基于虚拟仪器的圆盘式电流变传动机构的动态分析

摘要：电流变流体（ERF）是一种新型智能物质，在高压电场作用下，能快速实现液一固的转变，且响应速度快。研究了圆盘式电流变传动机构的动态特性，并采用NI虚拟仪器对机构进行分析、检测和控制，通过实验得出数据，进而分析了输入转矩、输出转矩、转速与所加高压电场的关系。

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）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]：

由式（2）知，剪切力矩和外加电压间呈非线性关系。

这里假设它们的关系为幂次关系，如下式所示：

其中，α0、α1、α2由实验获得，U=1kV。这是为了使系数量纲一致，且都为力矩量纲。

3 传动机构测控系统的构建

实验装置如图2所示，控制、分析和检测采用NI虚拟仪器系统由计算机自动进行。在实验中，采用多功能数据采集板PCI-MIO-16E-1、SCXI信号调理系统、温度及电压测量仪和动态信号分析仪NI-4552等对数据进行采集和分析，采用任意波形发生器PCI-5411、接线端子UMI和电机控制板Flexmotion-6C等对步进电机进行控制，整个系统由软件平台LabView编写的程序进行管理。由步进电机输入不同的运动信号，由异步电机产生剪切场。图3是采用LabView编写的NI虚拟仪器控制程序。通过实验得到的结果分析圆盘式电流变传动装置的动态性能。

在进行电流变传动性能的实验研究中，利用步进电机实现变信号输入，通过控制异步电机的转速来调节剪切速率，在高压电流输出高压的同时，采集电流变传动装置的输入、输出转矩和转速的信号。装置的输出端利用木头轮和簧片磨擦来模拟负载。

4 实验结果

在交流电场作用下，对于本实验所采用的ERF，其产生的电流变效应比在直流电场作用下要强，屈服应力也相应要大。随着外部施加电压的增大，电流变传动装置的输出转矩也有一定的增大，如图4、5所示。

当环境温度为18.9℃、外加电压为交流3kV、主动盘的转速为60r/m时，步进电机的输出按图6所示的任意波形变化，得到的电流变传动的输入转矩和输出转矩如图7所示。装置的输入转矩随步进电机的输出转速信号的变化而变化，而输入转矩信号与负载相关，随负载的变化而产生波动。

    主动盘的旋转是给电流变流体产生一个旋转剪切场。当环境温度为18.6℃、外加3kV的直汉电压、并撤去步进电机的输入时，调节异步电机的转速，从而挖掘电流变传动装置的主动盘的转速，得到图8所示的结果。

从图8可以看出，随着电流变传动装置的主动圆盘转速的增大，其输出转矩也随之增大。在主动盘转速较低时，其变化对输出转矩的影响较小；而当主动盘转速较高时，其变化对输出转矩的影响就比较明显。

根据（4）式及实验所得数据，转矩Me拟合的曲线如图9所示，其中α0为0.0611，α1为-0.02732，α2为0.00577。

    通过以上分析，可得出如下结论：

（1）对本实验所设计的圆盘式电流变传动装置，选用一种电流变流体后，其传动特性只与外加电场有关。

（2）HITL2型电流变流体在交流电场作用下，其电流变效应比在直流电场作用下要强。并且，随着外加电场的增大，电流变效应所产生的屈服应力也随之增大。

    （3）电流变传动装置的输出转矩的曲线是波动的。因为负载是变化的，输出转矩要与负载相匹配，因此输出转矩也应随着负载的变化而变化，即呈波形状态。

（4）电流变传动装置的输入转矩是跟退步进电机的转速信号，但有一定的滞后，因为在机构中使用了弹性联轴器。

    （5）对电流变的控制，采用双主动圆盘的机械结构，使剪切速变对传动力矩的影响可以忽略不计。只要控制电场就能控制电流变传动装置。