基于虛擬儀器的圓盤式電流變傳動機構的動態分析

基于虛擬儀器的圓盤式電流變傳動機構的動態分析

摘要：電流變流體（ERF）是一種新型智能物質，在高壓電場作用下，能快速實現液一固的轉變，且響應速度快。研究了圓盤式電流變傳動機構的動態特性，并采用NI虛擬儀器對機構進行分析、檢測和控制，通過實驗得出數據，進而分析了輸入轉矩、輸出轉矩、轉速與所加高壓電場的關系。

    關鍵詞：電流變流體 動態特性 NI虛擬儀器

電流變流體（ERF）是一種新型的智能材料，它的粘性和屈服應力可用外加電場加以控制。隨著現代科學技術的發展，機電一體化（Mechatronics）(范文先生網www.ycxgx.cn收集整理)越來越受到重視，把機、電、液融合為一體，用微機進行控制的流體元件及系統不斷問世。將電流變流體技術應用于機械系統和液壓控制系統，可實現無移動件或少移動件的機構，極大地改善了系統的動態品質[1]。

電流變流體的應用領域很廣泛，在工程應用方面包括液壓工程、汽車制造工業、機器人系統、流體密封領域等。其在汽車制造工業中，可用于汽車發動機冷卻風扇的調速離合器、傳動離合器、阻尼可控的減振器或計算機控制是懸掛系統等。采用ER技術設計制造的汽車零部件，具有性能優良、無磨損、壽命長、制造工藝性好、成本低的特點，而且可直接用計算機控制，無需接口。采用ER技術的汽車在未來市場競爭中具有明顯的優勢。電流變傳動的自動控制系統由三部分組成，即機械傳動機構、計算機檢測與控制裝置和電流變流體。

1 機構工作原理

圖1所示為圓盤式電流變傳動機構工作原理圖。中間盤和芯軸連在一起，芯軸左端有步地電機，芯軸右端接負載，左右端各套一個圓盤，左右圓盤和中間盤間充滿ERF。本實驗中ERF選用哈爾濱工業大學復合材料研究所研制的HITL2型ERF，外加電場由電子開關控制。輸入信號由芯軸左端進電機提供。由于輸入信號很小，而芯軸右端接有負載，所以芯軸轉動不起來。這時由導步電機帶動左右圓盤以大小相等、方向相反的轉速ΩL、ΩR旋轉，將需要加高壓電源的一側的電子開關合上（如要增加力矩，則合上左側的電子開關），此時圓盤和中間盤間的ERF會產生中流變效應，通過圓盤將產生的附加力矩傳遞給中間盤輸出。

圖2 實驗原理圖

可以看出，中間盤的軸的左端輸入微小的機械控制信號，右端可以輸出大的力矩，電場使左盤或右盤與中間盤之間的ERF粘度變稠，產生大的剪切應力，從而使中間盤克服負載力矩，按輸入信號轉動。這就是雙圓盤式電流變傳動機構的工作原理。

2 系統理論模型

ERF在無外加電場作用時表現為牛頓流體。在有外加電場作用下表現為接近Bingham流體，在低應變率下，具有粘彈性能[2]。在高電場下，是具有高屈服應力的粘塑性體。

其本構方程為：

τ=τy+ηplγ   （1）

其中，τ為流體流動產生的剪切應力，τy是在電場作用下，電流變流體逐漸固化或稠化所產生的屈服應力，γ是剪切速率。

    屈服應力與外加電場的關系為：

τy=AE2=A(U/h)2    (2)

電流變效應產生的剪切應力使從動盤獲得力矩Me。這個電流變力矩Me與τy、ηpl、左盤和右盤的轉速差ΔΩ、圓盤間的間距h、圓盤有效面積的內外圓半徑r1和r2的關系如下式所示[3]：

由式（2）知，剪切力矩和外加電壓間呈非線性關系。

這里假設它們的關系為冪次關系，如下式所示：

其中，α0、α1、α2由實驗獲得，U=1kV。這是為了使系數量綱一致，且都為力矩量綱。

3 傳動機構測控系統的構建

實驗裝置如圖2所示，控制、分析和檢測采用NI虛擬儀器系統由計算機自動進行。在實驗中，采用多功能數據采集板PCI-MIO-16E-1、SCXI信號調理系統、溫度及電壓測量儀和動態信號分析儀NI-4552等對數據進行采集和分析，采用任意波形發生器PCI-5411、接線端子UMI和電機控制板Flexmotion-6C等對步進電機進行控制，整個系統由軟件平臺LabVIEW編寫的程序進行管理。由步進電機輸入不同的運動信號，由異步電機產生剪切場。圖3是采用LabVIEW編寫的NI虛擬儀器控制程序。通過實驗得到的結果分析圓盤式電流變傳動裝置的動態性能。

在進行電流變傳動性能的實驗研究中，利用步進電機實現變信號輸入，通過控制異步電機的轉速來調節剪切速率，在高壓電流輸出高壓的同時，采集電流變傳動裝置的輸入、輸出轉矩和轉速的信號。裝置的輸出端利用木頭輪和簧片磨擦來模擬負載。

4 實驗結果

在交流電場作用下，對于本實驗所采用的ERF，其產生的電流變效應比在直流電場作用下要強，屈服應力也相應要大。隨著外部施加電壓的增大，電流變傳動裝置的輸出轉矩也有一定的增大，如圖4、5所示。

當環境溫度為18.9℃、外加電壓為交流3kV、主動盤的轉速為60r/m時，步進電機的輸出按圖6所示的任意波形變化，得到的電流變傳動的輸入轉矩和輸出轉矩如圖7所示。裝置的輸入轉矩隨步進電機的輸出轉速信號的變化而變化，而輸入轉矩信號與負載相關，隨負載的變化而產生波動。

    主動盤的旋轉是給電流變流體產生一個旋轉剪切場。當環境溫度為18.6℃、外加3kV的直漢電壓、并撤去步進電機的輸入時，調節異步電機的轉速，從而挖掘電流變傳動裝置的主動盤的轉速，得到圖8所示的結果。

從圖8可以看出，隨著電流變傳動裝置的主動圓盤轉速的增大，其輸出轉矩也隨之增大。在主動盤轉速較低時，其變化對輸出轉矩的影響較小；而當主動盤轉速較高時，其變化對輸出轉矩的影響就比較明顯。

根據（4）式及實驗所得數據，轉矩Me擬合的曲線如圖9所示，其中α0為0.0611，α1為-0.02732，α2為0.00577。

    通過以上分析，可得出如下結論：

（1）對本實驗所設計的圓盤式電流變傳動裝置，選用一種電流變流體后，其傳動特性只與外加電場有關。

（2）HITL2型電流變流體在交流電場作用下，其電流變效應比在直流電場作用下要強。并且，隨著外加電場的增大，電流變效應所產生的屈服應力也隨之增大。

    （3）電

流變傳動裝置的輸出轉矩的曲線是波動的。因為負載是變化的，輸出轉矩要與負載相匹配，因此輸出轉矩也應隨著負載的變化而變化，即呈波形狀態。

（4）電流變傳動裝置的輸入轉矩是跟退步進電機的轉速信號，但有一定的滯后，因為在機構中使用了彈性聯軸器。

    （5）對電流變的控制，采用雙主動圓盤的機械結構，使剪切速變對傳動力矩的影響可以忽略不計。只要控制電場就能控制電流變傳動裝置。

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