锥形挤-剪式磁流变离合器基础理论及关键技术研究

A magnetorheological (MR) clutch on cone squeeze-shear mode by cone squeeze-strengthen effect is presented, and the improving theory and method of the transmission ability will be investigated theoretically and experimentally. For the advantages such as, high torque, small volume, compact structure, good control effect and so on, the MR clutch is suitable for the transmission control of joint/separation in the fields of the aviation/spaceflight and vehicles. At first, the dynamics/kinematics models of the MR clutch will be established according to the coupling relationship among the mechanical, electrical and liquid system. On this basis, computer simulation will be utilized to obtain the coupling performance of multi-fields, the influence regularity of squeeze effect on transmission ability of MR clutch and the optimal matching relationship of system elements. Secondly, the strengthening mechanism of cone squeeze-strengthen effect will be studied. The influence of the magnetic circuit configuration/drive power/element-parameters of electrical magnetic unit on the mechanical unit will be analyzed. Based on this, the key factors restricting the transmission ability and response time of the MR clutch will be picked out. At the same time, the essential principle for the transmission ability of MR clutch on cone squeeze-strengthen effect will be found out. According to the above research results, three kinds of structure MR clutch will be fabricated. A series of experiments on the test prototypes will be carried out so as to obtain the optimal mechanical structures and control method. Finally, 2 cone squeeze-shear mode MR clutch as well as the key parameters/technology for the design/fabrication will be completed and provided.

提出通过锥形挤压强化技术提高磁流变离合器传动能力，研究磁流变液在锥形结构挤压-剪切混合模式下的强化机理及这种磁流变离合器传动能力的提升机理与方法，进而构造转矩高、体积小、结构紧凑、控制效果好的锥形挤-剪式磁流变离合器，用于航空航天、行走机械等接合/分离的传动控制。主要内容：统筹考虑机电液系统的耦合关系，建立锥形挤-剪式磁流变离合器的动力学模型，通过模拟仿真获得机电液系统要素以及挤压条件对锥形挤-剪式磁流变离合器传动性能的影响规律以及最优的系统参数匹配关系；研究基于锥形挤压强化技术的磁流变液强化机理，分析电磁单元磁路配置方案/驱动电源/器件参数等对机械单元响应特性的影响规律，提取制约磁流变离合器传动能力及响应时间的关键要素，揭示基于锥形挤压强化技术的磁流变离合器传动能力的提升机理；进行三种结构多种样机的制作与综合试验，获得最优的机械结构及控制方法；试制样机至少2台，提供设计方法、关键制造技术

磁流变液具有良好的磁控特性，在航空航天/机械加工/精密工程等领域均有广泛应用。但因磁流变液剪切屈服能力较低，目前按磁流变液剪切模式设计的离合器无法用于传递较大转矩及使用空间受限的场合。针对上述问题，通过基于挤压强化技术提高磁流变离合器传递转矩的新方法，研究了磁流变液在挤压-剪切混合模式下的强化机理及这种磁流变离合器传动能力的提升机理与方法，所形成的挤-剪式磁流变离合器具有转矩高、体积小、结构紧凑、控制效果好等特点，可用于航空航天/智能结构/行走机械等等非结构环境的离合器分离/接合控制。主要内容包括：进行了磁流变液学理论与试验研究，验证了利用挤-剪模式增强磁流变液抗剪强度的可行性；进行了挤-剪式磁流变离合器的建模仿真及有限元验证，获得了初始间隙/电流对磁场强度/转矩/响应时间的影响规律，给出了合理结构参数的确定方法；研制了2套挤-剪式磁流变离合器原型并进行了试验，研究获得了挤压力/磁场强度/转速/初始间隙等对传递转矩/响应时间的影响规律以及最优结构/材料参数。结合研究计划及拓展工作，本项目研究成果已公开发表学术论文2篇，其中SCI检索期刊1篇，EI检索期刊1篇，申报发明专利8项（1项授权）、新型专利11项（均授权），培养硕士研究生1名，在本项目研究基础上获得一项浙江省科技厅项目(No. 2014C31090)和一项浙江省自然基金项目 (No. LY15E050009)。本项目的研究成果可望建立较完善的新型挤-剪式磁流变离合器传动控制方法，为相关高性能机电产品的设计和控制提供参考和指导。