CN103603891A - 多片式磁流变液电磁离合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多片式磁流变液电磁离合器，采用多片式结构，利用磁流变液作为介质充满电磁离合器的多个主、从动摩擦片间的间隙，形成多个磁流变液工作环面，间隙磁场强度大，分布合理，传递力矩大，可用较小励磁电流控制较大的传递功率，易于实现自动控制，保证接合和分离过程的平稳性；输入、输出轴均采用两端支承，和壳体组成一个整体安装在机架内，结构紧凑、刚性比较好，安装维护方便；结构简单，可靠性高，传动平稳，适用于各种中小型自动化设备和伺服传动装置。

Description

多片式磁流变液电磁离合器

技术领域

本发明属于电磁离合器技术领域，特别是一种多片式磁流变液电磁离合器。

背景技术

离合器，是利用“离”与“合”来传递机械的运动和动力的装置。由于近代科学技术及工业的迅速发展，对离合器传动提出了越来越高的要求，主要是高承载能力、高效率、高可靠性、外形尺寸小、重量轻，分离、接合迅速、平稳无冲击，在各种自动化设备中要求能实现远距离的自动操作和控制。

长期以来，摩擦式离合器是应用得最广，也是历史最久的一类离合器，但其容易发热和磨损。为了提高离合器传动的质量、可靠性以及减轻离合器传动装置的重量，人们做了大量的研究工作，发展了各种新型离合器，磁粉离合器就是其中之一，它通过在传动装置的主动件与从动件之间放置磁粉，实现不通电时磁粉处于松散状态，通电时磁粉结合，使主动件与从动件结合和分离，达到主、从动件之间运动和动力的传递和中断，磁粉离合器的离合力矩可以实现可控，但其力矩保持稳定性较差，并且易于发热。雅各布·拉比诺在1951年发布了一项磁流变液专利，磁流变液（Magnetorheological Fluid）属可控流体，它是一种可随外加磁场使自身的粘度发生变化的液体。它以一种完美和独特的方式在电信号和机械装置之间架设了一座桥梁。欧洲专利EP0882904A1，Magnetorheological Fluid Fan Clutch（磁流变扇形离合器），公布了一种磁流变液单盘式离合器，它引入磁流变液作为动力传递媒介，通过电磁线圈产生的磁场改变其流变特性，从而控制传递的扭矩和传动比，但由于采用单盘式结构，传递的转矩较小。中国专利CN1648483A公布了一种应用磁流变液的软启动装置，它改善了盘式磁流变传动装置的磁流变液的冷却状况，从而有效地延长设备的使用寿命，但传递转矩较低，结构尺寸较大。中国专利CN1295453C公布了一种磁流变液无级变速器，该装置采用V形工作间隙，装置结构简单，能够实现无级变速，装置所能传递的转矩比单圆盘式大，但其轴向结构尺寸大，工作时伴有轴向载荷，支承结构比较复杂。