苏ICP备112451047180号-6
磁流变离合器设计
1-散热器；2-硅油风扇离合器；3-风扇；4-散热器盖；5-节温器；6-进气管；7-空调系统暖风开关；8-空调系统散热器；9-气缸盖；10-气缸体；11-水泵；12-风扇皮带；13-出水管
图 1.1 冷却系统组成示意图
1.2.3 磁流变离合器
磁流变液是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料[1]。当外界不存在磁场时，它只能呈现出牛顿流体的特性，只能依靠自身的粘性传递极低的转矩；当附加一个强力磁场时，其液体粘度可以在短时间内急速增加，这样就像拥有了类似固体的特性，拥有一定的屈服应力，这样就可以传递一定的转矩。并且这种性质变化不是永久的，可以随着磁场的强弱变化而变化[2]。
磁流变液的液体粘度不会随着磁场发生变化，但它的屈服应力可以由着附加磁场进行控制，当外加磁场场强发生变化时，磁流变液性质可以产生连续变化。基于这种性质，磁流变液离合器可以快速响应发动机的温度变化，其结构也相对简单，能有效的降低燃料的消耗。
磁流变离合器能够根据周围磁场变化产生相应的屈服应力，在工作传动时提供一定的剪切应力带动从动轴旋转。采用的是传统的机械设计，其结构相对简单，设计较为简单，但是拥有较好的稳定性以及灵敏的反应。磁流变液在离合器中得以应用是因为它能够在磁场作用下其屈服应力在相应范围内产生线性变化，而且我们可以调节磁场变化实现其性质的可逆变化。
1.3 本课题工作
本课题首先介绍了汽车中冷却系统以及磁流变液的特性，由此提出了新型的风扇离合器并分析了其相对于传统离合器的优势。首先对其工作原理进行了相应介绍，分析了传递力矩的数学模型以及相应公式。再根据磁流变离合器的设计要求选用相关零部件材料，提出磁路设计以及结构设计。最终利用三维软件设计描绘出相关零件和装配模型。
总结
本文根据相关汽车电机功率冷却风扇的转速的要求，设计了本文中磁流变离合器，并对相关结构进行了设计，校核和三维建模。本设计的主要参数有传动盘的半径为65mm，双盘之间的距离为 0.7mm。通过电控设备可以调节磁场从而调节传递扭矩的大小，最大扭矩为21.1569N·m，最小为0.2959N·m，满足设计要求。该磁流变液风扇离合器其结构简单，体积轻小，而且反应灵敏，工作稳定，非常适合现在汽车节能环保，轻小化的发展。
参考文献
1.binow J．TheMagneticFluidClutch．[J]．AIEETransaction，1948，6 7：1308—1315
2.Kormann C．Laun H M．Richter H J,MR Suspensions and Associated Technology[C]．Bullogh W A，Proc of the 5th Int Conf on ER Fluids，Singapore：World Scientific，1 996，362—367．
3.吴建耀,胡林等.磁流变液的屈服应力与温度效应[J].功能材料,1997,28(2):264-266.
4.彭斌,蒋洪川,等.磁流变液智能材料、特性及器件研究[J].大自然探索,1998,(3):38-41.
5.关新春.磁流变耗能器性能的实验研究[J].地震工程与工程振动,1999,19(4):76-81.
6.李云端.磁流变体研究状况及进展[J].航空制造工程,1997,7:9-11.
7.孟光.磁流变液研究进展[J].航空学报,2002,23(1):6-12.
