【文章內(nèi)容簡介】 左盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這時(shí)產(chǎn)生電流變效應(yīng)，右盤由于力矩被左盤，繼而負(fù)載也被帶動(dòng)，此機(jī)構(gòu)可作為一個(gè)力矩放大器。 傳統(tǒng)的液壓力矩放大器的零件的加工較復(fù)雜，又因采用了液壓伺服閥，其響應(yīng)速度較慢，對(duì)其智能控制和無級(jí)調(diào)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)。我們可以把這個(gè)機(jī)構(gòu)用在汽車轉(zhuǎn)向裝置，實(shí)際過程中汽車轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)所受的扭矩不能確定，而人的操縱力不受控制，難以滿足要求，故系統(tǒng)需要輔助力矩，力矩大小由外加電壓的大小根據(jù)具體情況來控制。如圖2 . 2 , 在B 盤的轉(zhuǎn)軸上套有A,且兩盤平行，A，B內(nèi)外徑及兩盤間距如圖。盤A，B分別為主從動(dòng)盤。加一電場(chǎng)在充滿ERF的兩盤之間，力矩T由ERF的電致屈服應(yīng)力和粘性剪切應(yīng)力產(chǎn)生的 ，可以帶動(dòng)右端接負(fù)載端的B 盤旋轉(zhuǎn)。設(shè)和分別為主、從盤的角速度。電流變液粘度為u，是主從動(dòng)盤的角速度差，設(shè)主從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速是沿著軸線性分布的，又因，ERF在沒有外電場(chǎng)的時(shí)候?yàn)榕ｎD流體，在加上外加電場(chǎng)之后為Bingham 流體，其本構(gòu)方程為：兩圓盤所傳遞的力矩是：。由上可知，由于電流變效應(yīng)的有效面積增加，當(dāng)內(nèi)徑的減小、外徑rl 的增大，力矩T 增大。動(dòng)態(tài)性能好，功率損耗小是電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，而對(duì)發(fā)揮ERF 響應(yīng)速度機(jī)械結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，對(duì)于決定機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一個(gè)重要參數(shù)。圓盤的外徑rl是其設(shè)計(jì)的重點(diǎn) 。J=是從動(dòng)盤得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 式中b 是盤厚度，p 是材料密度。所以要想描寫電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)品質(zhì)，我們可以用從動(dòng)盤的單位轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所傳遞扭矩T/J 。設(shè)單位轉(zhuǎn)動(dòng)慣量傳遞的扭矩為Ftj,則可得:Ftj=t/J=。由上式可見，單位轉(zhuǎn)動(dòng)慣量傳遞的轉(zhuǎn)矩Ftj與內(nèi)外徑rrl 的關(guān)系為隨內(nèi)徑外徑rl 的增大，函數(shù)Ftj減少。我們采用的數(shù)學(xué)模型目標(biāo)規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)模型來討論。要使傳遞力矩的目標(biāo)函數(shù)T 、單位轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所傳遞的力矩的目標(biāo)函數(shù)Ftj在設(shè)計(jì)變量rrl 的可行域中，盡可能接近它們的目標(biāo)值 、由于力矩、單位轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所傳遞的力矩的變化和量綱范圍不同。為了便于加權(quán)。定義: 這里F為目標(biāo)值， 和是目標(biāo)在r的約束范圍內(nèi)最小和最大值。下標(biāo)2 分別代表力矩、單位轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所傳遞的力矩。在這我們用： （i=1,2）。式中為子目標(biāo)值系數(shù)。我們?yōu)榱说玫蕉S的規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)F 的優(yōu)化模型引入了權(quán)：設(shè)計(jì)變量為r=[r1 r2]從圖可看出，當(dāng)最優(yōu)點(diǎn)根據(jù)的值而變化的時(shí)候，需要力矩放大系數(shù)較大，這樣rl、r2較大。需要力矩放大系數(shù)和動(dòng)態(tài)性能兼顧，這樣rl、r2較小，而ER機(jī)構(gòu)用途決定如何取值。