磁粉离合器在汽车差速系统中应用
发布时间：2012-07-31
来源：中国自动化网
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磁粉离合器
导读：
摘要:现有的差速器在汽车中存在差速不差力，结构复杂，加工成本高，维修难等问题。经过研究，运用磁粉离合器恒力矩运行的特性以及结构简单，制造成本低，运行可靠，控制方便，差速也差力的优点，对小汽车差速器进行...
摘要:现有的差速器在汽车中存在差速不差力，结构复杂，加工成本高，维修难等问题。经过研究，运用磁粉离合器恒力矩运行的特性以及结构简单，制造成本低，运行可靠，控制方便，差速也差力的优点，对小汽车差速器进行了设计，经过模拟实验可以达到预期性能。
关键词：磁粉离合器；差速器；恒力矩
Application of magnetic particle clutch in the auto difference rotational speed system
QU Wen—tao，WANG Hui
（ School of Machinery of Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China）
（Dept．of Elect—Mechanical Engineering，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang 414000，China）
Abstract: the problems- which were inconvenient preparation，high process，cost complex structure and uneven moment adjustment in the current auto differential speed mechanism were researched．Busing on invariable moment of magnetic particle clutch’S characteristic with its merits of simply structure，low manufacture cost，reliable running，convenient operation and good adjustment of speed and moment，the auto differential
speed mechanism was designed which also obtained expectable result with the simulation experiment．
Key words：Magnetic particle clutch；Differential mechanism ；Invariable moment
汽车在行驶中，左右车轮在同一时间内所滚动的路程往往是不相等的。如汽车转弯时内侧车轮行程短；左右两车轮气压不等。胎面摩损不均匀，两侧车轮上的负荷不一致引起车轮的半径不相等，左右两轮接触的路面条件不同，行驶阻力不等。这样如果驱动桥的左右刚性联接，则不论转弯行驶或直线行驶，均会造成车轮在路面上的滑移，滑转，导致通过性差难以操作。为此，在驱动桥的左右轮间都装有轮间差速器，以提高车辆的通过性和操作性。目前的差速器大都为机械式即齿轮式，摩擦片式，强制锁止式等。新设计的差速器采用磁粉摩擦介质。通过转速传感器，方向传感器控制左，右轮的力矩达到了差速差力的目的。
1 磁粉离合器的设计
1．1磁粉离合器工作原理
普通磁粉离合器如图1所示，它由导电环1，励磁线圈2，磁粉3，转子4，定子5组成。当励磁线圈没有励磁电流时，散沙的磁粉象液体一样不能阻碍转子与定子的相对运动，离合器呈分离状态；励磁线圈通电，所产生的主磁通沿设置的磁路形成闭合回路，磁粉离合器转子与定子这间的磁粉迅速磁化，并沿磁路结成链状固态，定子与转产生啮合力，实现力矩传递。这个啮合力的大小与励磁线圈上的电流是线性关系。[1]如图2所示。只要改变励磁线圈的电流就可以得到所需要的相应大小的转矩。
1．2双级的双盘式磁粉离合器
一种双级双盘式磁粉离合器的设计，它解决了在一根贯通轴上的恒力，差力到差速的传动问题，可在汽车桥的传动中得到广泛的应用。如图3所示。它的工作原理是磁粉离合器的定子（外壳6）转动时当5，5’两轴上有负载如果2，2’上没有励磁电流散沙似的磁粉不能阻碍4，4’转子的转动，因为5，5’ 分别与4，4’刚性连结，离合器处于分离状态。当励磁线圈通电时，产生的主磁通沿设置的磁路形成闭合回路，磁粉离合器主动件6定子（外壳）与从动件 4，4’间的磁粉迅速磁化，沿磁路结成链状固态，主动件6定子（外壳）与从动件4，4’产生齿合力，由于磁粉离合器的励磁线圈电流与力矩成线性关系变化。励磁电流的增大使主、从动件上的齿合力增大，从动件5，5’上的输出扭矩增大，由图4特性曲线可知， 输出轴的转矩只对应某一电流值，而与转速无关，因此通过励磁线圈改变励磁电流值，达到改变输出转速和转矩的目的。[2]