中国专利CN2575371Y公布了一种双圆锥盘式磁流变传动装置，该装置传递载荷比单圆锥盘式大，轴向载荷可以抵消，但其结构尺寸大并且制造加工较复杂，但所能传递的转矩也不如多片式的大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可在各种自动化机械装置中用于运动和动力的结合与分离操作，并能实现平稳启动，结构紧凑，调节、控制方便，传递力矩大，可实现过载保护的多片式磁流变液电磁离合器。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种多片式磁流变液电磁离合器，包括输入轴组件、输出轴组件和固定机架；输入轴组件包括输入轴、主动摩擦片、隔环和弹性挡圈；输出轴组件包括输出轴、从动摩擦片、输入端壳体、输出端壳体、励磁线圈、转子滑环和定位销；固定机架包括输入端机架、输出端机架、输入端盖、输出端盖、定子滑环和接线柱；输入轴的中部通过花键与N个主动摩擦片动联接，N≥2，主动摩擦片之间通过隔环隔开，最外侧的主动摩擦片在输入轴上靠近输入端用轴肩轴向定位，远离输入端由固定在输入轴上的弹性挡圈定位，输入轴上轴肩和弹性挡圈的外侧分别安装有一个唇型密封圈，两唇型密封圈的开口向对，两唇型密封圈的外径与壳体配合，输入轴上在唇型密封圈的外侧分别安装有一对滚动轴承；输出轴在远离输出端的法兰面通过螺钉与输出端壳体相连接，输出端壳体圆周方向又通过螺钉与输入端壳体连接，输入端壳体和输出端壳体的内部形成一个安装主动摩擦片、从动摩擦片和励磁线圈的工作空间，从动摩擦片由外侧的一个圆环面和内侧的N-1个圆盘面组成，输出端壳体内侧端面通过凸起的环面对从动摩擦片圆周方向定位，并通过圆柱销与从动摩擦片相连接，从动摩擦片的圆盘面间隙设置在两个主动摩擦片之间，从动摩擦片的外圆环面上设置有励磁线圈，励磁线圈的外圆与输入端壳体和输出端壳体的内环面相配合，输入端壳体和输出端壳体的两侧内孔中的滚动轴承，将输入端壳体和输出端壳体支承在输入轴上，滚动轴承的内侧装有的一对唇型密封圈将输入轴、输入端壳体、输出端壳体、主动摩擦片及从动摩擦片之间的空间密闭，输入端壳体、输出端壳体的内侧端面和主动摩擦片之间以及主动摩擦片和从动摩擦片之间形成多个环形间隙空间，间隙空间内充填磁流变液；在输出端壳体的外环面上设置有转子滑环并开有出线孔，壳体内的励磁线圈通过导线与转子滑环连接；输入轴组件和输出轴组件通过一对滚动轴承分别支承在输入端机架和输出端机架的内孔中，输入端机架、输出端机架在圆周方向通过螺钉相连接，输入轴组件和输出轴组件组成的转动部件，左侧通过输入端盖与输入轴上靠近输入端的滚动轴承实现轴向定位，右侧通过输出端盖与安装在输出轴上靠近输出端的滚动轴承实现轴向定位，输入端盖和输出端盖分别固定安装在输入端机架和输出端机架的外端面上，输入端盖和输出端盖内孔与输入轴和输出轴之间分别安装有密封圈；在输出端机架的内侧环面上安装有定子滑环，所述定子滑环与设置在输出端壳体外侧的转子滑环动配合，定子滑环又与安装在输出端机架外壳上的接线柱相连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