因ERF在沒有加電場(chǎng)時(shí)為牛頓流體，在加外加電場(chǎng)為Bingham流體，故所得力矩，第一項(xiàng)Tr代表電致屈服應(yīng)力所引起的力矩，第二項(xiàng)Tu代表粘性剪切應(yīng)力所引起的力矩。由W=: Wr=由于粘性阻力引起的損失功率: W所以：又因?yàn)閞1r2，故上式可化為: 故：而今大多數(shù)商用的ERF的屈服應(yīng)力為skPa，由此因?yàn)閭鲃?dòng)機(jī)構(gòu)所能傳遞的剪切應(yīng)力過小影響了ERF的廣泛應(yīng)用。而提高傳遞力矩的途徑有以下兩種:一是找出一種屈服應(yīng)力大的材料。二是充分的利用現(xiàn)有材料的各種性質(zhì)。第二種需要研究ERF一些特殊運(yùn)動(dòng)規(guī)律。同時(shí)還有ERF傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新與相應(yīng)電液控制規(guī)律的研究。由于電流變液是非牛頓流體，目前應(yīng)用領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵問題是如何提高電流變液傳遞力矩。現(xiàn)今國內(nèi)外電流變研究者大多都是采用平滑的圓盤式、圓筒式、平板式電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用它們的旋轉(zhuǎn)或平移產(chǎn)生剪切力場(chǎng)來傳遞力或力矩，這種機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是傳遞的功率較小，只適用于小功率場(chǎng)合。而近來由許多實(shí)驗(yàn)研究，我們可以看出，擠壓流動(dòng)下的屈服應(yīng)力可比剪切流動(dòng)下的大若干倍，且電場(chǎng)和體積密度會(huì)隨著應(yīng)變的增加而變大。波紋式傳動(dòng)副如圖所示，設(shè)想兩平面盤，一端(或兩端)為波紋式，兩盤間充滿電流變液。當(dāng)一端轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，給電流變液加上高壓電場(chǎng)，則電流變液會(huì)發(fā)生電流變效應(yīng)，由此帶動(dòng)另一端轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。因?yàn)橐欢吮P面上刻有波紋，在波紋盤在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，電流變液會(huì)受到一個(gè)軸向擠壓力，最終導(dǎo)致機(jī)構(gòu)所傳遞的力或力矩的大大增加。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的本構(gòu)方程擠壓流是流體力學(xué)中一種基本流動(dòng)。若使用Bingham模型，會(huì)導(dǎo)致兩圓盤間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)的非物理結(jié)果，就是所說的屈服面佯謬。佯謬的出現(xiàn)可以知道使用模型過于理想化，己不能正確描述問題的物理本質(zhì)。由此采用廣義的雙粘度模型來研究。上式中電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)是動(dòng)態(tài)應(yīng)力，表示為: 。在柱坐標(biāo)系中，狹縫中擠壓流的動(dòng)量方程在r方向上的投影近似為：設(shè)k1,k0分別為電流變傳動(dòng)器的輸入端和輸出端的彈性連接器的彈性系數(shù)，J和J0分別為電流變傳動(dòng)器和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，b和b0分別為粘性阻尼系數(shù),電流變傳動(dòng)器的轉(zhuǎn)角，以及輸入和輸出的轉(zhuǎn)角分別是、和.于是可以得到動(dòng)力學(xué)方程: 表明外加電場(chǎng)不斷變化的情況下，輸出力矩受之影響曲線。其中實(shí)線代表交流高壓，點(diǎn)劃線代表直流高壓。由圖可看出，傳動(dòng)裝置的輸出力矩跟著外加電壓的增加而增強(qiáng)，直流電壓下要比交流電壓下的輸出力矩小。對(duì)上面三式進(jìn)行Laplace變換，其中和M分別表示和M的象函數(shù)。我們可以得到下圖所示的電流變傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方塊圖從圖可以看到:輸入量包括:輸入角度，電場(chǎng)作用下的電流變液剪切力矩Me，負(fù)載M，是作為干擾量輸入。輸出量是輸出角度反饋是:,。從上圖可知道電流變轉(zhuǎn)向操縱器的輸出角度是:因?yàn)楹苄?，忽賂高次項(xiàng)，可以得到: 尺寸:直徑要300mm，長度要300mm介質(zhì)參數(shù):S密度:1一29/cm3擊穿電場(chǎng):10kV/mm不允許雜質(zhì)存在傳遞力矩:采用相同的ERF，傳遞力矩要比平滑面增大幾倍溫度環(huán)境:+20一+125℃(無離子，交流電)外加電場(chǎng):典型為:O一3kV/mm功率損失:控制ERF的電場(chǎng)功率損失是:2一50W響應(yīng)時(shí)間:ERF的響應(yīng)時(shí)間是毫秒級(jí)的而機(jī)構(gòu)本身響應(yīng)時(shí)間轉(zhuǎn)向角度:士3600剪切一擠壓式電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為一項(xiàng)新的傳動(dòng)裝置，主要用途:在主動(dòng)振動(dòng)控制、減震、隔振等裝置。