由于双级双盘式磁粉离合器它是由两个分别独立的励磁线圈2。2’和两个分别独立的转子4，4’组成，那么只有当励磁线圈2，2’上的励磁电流完全相等时，输出5，5’上的扭矩相等，可见当改变2，2’上的励磁电流使它们不相等时，输出轴上的扭矩和转速将发生变化，这个变化在5，5’上有负载时就很易控制。
2 差速器
2．1普通差速器
驱动左，右车轮，必须可以获得由同一动力源传递的不同转速的动力。这就是差速器产生的原因。其作用在不中断动力传递的条件下，允许所连接的左，右驱动轮以不同的转速旋转，以满足汽车行驶运动学的要求。差速器的结构型式很多，但最广泛的是对称式锥齿轮差速器。（图5）普通锥齿轮差速器的工作过程如下：
（1）当左，右驱动轮速相等时，（图5）差速器不工作。差速器外壳1连同行星齿轮2，左，右半轴齿轮3，3’同步旋转。行星齿轮如同等臂杠杆将差速器外壳传来的转矩平均分配给左，右驱动车轮，汽车直线行使。
（2）当左，右驱动轮转速不相等时，（图5b），行星齿轮在作公转的同时被迫自转，以吸收左，右驱动轮的转速差。由于差速器内磨擦力矩很小可以认为不管左，右驱动车轮的转速是否相等，而转矩总是平均分配的。这样的转矩分配特性对于汽车在好路面上直线或转弯行驶时，效果都很好，当汽车在坏路面行驶时，却严重的影响它的通过性能。一侧驱动车轮接触到泥泞或冰雪路面，即使另一则驱动车轮在不打滑的好路面上，这时由于扭矩完全分配到打滑的车轮上，使汽车在泥泞的路面上滑转，而不能摆脱困境。这就是目前广泛使用的普通锥齿轮差速器差速不差力的的致命缺陷[3]。
3 磁粉离合器差速器结构设计
3．1 磁粉离合器差速器的结构
磁粉离合器差速器，它是将左、右车轮上的两根半轴分别装双级双盘式磁粉离合器内的两个转子上，图6所示。当主动锥齿轮n1驱动主变速齿n2旋转时，固结在主变速器齿轮砌上的磁粉离合器定子（外壳）6一起转动，在励磁电流的作用下磁粉结成链状固态与转子4．4’啮合，转子4．4’与半轴5．5’ 相连向车轮7．7’传递扭矩。汽车在直线行驶时为了获得左右车轮相等的扭矩只要保持两个励磁线圈上的电流不变就可以实现，当汽车转变时在方向传感器的控制下，改变2或2’上的励磁电流就可以得到车辆行驶时左右车轮上时刻变化的转速和扭矩，保证车辆的行驶性能。
当汽车的一侧车轮完全打滑时，普通的锥齿轮差速器由于力矩完全分配到打滑的车轮上而不能行驶，磁粉离合器差速器采用方向传感器控制，可以任意改变两轮上的传动力矩，使一侧车轮完全打滑的车辆脱离困境。
汽车在行驶中由于胎压的不一致，车轮的磨损成度不一样和两驱动轮上的负载不一样都会出现两轮的速度不同，为了解决这些问题，采用了方向传感器和车轮转速传感器进行双回路控制，使得行驶更安全，操作更方便，通过性更佳。
3．2 工作原理
当车辆起动磁粉离合器差速器上的电流达至最大值，与左右车轮相连的转子完全啮合，当汽车起步方向盘转动与方向相连的平衡传感器发出信号给励磁电流分配器，励磁电流分配器改变励磁线圈上的电流，使转速度低的车轮励磁电流下降并出现滑差，转速随之发生变化。汽车行驶时，由于路面，胎压的变化两驱动轮上的传感器将发出迅号从新分配励磁电流保证两轮的平衡驱动。这种磁粉离合器差速器的结构设计采用了轮间速度传感器和方向平衡传感器对励磁电流的双回路控制，所以不管左右两侧车轮上的速度和扭矩发生怎样的变化，车辆行驶性能都会大大提高。[5]
4 结束语
为了提高汽车的行驶性能和操作性能，解决普通差速器差速不差力的问题，利用磁粉离合器恒力矩的特性和便于控制的特点，设计的双级双盘式磁粉离合器差速器在模拟试验中显示了良好的工作性能。随着计算机控制技术在汽车中的广泛应用对于机电一体的差速器就更显它的优越性能，这种磁粉离合器差速器既能达到恒速恒力的目的又有制造成本低结构简单控制方便的优点，在以后的差力差速的机械运动中都会得到应用和推广。
参考文献
1 卜炎．机械传动装置设计手册【M】．北京：机械工业出版社，1998．343—346．
2 赵稳．磁粉离合器在高精度传动试验台上的应用．机械研究与应用【I】．2004—6．87—88．
3 刘哲义。曹泗秋．汽车差速器的双回路控制方法．汽车研究与开发【I】1999—6．14一l6．
4 郭平辉．汽车差速器的改进与设计．机械设计【I】1998—9．36—37．
5 于振洲，汽车最新电器构造原理【M】．北京：电子工业出版社，2000-6147 151．
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