8.徐晓美，张明刚，曾才民.磁流变液风扇离合器的设计与分析[J].工程机械，2010，1：30-33
9.舒红宇,郭元锋.汽车磁流变风扇离合器分析与设计[J].重庆工学院学报 2008，12
10.黄金,贺建民麻坐建，周忆.智能汽车风扇离合器的分析与设计 [J]2009 中国汽车工程学会年会论文集,2009,1,3:1254-1256
11.王之栎 王大康.机械设计综合课程设计[M],机械工业出版社，2015 年 1 月，第二版
12. 马履中.机械原理与设计（下册）[M],机械工业出版社，2009 年 2 月，第一版
摘要
风扇离合器是安装在风扇带轮和风扇之间控制汽车发动机温度的装置，可以随着冷却液的温度变化控制冷却风扇工作，进而控制汽车冷却液的温度。然而汽车在不同行驶条件下对冷却温度有不同要求。当汽车内燃机工作时间较长，内部温度较高，需要散热器降低温度；当内燃机温度较低时，可以降低散热器工作强度，而散热器的工作状态主要由散热风扇运转状态控制。如此，可以控制发动机在合适温度下工作，还可以减少燃料消耗，提高发动机的工作效率。在传统汽车风扇离合器中，很难做到灵敏的控制冷却水的温度，所以我们提出了能够稳定灵敏控温磁流变离合器设计。磁流变液能够根据周围磁场变化，使得自身特质产生变化，从液体向类固体转化，使得它能够传递一定力矩。该离合器传动稳定，机构简单，能耗低等一系列优秀性能。
本文根据某汽车风扇离合器参数要求，设计出一种磁流变离合器，对其工作原理进行了相应介绍，分析了力矩传递的模型。提出了磁流变离合器的磁路设计以及结构设计，选用相关零部件材料，并对机构进行校核，绘制该离合器的相关零件图、装配图以及对其进行了三维建模。
关键字：磁流变液 风扇离合器 磁路设计 机械设计
Design of magnetorheological clutch
Abstract
The fan clutch is a device installed between the fan pulley and the fan to control the temperature of the automobile engine. The cooling fan can be controlled by changing the temperature of the coolant to control the temperature of the vehicle coolant. However, the car in different driving conditions on the cooling temperature has different requirements. When the internal combustion engine working time is longer, the internal temperature is high, need to reduce the temperature of the radiator; when the internal combustion engine temperature is low, you can reduce the radiator work intensity, and the radiator working state mainly by the cooling fan running state control. In this way, it is possible to control the engine to operate at a suitable temperature, and to reduce fuel consumption and improve the efficiency of the engine. In the traditional fan clutch, it is difficult to be sensitive to control the temperature of the coolant, so we proposed a magnetorheological clutch. Magnetorheological clutch is the use of magnetorheological fluid characteristics change control fan clutch device. When the magnetic field changes, the shear stress of the magnetorheological fluid changes, so that the torque it passes changes. The clutch transmission is stable, the mechanism is simple, low energy consumption and a series of excellent performance
In this paper, according to the requirements of an automobile fan clutch parameter, a kind of magnetorheological clutch is designed, and its working principle is introduced, and the model of torque transmission is analyzed. The magnetic circuit design and structural design of the magnetorheological clutch are proposed. The relevant parts and components are selected and the mechanism is checked. The relevant parts drawing and assembly drawing of the clutch are drawn and the three dimensions are modeled.