（1）本发明结构的摩擦片采用多片式圆盘结构，结构紧凑，安装调整方便，主从动摩擦片之间的间隙可通过调整隔环调整到合适的间隙，由于励磁线圈直接安装在转动的壳体外侧，靠近磁流变液充填的间隙磁场，同样的励磁电流可以保证离合器的间隙磁场有较高的磁场强度和合理的磁场分布。

（2）本发明结构由于形成多个磁流变液充填工作环面，同样的结构体积和励磁线圈功率下传动的扭矩比单圆盘式和圆锥盘式来得大。

（3）本发明结构由于转动的壳体通过一对轴承支承在输入轴上，输入、输出轴和转动壳体所构成的转动部件也是两端支承机架上，支承刚性比较好，承载能力较大。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明多片式磁流变液电磁离合器的结构示意图。

图2是本发明多片式磁流变液电磁离合器的摩擦片联接结构示意图。

图3是本发明多片式磁流变液电磁离合器的控制原理图。

具体实施方式

本发明一种多片式磁流变液电磁离合器，包括输入轴组件、输出轴组件和固定机架；输入轴组件包括输入轴1、主动摩擦片4、隔环13和弹性挡圈17；输出轴组件包括输出轴15、从动摩擦片5、输入端壳体3、输出端壳体16、励磁线圈6、转子滑环9和定位销12；固定机架包括输入端机架18、输出端机架11、输入端盖19、输出端盖14、定子滑环8和接线柱7；输入轴1的中部通过花键与N个主动摩擦片4动联接，N≥2，主动摩擦片4之间通过隔环13隔开，最外侧的主动摩擦片4在输入轴1上靠近输入端用轴肩轴向定位，远离输入端由固定在输入轴1上的弹性挡圈17定位，输入轴1上轴肩和弹性挡圈17的外侧分别安装有一个唇型密封圈，两唇型密封圈的开口向对，两唇型密封圈的外径与壳体配合，输入轴1上在唇型密封圈的外侧分别安装有一对滚动轴承；输出轴15在远离输出端的法兰面通过螺钉与输出端壳体16相连接，输出端壳体16圆周方向又通过螺钉与输入端壳体3连接，输入端壳体3和输出端壳体16的内部形成一个安装主动摩擦片4、从动摩擦片5和励磁线圈6的工作空间，从动摩擦片5由外侧的一个圆环面和内侧的N-1个圆盘面组成，输出端壳体16内侧端面通过凸起的环面对从动摩擦片5圆周方向定位，并通过圆柱销12与从动摩擦片5相连接，从动摩擦片5的圆盘面间隙设置在两个主动摩擦片4之间，从动摩擦片5的外圆环面上设置有励磁线圈6，励磁线圈6的外圆与输入端壳体3和输出端壳体16的内环面相配合，输入端壳体3和输出端壳体16的两侧内孔中的滚动轴承，将输入端壳体3和输出端壳体16支承在输入轴1上，滚动轴承的内侧装有的一对唇型密封圈将输入轴1、输入端壳体3、输出端壳体16、主动摩擦片4及从动摩擦片5之间的空间密闭，输入端壳体3、输出端壳体16的内侧端面和主动摩擦片4之间以及主动摩擦片4和从动摩擦片5之间形成多个环形间隙空间，间隙空间内充填磁流变液；在输出端壳体16的外环面上设置有转子滑环9并开有出线孔，壳体内的励磁线圈6通过导线10与转子滑环9连接；输入轴组件和输出轴组件通过一对滚动轴承分别支承在输入端机架18和输出端机架11的内孔中，输入端机架18、输出端机架11在圆周方向通过螺钉相连接，输入轴组件和输出轴组件组成的转动部件，左侧通过输入端盖19与输入轴1上靠近输入端的滚动轴承实现轴向定位，右侧通过输出端盖14与安装在输出轴15上靠近输出端的滚动轴承实现轴向定位，输入端盖19和输出端盖14分别固定安装在输入端机架18和输出端机架11的外端面上，输入端盖19和输出端盖14内孔与输入轴1和输出轴15之间分别安装有密封圈；在输出端机架11的内侧环面上安装有定子滑环8，所述定子滑环8与设置在输出端壳体16外侧的转子滑环9动配合，定子滑环8又与安装在输出端机架11外壳上的接线柱7相连接。

从动摩擦片5圆环面和圆盘面一体成型或通过花键动联接。

输出端机架11的圆周方向开孔。

输入端盖19和输出端盖14通过螺钉分别安装在输入端机架18和输出端机架11的外端面上。

结合图1和图2：

一种多片式磁流变液电磁离合器，其结构主要由输入轴组件、输出轴组件和固定的机架三部分组成。输入轴组件由输入轴1及安装在轴上的转动零件组成，输入轴1输入端安装有键，输入轴1的中部通过花键与两个个主动摩擦片4动联接（如附图2），两主动摩擦片4之间通过隔环13隔开，通过调节隔环13的厚度可调节主动摩擦片4与从动摩擦片5之间的间隙，主动摩擦片4在输入轴1上靠近输入端用轴肩轴向定位，远离输入端由固定在输入轴1上的弹性挡圈17定位，输入轴1上轴肩和弹性挡圈17的外侧分别安装有一个唇型密封圈，两唇型密封圈的开口向对，两唇型密封圈的外径与壳体配合，输入轴1上在唇型密封圈的外侧分别安装有一对滚动轴承，保证输入轴1、主动摩擦片4及安装在输入轴1上的其它零件能相对壳体进行转动；

