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基于虛擬儀器的圓盤式電流變傳動機構(gòu)的動態(tài)分析
摘要：電流變流體（ERF）是一種新型智能物質(zhì)，在高壓電場作用下，能快速實現(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機構(gòu)的動態(tài)特性，并采用NI虛擬儀器對機構(gòu)進行分析、檢測和控制，通過實驗得出數(shù)據(jù)，進而分析了輸入轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與所加高壓電場的關(guān)系。關(guān)鍵詞：電流變流體 動態(tài)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(yīng)力可用外加電場加以控制。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機電一體化（Mechatronics）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(tǒng)不斷問世。將電流變流體技術(shù)應(yīng)用于機械系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)無移動件或少移動件的機構(gòu)，極大地改善了系統(tǒng)的動態(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)動機冷卻風扇的調(diào)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(tǒng)等。采用ER技術(shù)設(shè)計制造的汽車零部件，具有性能優(yōu)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(shù)的汽車在未來市場競爭中具有明顯的優(yōu)勢。電流變傳動的自動控制系統(tǒng)由三部分組成，即機械傳動機構(gòu)、計算機檢測與控制裝置和電流變流體。
1 機構(gòu)工作原理
圖1所示為圓盤式電流變傳動機構(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，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(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所研制的HITL2型ERF，外加電場由電子開關(guān)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(zhuǎn)動不起來。這時由導(dǎo)步電機帶動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)），此時圓盤和中間盤間的ERF會產(chǎn)生中流變效應(yīng)，通過圓盤將產(chǎn)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(chǎn)生大的剪切應(yīng)力，從而使中間盤克服負載力矩，按輸入信號轉(zhuǎn)動。這就是雙圓盤式電流變傳動機構(gòu)的工作原理。
2 系統(tǒng)理論模型
ERF在無外加電場作用時表現(xiàn)為牛頓流體。在有外加電場作用下表現(xiàn)為接近Bingham流體，在低應(yīng)變率下，具有粘彈性能[2]。在高電場下，是具有高屈服應(yīng)力的粘塑
[1] [2] [3]
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