Key words: Magnetorheological fluid Fan clutch Magnetic circuit design Mechanical design
目 录
第 1 章 绪论 1
1.1 发动机冷却系统 1
1.1.1 发动机冷却系统组成 1
1.1.2 发动机冷却系统的作用 1
1.1.3 冷却系统的工作原理 2
1.2 目前离合器的对比 2
1.2.1 气动风扇离合器 2
1.2.2 硅油风扇离合器 2
1.2.3 磁流变离合器 3
1.3 本课题工作 4
第 2 章 磁流变液的组成和应用 5
2.1 磁流变液的组成 5
2.1.1 磁性颗粒 5
2.1.2 载液 6
2.1.3 添加剂 6
2.2 磁流变液的性能 6
2.3 磁流变效应 6
2.4 磁流变液在离合器的应用 7
第 3 章 磁流变离合器工作原理与模型分析 8
3.1 磁流变离合器工作原理 8
3.2 磁流变离合器模型分析 9
第 4 章 磁流变离合器设计 11
4.1 原始数据及处理 11
4.1.1 传动盘的半径选择 11
4.1.2 选择磁流变液 11
4.2 磁流变离合器具体设计 12
4.2.1 磁流变离合器整体结构 12
4.2.2 磁路设计 14
4.2.3 结构设计 17
第 5 章 磁流变离合器三维设计 21
5.1UG 软件简介 21
5.2UG 在磁流变离合器设计中的应用 21
总结 23
参考文献 24
致谢 25
附录
附录 A 文本复制检测报告单（简洁）
附录 B 本科生毕业·论文（设计）调研报告
附录 C 中期报告
附录 D 综述报告
附录 E 本科生毕业论文（设计）技术分析
附录 F 本科生毕业论文（设计）经济性分析
附录 G 本科生毕业论文（设计）环境分析
附录 H 外文翻译及原文
第 1 章 绪论
1.1 发动机冷却系统
1.1.1 发动机冷却系统组成
冷却系统是汽车内燃机进行温度调节的一种装置。由图 1.1 中 1.3 个零部件组成。硅油风扇离合器在其中发挥着关键的作用，冷却系统中温度调节能力主要依靠它转速的大小变化。本文为了提高离合器传动稳定性以及控温的反应灵敏度，设计出了一种新型磁流变离合器。
1-散热器；2-硅油风扇离合器；3-风扇；4-散热器盖；5-节温器；6-进气管；7-空调系统暖风开关；8-空调系统散热器；9-气缸盖；10-气缸体；11-水泵；12-风扇皮带；13-出水管
图 1.1 冷却系统组成示意图
1.1.2 发动机冷却系统的作用
发动机冷却系统的作用是利用重汽配件的冷却介质冷却液，将发动机受热零部件的热量及时传导出去，保证零部件在允许温度条件下正常工作。当然内燃机不可能一直处于降温状态，适宜的温度能够使它拥有良好的工作状态，过低的温度会产生以下缺点：机油粘性随着温度降低而升高，润滑效果变差，是得内燃机磨损加大，减少其寿命；内燃机气缸因为在低温状态下容易出现腐蚀磨损。这些都是温度较低情况下对内燃机的危害，当然温度过高可能使内燃机直接爆缸，甚至使汽车爆炸，对我们的人身安全造成巨大的损害。冷却液不是一般的水溶液，是一种拥有防冻功能而且可以耐高温的特殊化学
物品。它可以降低液体的凝固点，使得液体在较低温度下不易冻结。在世界各地不同的地区根据需求调节不同的凝固点。冷却液能有效防止内燃机冷却水在冬季结冰，体积发生膨胀使散热器和气缸发生形变甚至破裂，还可以有效防止高温情况下空气中氧气与金属发生反应，氧化内部构件。
1.1.3 冷却系统的工作原理
水冷是现在汽车内燃机的冷却系统选择的主流，它的存在一定程度上提高行驶速度的上限。风冷效率较低，当汽车在高速运动中才可以有效降低内燃机的温度。它使在内燃机气缸外表装上一层铝片，由冷却风扇不断吹着铝片，利用高速气流带走高温，使得内燃机温度降低。而水冷系统中是冷却液吸收热量并将热量传递到了散热器处，风扇不停转动带走上面的高温，由此到达散热器处的冷却水可以被降低温度。降低了温度的冷却液再次回到水套中，这样内燃机工作温度就此循环中得到降低。
1.2 目前离合器的对比
1.2.1 气动风扇离合器
气动风扇离合器是利用空气作为动力进行离合工作的一种装置。汽车内部装有空气压缩机，它能够压缩空气并将压缩后的空气传导到离合器处，根据压缩空气是否供给进行离合器的分离和结合。该离合器虽然结构简单，成本不高，但是它们的转速都是不能够调节的，直接就是控制风扇的开与关。虽然后期对这两种离合器有过改进，改变了结构或者控制方式。但是结果使得它们的结构变得复杂化，成本相应提高，可靠程度也降低了。
1.2.2 硅油风扇离合器
现在汽车多采用的是硅油离合器。硅油作为传递扭矩的介质是由于本身液体粘度较大，而且可以通过控制提供其量的多少控制在离合器中传递力矩的大小。该离合器中一般设置有温度敏感元件，由内燃机的温度变化控制硅油的供给量，进而控制风扇的转速。当内燃机工作温度过高，温度传感器发出信号，减少硅油供量，风扇转速降低，使得冷却效果增加；反之，使得效果减小。该种离合器可以较好的随着内燃机温度变化调节风扇转速，如此适当的降低了燃料损耗，增大了能量转化效率。同时可以使发动机维持在合适的工作环境，提高它使用年限。当然它也存在较大的缺点：它无法使风扇真正的分离以及同步旋转。它是由硅油的剪切作用提供转矩，传递效率在 0.3 到 0.9 之间。虽说该离合器可以实现无级调速，但是它的机构复杂，传感器灵敏度较低，当发动机短时间内温度快速增加或者快速降低，传感器不能快速的感知并即时反应。由此，硅油注入量变化不及时，风扇转速的变化也会迟滞。由此它无法敏锐的根据发动机环境变化进行调整。发动机冷却系统的作用是利用重汽配件的冷却介质冷却液，将发动机受热零部件的热量及时传导出去，保证零部件在允许温度条件下正常工作。当然内燃机不可能一直处于降温状态，适宜的温度能够使它拥有良好的工作状态，过低的温度会产生以下缺点：机油粘性随着温度降低而升高，润滑效果变差，是得内燃机磨损加大，减少其寿命；内燃机气缸因为在低温状态下容易出现腐蚀磨损。这些都是温度较低情况下对内燃机的危害，当然温度过高可能使内燃机直接爆缸，甚至使汽车爆炸，对我们的人身安全造成巨大的损害。冷却液不是一般的水溶液，是一种拥有防冻功能而且可以耐高温的特殊化学
