磁粉離合器在汽車差速系統中的應用
摘要:現有的差速器在汽車中存在差速不差力，結構復雜，加工成本高，維修難等問題。經過研究，運用磁粉離合器恒力矩運行的特性以及結構簡單，制造成本低，運行可靠，控制方便，差速也差力的優點，對小汽車差速器進行了設計，經過模擬實驗可以達到預期性能。
關鍵詞：磁粉離合器；差速器；恒力矩
（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
汽車在行駛中，左右車輪在同一時間內所滾動的路程往往是不相等的。如汽車轉彎時內側車輪行程短；左右兩車輪氣壓不等。胎面摩損不均勻，兩側車輪上的負荷不一致引起車輪的半徑不相等，左右兩輪接觸的路面條件不同，行駛阻力不等。這樣如果驅動橋的左右剛性聯接，則不論轉彎行駛或直線行駛，均會造成車輪在路面上的滑移，滑轉，導致通過性差難以操作。為此，在驅動橋的左右輪間都裝有輪間差速器，以提高車輛的通過性和操作性。目前的差速器大都為機械式即齒輪式，摩擦片式，強制鎖止式等。新設計的差速器采用磁粉摩擦介質。通過轉速傳感器，方向傳感器控制左，右輪的力矩達到了差速差力的目的。
1 磁粉離合器的設計
1．1磁粉離合器工作原理
普通磁粉離合器如圖1所示，它由導電環1，勵磁線圈2，磁粉3，轉子4，定子5組成。當勵磁線圈沒有勵磁電流時，散沙的磁粉象液體一樣不能阻礙轉子與定子的相對運動，離合器呈分離狀態；勵磁線圈通電，所產生的主磁通沿設置的磁路形成閉合回路，磁粉離合器轉子與定子這間的磁粉迅速磁化，并沿磁路結成鏈狀固態，定子與轉產生嚙合力，實現力矩傳遞。這個嚙合力的大小與勵磁線圈上的電流是線性關系。[1]如圖2所示。只要改變勵磁線圈的電流就可以得到所需要的相應大小的轉矩。
1．2雙級的雙盤式磁粉離合器
一種雙級雙盤式磁粉離合器的設計，它解決了在一根貫通軸上的恒力，差力到差速的傳動問題，可在汽車橋的傳動中得到廣泛的應用。如圖3所示。它的工作原理是磁粉離合器的定子（外殼6）轉動時當5，5’兩軸上有負載如果2，2’上沒有勵磁電流散沙似的磁粉不能阻礙4，4’轉子的轉動，因為5，5’分別與4，4’剛性連結，離合器處于分離狀態。當勵磁線圈通電時，產生的主磁通沿設置的磁路形成閉合回路，磁粉離合器主動件6定子（外殼）與從動件4，4’間的磁粉迅速磁化，沿磁路結成鏈狀固態，主動件6定子（外殼）與從動件4，4’產生齒合力，由于磁粉離合器的勵磁線圈電流與力矩成線性關系變化。勵磁電流的增大使主、從動件上的齒合力增大，從動件5，5’上的輸出扭矩增大，由圖4特性曲線可知， 輸出軸的轉矩只對應某一電流值，而與轉速無關，因此通過勵磁線圈改變勵磁電流值，達到改變輸出轉速和轉矩的目的。[2]
由于雙級雙盤式磁粉離合器它是由兩個分別獨立的勵磁線圈2。2’和兩個分別獨立的轉子4，4’組成，那么只有當勵磁線圈2，2’上的勵磁電流完全相等時，輸出5，5’上的扭矩相等，可見當改變2，2’上的勵磁電流使它們不相等時，輸出軸上的扭矩和轉速將發生變化，這個變化在5，5’上有負載時就很易控制。
2 差速器
2．1普通差速器
驅動左，右車輪，必須可以獲得由同一動力源傳遞的不同轉速的動力。這就是差速器產生的原因。其作用在不中斷動力傳遞的條件下，允許所連接的左，右驅動輪以不同的轉速旋轉，以滿足汽車行駛運動學的要求。差速器的結構型式很多，但最廣泛的是對稱式錐齒輪差速器。（圖5）普通錐齒輪差速器的工作過程如下：
（1）當左，右驅動輪速相等時，（圖5）差速器不工作。差速器外殼1連同行星齒輪2，左，右半軸齒輪3，3’同步旋轉。行星齒輪如同等臂杠桿將差速器外殼傳來的轉矩平均分配給左，右驅動車輪，汽車直線行使。