新型流體控制閥和控制系統(tǒng)?？煽刈枘崞?、制動(dòng)器、離合器等。沖擊機(jī)械。高性能電液伺服系統(tǒng).3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)工程技術(shù)人員把科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是電流變技術(shù)。要是將電流變液應(yīng)用于新設(shè)計(jì)的各種裝置，可以看到它們明顯具有如下特點(diǎn):利用電流變液體器件制成的自動(dòng)系統(tǒng)，不僅結(jié)構(gòu)將十分簡單，還可以將不同信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后直接去控制電流變液體制成的中間器件，使控制和調(diào)節(jié)具有無級(jí)連續(xù)變化的性能，響應(yīng)速度也很快快。電流變液體制成的液體流量和壓力的控制器，還具有的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于生產(chǎn)，制造過程無精密加工的要求，相對(duì)于一般的液壓控制閥可省去有磨擦運(yùn)動(dòng)的零件和精密加工的零件。再者因?yàn)殡娏髯円后w器件，一般沒有金屬和金屬間的直接接觸，因此工作中主要零件沒有磨損，工作壽命較長。因?yàn)槠骷墓ぷ鹘橘|(zhì)是液體，因此工作過程柔和，不存在無固體或金屬磨擦副的存在，相對(duì)噪音低，振動(dòng)少，由此我們可以知道電流變液體器件是一種低噪音、工作平穩(wěn)和柔和的器件。與其它控制系統(tǒng)相比較，因?yàn)殡娏髯円后w制作的控制器件，在控制中所消耗的能量較低。因?yàn)殡娏髯円后w器件的控制信號(hào)簡單，又只需要一個(gè)電場(chǎng)信號(hào)或電壓信號(hào)，因而極易與微機(jī)技術(shù)相結(jié)合形成智能控制，這是一種控制方式發(fā)展前景很好。電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度快且具有良好的機(jī)械性能，因此應(yīng)用前景廣泛。我們把獲得最佳的機(jī)械傳動(dòng)綜合性能指標(biāo)作為目標(biāo)，研究波紋式電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、傳動(dòng)理論、電液控制規(guī)律，能為工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。要使裝置具有良好的動(dòng)態(tài)性能，主要研究內(nèi)容為:變信號(hào)輸入，啟動(dòng)、制動(dòng)、任意波形輸入等。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)?？刂品椒A(yù)計(jì)采用采用基于虛擬儀器技術(shù)的檢測(cè)與控制系統(tǒng)。系統(tǒng)識(shí)別。電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剪切力矩和外加電壓之間是非線性關(guān)系且很復(fù)雜，很難用現(xiàn)有的物理和數(shù)學(xué)理論來建模，因此擬采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別。在研究波紋式電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，要得到機(jī)構(gòu)的輸入輸出轉(zhuǎn)矩、輸入輸出轉(zhuǎn)速、外加電壓、電流變流體的溫度等信號(hào)，還要控制對(duì)步進(jìn)電機(jī)、異步電機(jī)和高壓電源。機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，由負(fù)載的變化，將檢測(cè)的信號(hào)反饋到計(jì)算機(jī)。而對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，要實(shí)現(xiàn)變信號(hào)輸入，即啟動(dòng)，制動(dòng)，任意信號(hào)輸入。波紋式電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)速度能夠達(dá)毫秒級(jí)，因此要求對(duì)高壓電源的控制要快，信號(hào)的采樣率要高。此研究擬解決的關(guān)鍵問題為:在以波紋端面的曲面研究為中心的基礎(chǔ)上，進(jìn)行流體力學(xué)、電液控制規(guī)律、材料性能篩選和機(jī)構(gòu)性能等研究。