物品。它可以降低液体的凝固点，使得液体在较低温度下不易冻结。在世界各地不同的地区根据需求调节不同的凝固点。冷却液能有效防止内燃机冷却水在冬季结冰，体积发生膨胀使散热器和气缸发生形变甚至破裂，还可以有效防止高温情况下空气中氧气与金属发生反应，氧化内部构件。
1.1.3 冷却系统的工作原理
水冷是现在汽车内燃机的冷却系统选择的主流，它的存在一定程度上提高行驶速度的上限。风冷效率较低，当汽车在高速运动中才可以有效降低内燃机的温度。它使在内燃机气缸外表装上一层铝片，由冷却风扇不断吹着铝片，利用高速气流带走高温，使得内燃机温度降低。而水冷系统中是冷却液吸收热量并将热量传递到了散热器处，风扇不停转动带走上面的高温，由此到达散热器处的冷却水可以被降低温度。降低了温度的冷却液再次回到水套中，这样内燃机工作温度就此循环中得到降低。
1.2 目前离合器的对比
1.2.1 气动风扇离合器
气动风扇离合器是利用空气作为动力进行离合工作的一种装置。汽车内部装有空气压缩机，它能够压缩空气并将压缩后的空气传导到离合器处，根据压缩空气是否供给进行离合器的分离和结合。该离合器虽然结构简单，成本不高，但是它们的转速都是不能够调节的，直接就是控制风扇的开与关。虽然后期对这两种离合器有过改进，改变了结构或者控制方式。但是结果使得它们的结构变得复杂化，成本相应提高，可靠程度也降低了。
1.2.2 硅油风扇离合器
1.2.3 磁流变离合器
磁流变液是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料[1]。当外界不存在磁场时，它只能呈现出牛顿流体的特性，只能依靠自身的粘性传递极低的转矩；当附加一个强力磁场时，其液体粘度可以在短时间内急速增加，这样就像拥有了类似固体的特性，拥有一定的屈服应力，这样就可以传递一定的转矩。并且这种性质变化不是永久的，可以随着磁场的强弱变化而变化[2]。
磁流变液的液体粘度不会随着磁场发生变化，但它的屈服应力可以由着附加磁场进行控制，当外加磁场场强发生变化时，磁流变液性质可以产生连续变化。基于这种性质，磁流变液离合器可以快速响应发动机的温度变化，其结构也相对简单，能有效的降低燃料的消耗。
磁流变离合器能够根据周围磁场变化产生相应的屈服应力，在工作传动时提供一定的剪切应力带动从动轴旋转。采用的是传统的机械设计，其结构相对简单，设计较为简单，但是拥有较好的稳定性以及灵敏的反应。磁流变液在离合器中得以应用是因为它能够在磁场作用下其屈服应力在相应范围内产生线性变化，而且我们可以调节磁场变化实现其性质的可逆变化。
1.3 本课题工作
本课题首先介绍了汽车中冷却系统以及磁流变液的特性，由此提出了新型的风扇离合器并分析了其相对于传统离合器的优势。首先对其工作原理进行了相应介绍，分析了传递力矩的数学模型以及相应公式。再根据磁流变离合器的设计要求选用相关零部件材料，提出磁路设计以及结构设计。最终利用三维软件设计描绘出相关零件和装配模型。
总结
本文根据相关汽车电机功率冷却风扇的转速的要求，设计了本文中磁流变离合器，并对相关结构进行了设计，校核和三维建模。本设计的主要参数有传动盘的半径为65mm，双盘之间的距离为 0.7mm。通过电控设备可以调节磁场从而调节传递扭矩的大小，最大扭矩为21.1569N·m，最小为0.2959N·m，满足设计要求。该磁流变液风扇离合器其结构简单，体积轻小，而且反应灵敏，工作稳定，非常适合现在汽车节能环保，轻小化的发展。
参考文献
1.binow J．TheMagneticFluidClutch．[J]．AIEETransaction，1948，6 7：1308—1315
2.Kormann C．Laun H M．Richter H J,MR Suspensions and Associated Technology[C]．Bullogh W A，Proc of the 5th Int Conf on ER Fluids，Singapore：World Scientific，1 996，362—367．
3.吴建耀,胡林等.磁流变液的屈服应力与温度效应[J].功能材料,1997,28(2):264-266.
4.彭斌,蒋洪川,等.磁流变液智能材料、特性及器件研究[J].大自然探索,1998,(3):38-41.
5.关新春.磁流变耗能器性能的实验研究[J].地震工程与工程振动,1999,19(4):76-81.
6.李云端.磁流变体研究状况及进展[J].航空制造工程,1997,7:9-11.
7.孟光.磁流变液研究进展[J].航空学报,2002,23(1):6-12.
8.徐晓美，张明刚，曾才民.磁流变液风扇离合器的设计与分析[J].工程机械，2010，1：30-33
9.舒红宇,郭元锋.汽车磁流变风扇离合器分析与设计[J].重庆工学院学报 2008，12
10.黄金,贺建民麻坐建，周忆.智能汽车风扇离合器的分析与设计 [J]2009 中国汽车工程学会年会论文集,2009,1,3:1254-1256
11.王之栎 王大康.机械设计综合课程设计[M],机械工业出版社，2015 年 1 月，第二版
12. 马履中.机械原理与设计（下册）[M],机械工业出版社，2009 年 2 月，第一版