（2）當左，右驅動輪轉速不相等時，（圖5b），行星齒輪在作公轉的同時被迫自轉，以吸收左，右驅動輪的轉速差。由于差速器內磨擦力矩很小可以認為不管左，右驅動車輪的轉速是否相等，而轉矩總是平均分配的。這樣的轉矩分配特性對于汽車在好路面上直線或轉彎行駛時，效果都很好，當汽車在壞路面行駛時，卻嚴重的影響它的通過性能。一側驅動車輪接觸到泥濘或冰雪路面，即使另一則驅動車輪在不打滑的好路面上，這時由于扭矩完全分配到打滑的車輪上，使汽車在泥濘的路面上滑轉，而不能擺脫困境。這就是目前廣泛使用的普通錐齒輪差速器差速不差力的的致命缺陷[3]。
3 磁粉離合器差速器結構設計
3．1 磁粉離合器差速器的結構
磁粉離合器差速器，它是將左、右車輪上的兩根半軸分別裝雙級雙盤式磁粉離合器內的兩個轉子上，圖6所示。當主動錐齒輪n1驅動主變速齒n2旋轉時，固結在主變速器齒輪砌上的磁粉離合器定子（外殼）6一起轉動，在勵磁電流的作用下磁粉結成鏈狀固態與轉子4．4’嚙合，轉子4．4’與半軸5．5’相連向車輪7．7’傳遞扭矩。汽車在直線行駛時為了獲得左右車輪相等的扭矩只要保持兩個勵磁線圈上的電流不變就可以實現，當汽車轉變時在方向傳感器的控制下，改變2或2’上的勵磁電流就可以得到車輛行駛時左右車輪上時刻變化的轉速和扭矩，保證車輛的行駛性能。
當汽車的一側車輪完全打滑時，普通的錐齒輪差速器由于力矩完全分配到打滑的車輪上而不能行駛，磁粉離合器差速器采用方向傳感器控制，可以任意改變兩輪上的傳動力矩，使一側車輪完全打滑的車輛脫離困境。
汽車在行駛中由于胎壓的不一致，車輪的磨損成度不一樣和兩驅動輪上的負載不一樣都會出現兩輪的速度不同，為了解決這些問題，采用了方向傳感器和車輪轉速傳感器進行雙回路控制，使得行駛更安全，操作更方便，通過性更佳。
3．2 工作原理
當車輛起動磁粉離合器差速器上的電流達至最大值，與左右車輪相連的轉子完全嚙合，當汽車起步方向盤轉動與方向相連的平衡傳感器發出信號給勵磁電流分配器，勵磁電流分配器改變勵磁線圈上的電流，使轉速度低的車輪勵磁電流下降并出現滑差，轉速隨之發生變化。汽車行駛時，由于路面，胎壓的變化兩驅動輪上的傳感器將發出迅號從新分配勵磁電流保證兩輪的平衡驅動。這種磁粉離合器差速器的結構設計采用了輪間速度傳感器和方向平衡傳感器對勵磁電流的雙回路控制，所以不管左右兩側車輪上的速度和扭矩發生怎樣的變化，車輛行駛性能都會大大提高。[5]
4 結束語
為了提高汽車的行駛性能和操作性能，解決普通差速器差速不差力的問題，利用磁粉離合器恒力矩的特性和便于控制的特點，設計的雙級雙盤式磁粉離合器差速器在模擬試驗中顯示了良好的工作性能。隨著計算機控制技術在汽車中的廣泛應用對于機電一體的差速器就更顯它的優越性能，這種磁粉離合器差速器既能達到恒速恒力的目的又有制造成本低結構簡單控制方便的優點，在以后的差力差速的機械運動中都會得到應用和推廣。
參考文獻
1 卜炎．機械傳動裝置設計手冊【M】．北京：機械工業出版社，1998．343—346．
2 趙穩．磁粉離合器在高精度傳動試驗臺上的應用．機械研究與應用【I】．2004—6．87—88．
3 劉哲義。曹泗秋．汽車差速器的雙回路控制方法．汽車研究與開發【I】1999—6．14一l6．
4 郭平輝．汽車差速器的改進與設計．機械設計【I】1998—9．36—37．
5 于振洲，汽車最新電器構造原理【M】．北京：電子工業出版社，2000-6147 151．
