纳米磁流变流体离合器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种离合器，更具体而言，涉及一种使用磁流变流体的离合器。
【背景技术】
[0002] 离合器是机动车辆中发动机与传动系之间切断和传递动力的部件。离合器的主动 部分和从动部分借接触面间的摩擦作用，或是用液体作为传动介质，或是用磁力传动来传 递转矩，使两者之间可以暂时分离，又可逐渐接合，在传动过程中又允许两部分一起转动。
[0003] 常见的传统离合器包括摩擦式离合器、液力离合器和电磁离合器等。一种在机动 车辆上较为广泛地采用的是用弹簧力压紧的摩擦离合器。在摩擦离合器处于啮合状态时， 离合器的主动旋转摩擦盘和被动旋转摩擦盘啮合，在弹簧力的作用下传递扭矩。当驾驶员 踩下离合器踏板时，通过机件的传递，主动旋转摩擦盘与被动旋转摩擦盘分离，离合器处于 离合状态。参见图1、2和3。
[0004] 随着磁流变流体技术的发展，近些年来有人提出了使用磁流变流体的离合器。
[0005] 磁流变流体是一种随着磁场出现其粘度发生变化的流体。由高磁导率、低磁滞性 的软磁颗粒通过表面活性剂的作用均匀分散于非导磁性载液中而构成稳定悬浮液体系。磁 流变流体的工作原理是：在外加磁场的作用下，每一颗粒都极化成磁偶极子，各个偶极子 相互吸引，在两磁极板间形成的链束状结构像桥一样横架在极板之间，阻碍了流体的正常 流动，使其产生类固体的特征。当去掉外加磁场时，流体又恢复到原来的状态，即磁流变流 体在液态和固态之间进行快速可逆的转换。固态化程度与电流强度成稳定可逆的关系，即 控制电流强度就可以精确控制固态化磁流变流体的剪切屈服强度。
[0006] 图4可用于简单示意一种磁流变流体离合器，其主要包括被动件、主动件、励磁线 圈、磁流变流体等主要部分，除此之外还包括磁流变流体密封组件、轴承、线圈电流控制器 等辅助件。磁流变流体离合器是通过在励磁线圈中通电或断电来控制离合器的分离和连接 的；通过线圈的电流值变化大小来改变磁流变流体的横向剪切力，就能调整从主动件传递 到被动件的扭矩大小。当励磁线圈中通直流电流时线圈周围立刻产生磁场，在磁场的作用 下在主动件与被动件中间的磁流变流体剪切应力大于屈服应力时从流体变成黏性体或固 体，把主动件与被动件连接在一起以相同速度旋转。当切断励磁线圈中的直流电流时，线圈 磁场立刻消失，磁流变流体剪切应力小于屈服应力，从固体变成低黏性的普通液体，主动件 无法带被动件旋转，达到被动件与主动件分离的状态。图5示意了图4所示的磁流变流体 离合器在磁流变流体上施加有磁场时的状态。其中，在磁场作用下，磁粒子在磁场的作用下 沿着磁场的N极和S极之间的磁力线在二极之间形成链状结构，从而产生了抗剪应力的作 用。流体的黏度随着磁场的变化而无级地变化，磁场越强，链的稳定性和抗剪能力越强，当 磁场移去之后，磁流变液立即回复到自由流动状态。
[0007] 在这样的磁流变流体离合器中，随着磁流变流体上所作用的磁力增加，流体的屈 服应力大于剪切应力，黏度增加，流体开始固化；其中，流体的屈服应力与磁场强度成正比。 通过实验得出了磁流变流体在不同磁场强度下的剪切应力与剪切应变速率之间的关系，本 构关系方程可表示为：
[0009] 其中，为屈服应力（磁场强度的函数）；，为与磁场强度无关的磁流变液屈服后 黏度；F为剪切率。在图4中的离合器中，若R表示磁流变流体的半径，Η表示其厚度，而分 别以ω^Ρ ω 2表示主动件和被动件的转速，则通过计算可得磁流变流体离合器传递的扭矩 等于磁流变流体屈服应力产生的扭矩1和磁流变流体黏度产生的扭矩Τ η之和，其中：
[0012] 然而，在传统的磁流变流体中存在磁滞现象，分散于磁流变流体中有磁滞的磁响 应颗粒在磁场去除后因颗粒有剩磁而使磁流变流体不能完全恢复到自由流动状态。