输出轴15在远离输出端的法兰面通过螺钉与输出端壳体16相连接，输出端壳体16圆周方向又通过螺钉与输入端壳体3连接，输入端壳体3和输出端壳体16的内部形成一个安装主动摩擦片4、从动摩擦片5和励磁线圈6的工作空间，从动摩擦片5的截面做成T字形结构，由外侧的一个圆环面和内侧的一个圆盘面组成，输出端壳体16内侧端面通过凸起的环面对从动摩擦片5圆周方向定位，并通过圆柱销12与从动摩擦片5相连接，从动摩擦片5的圆盘面间隙设置在两个主动摩擦片4之间，从动摩擦片5的外圆环面上设置有励磁线圈6，励磁线圈6的外圆与输入端壳体3和输出端壳体16的内环面相配合，输入端壳体3和输出端壳体16的两侧内孔中的滚动轴承，将输入端壳体3和输出端壳体16支承在输入轴1上，滚动轴承的内侧装有的一对唇型密封圈将输入轴1、输入端壳体3、输出端壳体16、主动摩擦片4及从动摩擦片5之间的空间密闭，输入端壳体3、输出端壳体16的内侧端面和主动摩擦片4之间以及主动摩擦片4和从动摩擦片5之间形成多个环形间隙空间，间隙空间内充填磁流变液，所述的唇型密封圈可保证上述空间内充填的磁流变液不会泄漏；在输出端壳体16的外环面上设置有用于导电的转子滑环9并开有出线孔，壳体内的励磁线圈6通过导线10与转子滑环9连接；

输入轴组件和输出轴组件通过一对滚动轴承分别支承在输入端机架18和输出端机架11的内孔中，输入端机架18、输出端机架11在圆周方向通过螺钉相连接；

输入轴组件和输出轴组件组成的转动部件，左侧通过输入端盖19与输入轴1上靠近输入端盖19的滚动轴承实现轴向定位，右侧通过输出端盖14与安装在输出轴15上靠近输出端盖14的滚动轴承实现轴向定位，所述输入端盖19和输出端盖14通过螺钉分别安装在输入端机架18和输出端机架11的外端面上，输入端盖19、输出端盖14内孔与输入轴1和输出轴15之间分别安装有密封圈，对整个离合器进行密封；

在输出端机架11的内侧环面上安装有定子滑环8，所述定子滑环8与设置在输出端壳体16外侧的转子滑环9动配合，定子滑环8又与安装在输出端机架11外壳上的接线柱7相连接，电源通过接线柱7、定子滑环8和转子滑环9给转动的励磁线圈供电，以保证壳体带着励磁线圈转动时能保持通电状态，以保证磁流变液离合器的正常工作，并在输出端机架11的圆周方向开有多个小孔，保证机架内转动部件与外面的空气流通，并将离合器工作时产生的热量及时散发出去。

结合图3，本发明的一种多片式磁流变液电磁离合器采用采用基于PWM直流PID的离合和调速控制系统。它由单片机22、安装在输出轴15上角速度传感器20、A/D转换系统21、PWM脉宽调制信号发生器23、开关元件24和电流调理电路25等组成。安装在输出轴15上的角速度传感器20用于测出输出转速的模拟电信号，通过A/D转换系统21变成转速的数字信号，传输给单片机22并与电机26的输入转速进行比较，所述单片机22可控制PWM发生器23产生脉宽调制信号，通过控制占空比来控制开关元件24的关断时间，从而以控制电流调理电路25的通断时间的方式按比例调节励磁线圈6的电流大小，改变磁流变液的间隙磁场强度，进而改变磁流变液的粘滞力矩，达到调节输出扭矩和输出轴的转速的目的。此控制系统设计乃本领域的惯常设计。

