基于虚拟仪器的圆盘式电流变传动机构的动态分析

1、    基于虚拟仪器的圆盘式电流变传动机构的动态分析        杨进民 黄宜坚 时间:2008年09月27日     字 体: 大 中 小        关键词:        摘? 要: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

2、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的悬挂系统等。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

3、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?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:其中，为

4、流体流动产生的剪切应力，y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，pl是流体的塑性粘度，是剪切速率。屈服应力与外加电场的关系为: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y、pl、左盘和右盘的转速差、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，0、1、2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

5、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，在高压电源输出高压的同时，采集电流变传动

6、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，得到的电流变传动装置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，而输出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

7、度为18.6、外加3kV的直流电压、并撤去步进电机的输入时，调节异步电机的转速，从而控制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0为0.0611，1为-0.02732，2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随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，使剪切速率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。?参考文献2 Daniel R. Gamota. Fourier Transfo