司 Kormann等人研制出稳定的纳米级 磁流变液；Laun等人研究了磁流变液的剪切流动；Janocha等人介绍了磁流变 制动器和阻尼器。法国 Nice 大学 Cutillas和

15、Bossis等人对磁流变液的物理机 制进行了分析。白俄罗斯 Kordonsky对磁流变液的流变效应和微观结构进行了系统的研究；另外，俄罗斯、乌克兰、西班牙、墨西哥、瑞典、波兰、 土尔其、罗马尼亚、日本、韩国、新加坡、印度、新西兰等国的研究人员也对磁流变液材料、特性、机理及其应用进行了研究。中国香港 Jin 等人研究了在外加磁场作用下链弯曲的演化过程，Ni等人磁流变液减振器用于斜拉索神经网络控制；中国台湾 Chen等人磁流变液的磁流变行为。近年来，国内对磁流变液的研究也取得了一些成果，重庆大学的常建、彭向和、司鹄等人研究了磁流变液流变特性的测试方法，李海涛等人研究了磁流变液的屈服应力，廖昌荣等人对微型汽车用磁流变阻尼器的设计原理、方法及实验进行了研究，黄金等人研究了磁流变液在制动器和离合器中的应用， 建立了磁流变制动器的设计方法；中国科技大学周刚毅、金昀和张先舟等 人研究了磁场作用下磁流变液结构演化及剪切屈服应力、磁流变液相变技术柔性 夹具；复旦大学潘胜等人研究了磁流变液的屈服应力与温度效应；南京航空航天大学翁建生等人从唯象角度研究了磁流变液的流变力学特性；上海交通大学何亚东、西安交大倪建华等人研究了磁流变阻尼器在车辆悬架控制中的应用；佛山大学旺晓建研究了支承在磁流