研究目標(biāo):設(shè)計(jì)并研制一套波紋式電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。建立基于虛擬儀器的該機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)控制模型且對(duì)該機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行理論研究。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)電流變力矩放大器的一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，用來研究不同的曲面盤間隙、曲面盤內(nèi)外徑的值、曲面的波紋頭數(shù)以及曲面波紋的起伏程度對(duì)機(jī)構(gòu)性能的影響，由此來提出多目標(biāo)規(guī)劃的電流變力矩放大器的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。為了達(dá)到最優(yōu)值，通過實(shí)驗(yàn)擬合的方法來研究放大力矩和控制電場(chǎng)、溫度等因素之間的關(guān)系，利用脈沖和階躍電場(chǎng)信號(hào)來研究此裝置的動(dòng)態(tài)性能。我們裝置主要應(yīng)用為汽車轉(zhuǎn)向控制裝置的改進(jìn)、優(yōu)化。根據(jù)電流變流體和電流變技術(shù)所具有的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了電流變的傳動(dòng)機(jī)構(gòu):它主要由一個(gè)置于中間的中間盤和兩個(gè)置于兩邊的轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)組成，具體結(jié)構(gòu)中間盤通過兩根芯軸與兩個(gè)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器連接并且通過步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)，在芯軸上加負(fù)載，砂輪是用來模擬實(shí)際負(fù)載，兩個(gè)轉(zhuǎn)盤通過一個(gè)換向器分別由同步帶和同步帶輪傳動(dòng)，由伺服電機(jī)帶動(dòng)換向器。這樣兩個(gè)轉(zhuǎn)盤就具有轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反的運(yùn)動(dòng)特征。在結(jié)構(gòu)中，整個(gè)機(jī)構(gòu)由左、右兩個(gè)有機(jī)玻璃座支撐，而且轉(zhuǎn)盤和中間盤是和外界嚴(yán)格密封，它們中間有一個(gè)很小的間隙，我們?cè)陂g隙中間充滿了電流變液體。而且轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)和中間盤機(jī)構(gòu)之間是完全絕緣的，轉(zhuǎn)盤通過電刷接觸接正極并使中間盤接負(fù)極。這時(shí)在轉(zhuǎn)盤和中間盤之間就建立了一個(gè)電場(chǎng)，電場(chǎng)的大小由電壓的大小決定，整個(gè)系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)力矩放大的功能。因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)指令信號(hào)扭矩非常小，所以在左右兩個(gè)轉(zhuǎn)盤和中間盤之間分別外加電場(chǎng)，因此可以通過電流變液體把外部動(dòng)力根據(jù)負(fù)載加在中間盤上，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)力矩的放大。因?yàn)樽笥覂蓚€(gè)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，所以當(dāng)信號(hào)正轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)加在中間盤和左轉(zhuǎn)盤之間。當(dāng)信號(hào)反轉(zhuǎn)時(shí)信號(hào)加在中間盤和右轉(zhuǎn)盤之間，我們?cè)O(shè)定左轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)向?yàn)檎２y式電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是從三維造型開始的，先設(shè)計(jì)出裝置的立體圖，形象直觀，可直接修改，并獲得理想的三維結(jié)構(gòu)圖。在這里，左右轉(zhuǎn)盤作為主動(dòng)盤，中間盤作為從動(dòng)盤，采用了雙圓盤結(jié)構(gòu)，他的特點(diǎn)是:兩個(gè)主動(dòng)轉(zhuǎn)盤由一個(gè)變速電機(jī)通過換向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生大小相同、方向相反的速度。因?yàn)閷?duì)于任意信號(hào)輸入，主動(dòng)盤