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基于虛擬儀器的圓盤式電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析
摘要：電流變流體（ERF）是一種新型智能物質(zhì)，在高壓電場(chǎng)作用下，能快速實(shí)現(xiàn)液一固的轉(zhuǎn)變，且響應(yīng)速度快。研究了圓盤式電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，并采用NI虛擬儀器對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析、檢測(cè)和控制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析了輸入轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與所加高壓電場(chǎng)的關(guān)系。電流變流體（ERF）是一種新型的智能材料，它的粘性和屈服應(yīng)力可用外加電場(chǎng)加以控制。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化（Mechatronics）
越來(lái)越受到重視，把機(jī)、電、液融合為一體，用微機(jī)進(jìn)行控制的流體元件及系統(tǒng)不斷問(wèn)世。將電流變流體技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)移動(dòng)件或少移動(dòng)件的機(jī)構(gòu)，極大地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)[1]。
電流變流體的應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，在工程應(yīng)用方面包括液壓工程、汽車制造工業(yè)、機(jī)器人系統(tǒng)、流體密封領(lǐng)域等。其在汽車制造工業(yè)中，可用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的調(diào)速離合器、傳動(dòng)離合器、阻尼可控的減振器或計(jì)算機(jī)控制是懸掛系統(tǒng)等。采用ER技術(shù)設(shè)計(jì)制造的汽車零部件，具有性能優(yōu)良、無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)、制造工藝性好、成本低的特點(diǎn)，而且可直接用計(jì)算機(jī)控制，無(wú)需接口。采用ER技術(shù)的汽車在未來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。電流變傳動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)由三部分組成，即機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制裝置和電流變流體。
1 機(jī)構(gòu)工作原理
圖1所示為圓盤式電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理圖。中間盤和芯軸連在一起，芯軸左端有步地電機(jī)，芯軸右端接負(fù)載，左右端各套一個(gè)圓盤，左右圓盤和中間盤間充滿ERF。本實(shí)驗(yàn)中ERF選用哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所研制的HITL2型ERF，外加電場(chǎng)由電子開關(guān)控制。輸入信號(hào)由芯軸左端進(jìn)電機(jī)提供。由于輸入信號(hào)很小，而芯軸右端接有負(fù)載，所以芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)不起來(lái)。這時(shí)由導(dǎo)步電機(jī)帶動(dòng)左右圓盤以大小相等、方向相反的轉(zhuǎn)速ΩL、ΩR旋轉(zhuǎn)，將需要加高壓電源的一側(cè)的電子開關(guān)合上（如要增加力矩，則合上左側(cè)的電子開關(guān)），此時(shí)圓盤和中間盤間的ERF會(huì)產(chǎn)生中流變效應(yīng)，通過(guò)圓盤將產(chǎn)生的附加力矩傳遞給中間盤輸出。
圖2 實(shí)驗(yàn)原理圖
可以看出，中間盤的軸的左端輸入微小的機(jī)械控制信號(hào)，右端可以輸出大的力矩，電場(chǎng)使左盤或右盤與中間盤之間的ERF粘度變稠，產(chǎn)生大的剪切應(yīng)力，從而使中間盤克服負(fù)載力矩，按輸入信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是雙圓盤式電流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理。
2 系統(tǒng)理論模型
ERF在無(wú)外加電場(chǎng)作用時(shí)表現(xiàn)為牛頓流體。在有外加電場(chǎng)作用下表現(xiàn)為接近Bingham流體，在低應(yīng)變率下，具有粘彈性能[2]。在高電場(chǎng)下，是具有高屈服應(yīng)力的粘塑性體。
其本構(gòu)方程為：
τ=τy ηplγ （1）
其中，τ為流體流動(dòng)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，τy是在電場(chǎng)作用下，電流變流體逐漸固化或稠化所產(chǎn)生的屈服應(yīng)力，γ是剪切速率。
屈服應(yīng)力與外加電場(chǎng)的關(guān)系為：
τy=AE2=A(U/h)2 (2)
電流變效應(yīng)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力使從動(dòng)盤獲得力矩Me。這個(gè)電流變力矩Me與τy、ηpl、左盤和右盤的轉(zhuǎn)速差ΔΩ、圓盤間的間距h、圓盤有效面積的內(nèi)外圓半徑r1和r2的關(guān)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(guān)系。
這里假設(shè)它們的關(guān)系為冪次關(guān)系，如下式所示：
其中，α0、α1、α2由實(shí)驗(yàn)獲得，U=1kV。
這是為了使系數(shù)量綱一致，且都為力矩量綱。
3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)建
實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，控制、
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