關鍵詞：磁粉離合器；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）QU Wen—tao，WANG Hui
（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
汽車在行駛中，左右車輪在同一時間內所滾動的路程往往是不相等的。如汽車轉彎時內側車輪行程短；左右兩車輪氣壓不等。胎面摩損不均勻，兩側車輪上的負荷不一致引起車輪的半徑不相等，左右兩輪接觸的路面條件不同，行駛阻力不等。這樣如果驅動橋的左右剛性聯接，則不論轉彎行駛或直線行駛，均會造成車輪在路面上的滑移，滑轉，導致通過性差難以操作。為此，在驅動橋的左右輪間都裝有輪間差速器，以提高車輛的通過性和操作性。目前的差速器大都為機械式即齒輪式，摩擦片式，強制鎖止式等。新設計的差速器采用磁粉摩擦介質。通過轉速傳感器，方向傳感器控制左，右輪的力矩達到了差速差力的目的。
1 磁粉離合器的設計
1．1磁粉離合器工作原理
普通磁粉離合器如圖1所示，它由導電環1，勵磁線圈2，磁粉3，轉子4，定子5組成。當勵磁線圈沒有勵磁電流時，散沙的磁粉象液體一樣不能阻礙轉子與定子的相對運動，離合器呈分離狀態；勵磁線圈通電，所產生的主磁通沿設置的磁路形成閉合回路，磁粉離合器轉子與定子這間的磁粉迅速磁化，并沿磁路結成鏈狀固態，定子與轉產生嚙合力，實現力矩傳遞。這個嚙合力的大小與勵磁線圈上的電流是線性關系。[1]如圖2所示。只要改變勵磁線圈的電流就可以得到所需要的相應大小的轉矩。
1．2雙級的雙盤式磁粉離合器
一種雙級雙盤式磁粉離合器的設計，它解決了在一根貫通軸上的恒力，差力到差速的傳動問題，可在汽車橋的傳動中得到廣泛的應用。如圖3所示。它的工作原理是磁粉離合器的定子（外殼6）轉動時當5，5’兩軸上有負載如果2，2’上沒有勵磁電流散沙似的磁粉不能阻礙4，4’轉子的轉動，因為5，5’分別與4，4’剛性連結，離合器處于分離狀態。當勵磁線圈通電時，產生的主磁通沿設置的磁路形成閉合回路，磁粉離合器主動件6定子（外殼）與從動件4，4’間的磁粉迅速磁化，沿磁路結成鏈狀固態，主動件6定子（外殼）與從動件4，4’產生齒合力，由于磁粉離合器的勵磁線圈電流與力矩成線性關系變化。勵磁電流的增大使主、從動件上的齒合力增大，從動件5，5’上的輸出扭矩增大，由圖4特性曲線可知， 輸出軸的轉矩只對應某一電流值，而與轉速無關，因此通過勵磁線圈改變勵磁電流值，達到改變輸出轉速和轉矩的目的。[2]
由于雙級雙盤式磁粉離合器它是由兩個分別獨立的勵磁線圈2。2’和兩個分別獨立的轉子4，4’組成，那么只有當勵磁線圈2，2’上的勵磁電流完全相等時，輸出5，5’上的扭矩相等，可見當改變2，2’上的勵磁電流使它們不相等時，輸出軸上的扭矩和轉速將發生變化，這個變化在5，5’上有負載時就很易控制。
2 差速器
2．1普通差速器
驅動左，右車輪，必須可以獲得由同一動力源傳遞的不同轉速的動力。這就是差速器產生的原因。其作用在不中斷動力傳遞的條件下，允許所連接的左，右驅動輪以不同的轉速旋轉，以滿足汽車行駛運動學的要求。差速器的結構型式很多，但最廣泛的是對稱式錐齒輪差速器。（圖5）普通錐齒輪差速器的工作過程如下：
（1）當左，右驅動輪速相等時，（圖5）差速器不工作。差速器外殼1連同行星齒輪2，左，右半軸齒輪3，3’同步旋轉。行星齒輪如同等臂杠桿將差速器外殼傳來的轉矩平均分配給左，右驅動車輪，汽車直線行使。
