磁流變限滑差速器摩擦片組的性能分析

陳作炳 柳剛 程海斌 湯帥

（武漢理工大學）

現有的限滑差速器還存在很多不足之處，如鎖緊系數低、磨損嚴重、噪聲大及價格昂貴等。近來出現一種新型差速器——磁流變限滑差速器[1]，該差速器以其快速的流變效應、固液柔性接觸、轉矩分配可控性及可調的高鎖緊系數等優點，彌補了傳統差速器的不足。而對該差速器的研究很少，有國外學者對該差速器進行結構設計以及電磁分析[2]，而在磁流變限滑差速器的傳遞轉矩方面研究甚少。文章采用粘性傳動原理[3]分析磁流變限滑差速器的摩擦片性能，利用Workbench重點分析其傳遞轉矩與磁感應強度、轉速差及摩擦片數量關系。

1 基本原理

圖1示出磁流變限滑差速器的結構原理圖，主要由差速器結構和帶磁流變液的摩擦片組組成。其中C由P上的主摩擦片、A上的從摩擦片及中間磁流變液組成。

磁流變限滑差速器主要原理：通過摩擦片組內主從摩擦片及磁流變液之間的粘性剪切力來傳遞動力，通過改變勵磁線圈電流大小來改變外加磁場大小，由磁流變效應改變磁流變液的粘度，實現不同剪切轉矩的傳遞。

動力通過發動機、離合器、變速箱、萬向聯軸器及主減速器傳遞給差速器，最后經差速器分配給2個半軸及半軸齒輪（A，B）。通過轉矩分配關系、轉速傳遞關系及能量守恒原理有式（1）方程組：

對式（1）方程組整理可以得到式（2）轉矩分配關系：

式中：ω0——殼體轉速，r/min；

T0——殼體轉矩，N·m；

ωA，ωB——齒輪A，B的轉速，r/min；

TA，TB——齒輪A，B的轉矩，N·m；

P——摩擦片組剪切摩擦消耗功率，W。

式中：TY——摩擦片組內的差速轉矩，N·m。

當P與A有轉速差時，就會產生差速轉矩，可通過控制系統來測試該轉速差，調節外加磁場的大小改變TY，從而改變鎖緊系數（k=TB/TA）的大小，實現汽車轉矩的合理分配。

一般情況下k越大越好，所以需要盡量提高TY，影響TY大小的主要因素有摩擦片組的結構、磁流變液的性能（流變效應）、轉速差及散熱性能等。文章主要研究摩擦片組結構及磁流變液相關參數對TY的影響。

2 摩擦片組結構及磁流變液參數

摩擦片組作為磁流變限滑差速器的關鍵部件，其結構尺寸與磁流變液性能是影響差速轉矩的重點，包括內外半徑、厚度、間隙、個數、油槽形狀及磁流變液的型號。磁流變液剪切模型方程，如式（4）所示。

式中：τtotal——磁流變液的總剪切應力，Pa；

τY——外加磁場引起的屈服應力，Pa；

γ——剪切速率，s-1；

η——與磁場無關的粘度，Pa·s。

根據一對圓盤的粘性傳動模型[4]可以得到其傳動力矩公式[5]，如式（5）所示。

式中：R1，R2——內外圓半徑，mm；

δ——摩擦片間隙，mm。

由式（5）可得，δ越小越好?？紤]制造及安裝誤差，防止出現安裝問題或間隙不均勻，一般δ控制在0.2～1.0 mm；η越大越好，主要與介質、溫度及剪切率有關，一般范圍在0.1～10 Pa·s；R2和R1與差速器的殼體以及半軸大小有關；τY只與磁流變液型號及外加磁場大小有關，宜盡量選取較小電流得到較大的屈服應力。

對于摩擦片表面的油槽形狀采用的是徑向油槽[6]，這種油槽其過油性強，散熱性好，結構簡單。圖2和圖3分別示出摩擦片組及徑向油槽結構示意圖。

對于摩擦片組的結構，建立仿真模型，結構參數，如表1所示；對于磁流變液的型號，通過比較選取了MRF-G40型號的磁流變液[7]性能參數，如表2所示。

表1 磁流變限滑差速器摩擦片的結構參數 mm

表2 MRF-G40型號磁流變液的性能參數

由式（5）可知，屈服應力與所選材料及外加磁場的大小有關，根據試驗測試，該型號磁流變液的屈服應力與磁感應強度的關系，如圖4所示；零場粘度與所選取材料、溫度及剪切率有關（剪切稀化），根據試驗測試，該型號磁流變液的零場粘度與剪切率的關系，如圖5所示。

3 仿真分析

結合該磁流變限滑差速器的結構及性能參數，可以建立該摩擦片組的差速器仿真模型，計算差速器傳遞的最大轉矩及需要的摩擦片數量。

摩擦片組的差速器主要工作在低轉速和高轉矩的工況，所以仿真模型轉速差范圍設置為5～45 r/min，仿真模型計算最大轉矩為2 500 N·m，角速度范圍為5～30 rad/s，轉彎半徑為3～18 m。根據表1可得到計算轉矩，如式（6）所示。

一對摩擦片組的傳遞轉矩與磁感應強度及剪切率的關系，如圖6所示。由圖6可知，傳遞轉矩由磁感應強度決定，外加磁場越大，傳遞轉矩越大，受轉速差影響小。

由圖6可知，一對摩擦片組的傳遞轉矩可以達到65 N·m，該差速器模型的傳動轉矩最大為2 500 N·m，為了得到較大鎖緊系數，可以計算得到摩擦片組數，圖7示出4組摩擦片組在外加磁場為0.6 T下的傳遞轉矩。從圖7可知，傳遞轉矩隨著摩擦片組數增多而變大，受轉速差影響小。

圖8示出4組摩擦片組在轉速差為45 r/min時鎖緊系數與磁感應強度關系。由圖8可知，摩擦片組數量越多鎖緊系數越大，但達到18對摩擦片時其鎖緊系數極不穩定，這是由于傳遞轉矩越接近最大轉矩，傳遞轉矩越接近飽和，所以最終可選取16對摩擦片組為最優數量。

4 結論

1）通過試驗測試得到磁流變液屈服應力隨磁感應強度增加大幅度增大，最后趨近飽和；由于剪切稀化，零場粘度隨轉速差增大而減??；

2）通過仿真分析得到傳遞轉矩與磁感應強度及摩擦片數量正比增加，增長幅度大，而隨轉速差變化很??；

3）摩擦片數量越多，鎖緊系數越大，但是隨著數量增加，傳遞轉矩會達到飽和，鎖緊系數非常不穩定，所以確定摩擦片數為16對。