[0013] 在使用磁流变流体的离合器中，磁流变流体的这样的剩磁会干扰磁流变流体离合 器的控制过程，延迟其响应。为了降低矫顽磁力，传统的磁流变流体的磁颗粒的粒径大于 〇· 1 μL?，优选粒径大于1 μL?，（见美国专利US6203717B1等)，这就带来了另一个突出问题， 即，磁颗粒在磁流变流体中易沉降。颗粒趋于沉淀的原因之一是磁颗粒载液，如油的密度 (0. 7-0. 95g/cm3)与金属颗粒的密度(铁颗粒约为7. 86g/cm3)差别很大，原因之二是传统 的磁流变流体中的可磁化颗粒粒径较大(其优先粒径大于1 μ m，即1000纳米，如美国专利 US6203717B1等)。材料的沉降造成了颗粒的非均匀分布，干扰了磁流变流体的活性，同样 会影响磁流变流体离合器的正常操作。为了克服易于沉淀的问题，一种方法是添加各种增 稠剂和悬浮剂；由于这些防沉降组分的大量加入，大幅提高了磁流变流体的粘度，但是，这 同时增加了材料在无磁场状态的流动阻力（粘度)。此外，现有磁流变流体还存在的另一个 突出的技术问题是磨损问题。磁流变流体中的磁颗粒会对与其接触的运动部件表面造成磨 损，可磁化颗粒的粒径越大，磨粒磨损越严重。
[0014] 现有磁流变流体中的磁颗粒的这些缺点直接导致磁流变流体的使用寿命短、可靠 性低和最终导致磁流变流体提前失效，从而使得使用磁流变流体的离合器的控制响应性能 和可靠性低下，并且同样使用寿命偏短。
[0015] 因此，需要提供一种性能更加可靠，响应控制更加迅速，并且使用寿命更长的磁流 变流体离合器。 【实用新型内容】
[0016] 要解决因剩磁引起的不可靠问题，就要求磁流变流体的磁响应颗粒具有尽可能低 的矫顽磁力。矫顽磁力是描述铁磁材料的磁滞现象的重要参数。细颗粒磁性材料的矫顽磁 力机制与块材料不尽相同，铁磁颗粒的矫顽磁力严重依赖于其尺寸的大小(见图6)。
[0017] 图6显示了磁颗粒的矫顽磁力与粒径的关系。在微米范围内，减小粒径通常导致 矫顽磁力的增加，矫顽磁力的最大值可以在"单域"粒径（D sd)中获得。但是，当磁颗粒的粒 径减小到"单域"粒径以下时，矫顽磁力反而随着粒径减小而降低，当磁颗粒的粒径降到一 个临界纳米尺度（DSP)以下时，其矫顽磁力降为零，这时原来的铁磁性材料转换成为超顺磁 材料，超顺磁材料即其矫顽磁力降至基本为零的磁材料。
[0018] 图7显示了部分铁磁材料的单域粒径（Dsd)和超顺磁性转换粒径（DSP)。如果磁颗 粒的粒径减小至纳米级的一定尺度的范围内，则矫顽磁力令人惊奇地降至基本为零或完全 为零，这时原来的铁磁性材料转换成为超顺磁材料，当这些磁颗粒被用于磁流变流体时，就 能够得到性能完全超越现有技术的纳米磁流变流体。
[0019] 与传统的磁流变流体（如美国专利2575360、2661825、2886151、5645752、 7393463B2、6203717B1和2006/0033069 A1等专利中所描述)相比，这样的纳米颗粒磁流变 流体材料具有如下优势：
[0020] a.可控磁滞，可实现无磁滞
[0021] 纳米磁响应颗粒材料能够实现超顺磁性，即，矫顽磁力基本为零，因此制得的纳米 磁响应颗粒材料实现可控磁滞，可实现基本无磁滞。
[0022] b.不易沉降
[0023] 微细固体颗粒在流体介质中的自由沉降末速度与其粒径的平方成正比。传统的 磁响应颗粒为了降低剩磁，其优选粒径均在lym以上(详见这些专利的说明），本实用新 型的磁流变流体的颗粒的粒径不到传统材料的1/50,在流体中的沉淀速度不到传统材料 1 /2500，解决了磁流变流体的颗粒沉降问题。
[0024] c.减轻对构件的磨损率
[0025] 磨粒磨损与磨粒的粒径密切相关，纳米磁流变流体的材料的粒径不到传统材料的 1/50,可显著降低对运动部件的磨损。
[0026] d.初始粘度低
[0027] 因纳米材料沉降速度低的特性，载液中无需大量加入高粘度的抗沉降组分；因为 纳米磁响应颗粒能够实现无磁滞现象，磁场去除后不存在剩磁，磁流变流体可以恢复到自 由流动状态。这些因素均可使磁流变流体的初始粘度大幅度下降。
[0028] 本实用新型具体提供了一种磁流变流体离合器，包括：与离合器输入轴相联接的 离合器主动件；与离合器输出轴相联接的离合器被动件；与所述离合器主动件和离合器被 动件相连的超顺磁性的纳米磁流变流体；密封纳米磁流变流体的磁流变流体密封组件；产 生使纳米磁流变流体变成高黏性体或固体的磁场的励磁线圈；与所述励磁线圈相连接来控 制所述励磁线圈中的电流值的励磁线圈电流控制器。
[0029] 在对励磁线圈通电时，所述励磁线圈产生磁场，在所述磁场的作用下，纳米磁流变 流体从流体变成高黏性体或固体，使所述离合器主动件与离合器被动件同步旋转。借助于