（2）當左，右驅動輪轉速不相等時，（圖5b），行星齒輪在作公轉的同時被迫自轉，以吸收左，右驅動輪的轉速差。由于差速器內磨擦力矩很小可以認為不管左，右驅動車輪的轉速是否相等，而轉矩總是平均分配的。這樣的轉矩分配特性對于汽車在好路面上直線或轉彎行駛時，效果都很好，當汽車在壞路面行駛時，卻嚴重的影響它的通過性能。一側驅動車輪接觸到泥濘或冰雪路面，即使另一則驅動車輪在不打滑的好路面上，這時由于扭矩完全分配到打滑的車輪上，使汽車在泥濘的路面上滑轉，而不能擺脫困境。這就是目前廣泛使用的普通錐齒輪差速器差速不差力的的致命缺陷[3]。
3 磁粉離合器差速器結構設計
3．1 磁粉離合器差速器的結構
磁粉離合器差速器，它是將左、右車輪上的兩根半軸分別裝雙級雙盤式磁粉離合器內的兩個轉子上，圖6所示。當主動錐齒輪n1驅動主變速齒n2旋轉時，固結在主變速器齒輪砌上的磁粉離合器定子（外殼）6一起轉動，在勵磁電流的作用下磁粉結成鏈狀固態與轉子4．4’嚙合，轉子4．4’與半軸5．5’相連向車輪7．7’傳遞扭矩。汽車在直線行駛時為了獲得左右車輪相等的扭矩只要保持兩個勵磁線圈上的電流不變就可以實現，當汽車轉變時在方向傳感器的控制下，改變2或2’上的勵磁電流就可以得到車輛行駛時左右車輪上時刻變化的轉速和扭矩，保證車輛的行駛性能。
當汽車的一側車輪完全打滑時，普通的錐齒輪差速器由于力矩完全分配到打滑的車輪上而不能行駛，磁粉離合器差速器采用方向傳感器控制，可以任意改變兩輪上的傳動力矩，使一側車輪完全打滑的車輛脫離困境。
汽車在行駛中由于胎壓的不一致，車輪的磨損成度不一樣和兩驅動輪上的負載不一樣都會出現兩輪的速度不同，為了解決這些問題，采用了方向傳感器和車輪轉速傳感器進行雙回路控制，使得行駛更安全，操作更方便，通過性更佳。
3．2 工作原理
當車輛起動磁粉離合器差速器上的電流達至最大值，與左右車輪相連的轉子完全嚙合，當汽車起步方向盤轉動與方向相連的平衡傳感器發出信號給勵磁電流分配器，勵磁電流分配器改變勵磁線圈上的電流，使轉速度低的車輪勵磁電流下降并出現滑差，轉速隨之發生變化。汽車行駛時，由于路面，胎壓的變化兩驅動輪上的傳感器將發出迅號從新分配勵磁電流保證兩輪的平衡驅動。這種磁粉離合器差速器的結構設計采用了輪間速度傳感器和方向平衡傳感器對勵磁電流的雙回路控制，所以不管左右兩側車輪上的速度和扭矩發生怎樣的變化，車輛行駛性能都會大大提高。[5]
4 結束語
為了提高汽車的行駛性能和操作性能，解決普通差速器差速不差力的問題，利用磁粉離合器恒力矩的特性和便于控制的特點，設計的雙級雙盤式磁粉離合器差速器在模擬試驗中顯示了良好的工作性能。隨著計算機控制技術在汽車中的廣泛應用對于機電一體的差速器就更顯它的優越性能，這種磁粉離合器差速器既能達到恒速恒力的目的又有制造成本低結構簡單控制方便的優點，在以后的差力差速的機械運動中都會得到應用和推廣。
參考文獻
1 卜炎．機械傳動裝置設計手冊【M】．北京：機械工業出版社，1998．343—346．
2 趙穩．磁粉離合器在高精度傳動試驗臺上的應用．機械研究與應用【I】．2004—6．87—88．
3 劉哲義。曹泗秋．汽車差速器的雙回路控制方法．汽車研究與開發【I】1999—6．14一l6．
4 郭平輝．汽車差速器的改進與設計．機械設計【I】1998—9．36—37．
5 于振洲，汽車最新電器構造原理【M】．北京：電子工業出版社，2000-6147 151．
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