基于虚拟仪器的圆盘式电流变传动机构的动态分析

    关键词：电流变流体 动态特性 NI虚拟仪器

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）(凹丫丫范文网fanwen.oyaya.net收集整理)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是悬挂系统等。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，芯轴左端有步地电机，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会产生中流变效应，通过圆盘将产生的附加力矩传递给中间盘输出。

图2 实验原理图

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+ηplγ   （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，γ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]：