本发明的磁流变液电磁离合器的工作过程为：当离合器的电磁线圈6没通电时，磁流变液呈牛顿流体，液体中的散砂状的悬浮粒子与主动摩擦片4、从动摩擦片5及输入端壳体3、输出端壳体16之间的粘滞力接近于零，输入轴1带动主动摩擦片4转动时不会通过磁流变液带动从动摩擦片5转动，因此，与从动摩擦片5连接的输入端壳体3和输出轴15静止，使离合器处于分离状态。当励磁线圈6通入电流后，主动摩擦片4、从动摩擦片5和输入端壳体3、输出端壳体16端面之间的间隙内形成磁场，其中的磁流变液中的悬浮粒子在磁场作用下产生磁化，沿磁场方向相互吸引形成链状，这种链状结构增大了磁流变液的相对运动时的剪切阻力，因此，当输入轴1带动主动摩擦片4转动时，通过磁流变液的剪切力产生的粘滞力矩带动从动摩擦片5转动，从而通过输入端壳体3和输出端壳体16带动输出轴15转动，使离合器处于结合状态，传递运动和力矩。输出轴带着安装在壳体内的励磁线圈转动时，通过安装在壳体外的转子滑环9与安装在输出端机架11内定子滑环8保持动态接触，并通过与定子滑环8连接的接线柱7持续给励磁线圈6通电，保证离合器的持续正常运行；随着励磁线圈6的通电电流的增大，磁流变液的粘度增加，磁流变液的剪切产生的粘滞力矩增加，能够克服的输出轴15上的阻力矩增加，输入轴1和输出轴15间的转动滑差减小，直至输入和输出轴同步旋转。当断电时，主动摩擦片4和从动摩擦片5之间的磁场消失，磁流变液又迅速转变为牛顿流体，此时，由于流体的粘性很小，而流体中的散砂状的悬浮粒子又不能阻碍主动摩擦片4与从动摩擦片5之间的相对转动，离合器又迅速脱开。当输出轴15上的负载变化时，输出轴的转速会出现波动，安装在输出轴15上的角速度传感器20测出输出转速的模拟电信号，通过A/D转换系统21变成转速的数字信号，传输给单片机22并与电机26的输入转速进行比较得到输入轴1、输出轴15的转速差，单片机22根据输入、输出轴转速差的大小控制PWM发生器23产生的脉宽调制信号的占空比来控制开关元件24的关断时间比例，从而以控制电流调理电路25的通断时间的方式按比例调节励磁线圈6的电流大小，改变磁流变液的间隙磁场强度进而改变磁流变液的粘滞力矩，从而调节输出扭矩和输出轴的转速，以达到稳定输出转速的目的。通过基于PWM直流PID的离合和调速控制系统，可控制励磁线圈6电流的大小和变化的速率，从而控制离合器离合的时间，保证离合器结合和分离工作的平顺性，并可保证机械装置平稳启动，避免振动和冲击。

Claims (5)

1.一种多片式磁流变液电磁离合器，其特征在于：包括输入轴组件、输出轴组件和固定机架；输入轴组件包括输入轴（1）、主动摩擦片（4）、隔环（13）和弹性挡圈（17）；输出轴组件包括输出轴（15）、从动摩擦片（5）、输入端壳体（3）、输出端壳体（16）、励磁线圈（6）、转子滑环（9）和定位销（12）；固定机架包括输入端机架（18）、输出端机架（11）、输入端盖（19）、输出端盖（14）、定子滑环（8）和接线柱（7）；输入轴（1）的中部通过花键与N个主动摩擦片（4）动联接，N≥2，主动摩擦片（4）之间通过隔环（13）隔开，最外侧的主动摩擦片（4）在输入轴（1）上靠近输入端用轴肩轴向定位，远离输入端由固定在输入轴（1）上的弹性挡圈（17）定位，输入轴（1）上轴肩和弹性挡圈（17）的外侧分别安装有一个唇型密封圈，两唇型密封圈的开口向对，两唇型密封圈的外径与壳体配合，输入轴（1）上在唇型密封圈的外侧分别安装有一对滚动轴承；输出轴（15）在远离输出端的法兰面通过螺钉与输出端壳体（16）相连接，输出端壳体（16）圆周方向又通过螺钉与输入端壳体（3）连接，输入端壳体（3）和输出端壳体（16）的内部形成一个安装主动摩擦片（4）、从动摩擦片（5）和励磁线圈（6）的工作空间，从动摩擦片（5）由外侧的一个圆环面和内侧的N-1个圆盘面组成，输出端壳体（16）内侧端面通过凸起的环面对从动摩擦片（5）圆周方向定位，并通过圆柱销（12）与从动摩擦片（5）相连接，从动摩擦片（5）的圆盘面间隙设置在两个主动摩擦片（4）之间，从动摩擦片（5）的外圆环面上设置有励磁线圈（6），励磁线圈（6）的外圆与输入端壳体（3）和输出端壳体（16）的内环面相配合，输入端壳体（3）和输出端壳体（16）的两侧内孔中的滚动轴承，将输入端壳体（3）和输出端壳体（16）支承在输入轴（1）上，滚动轴承的内侧装有的一对唇型密封圈将输入轴（1）、输入端壳体（3）、输出端壳体（16）、主动摩擦片（4）及从动摩擦片（5）之间的空间密闭，输入端壳体（3）、输出端壳体（16）的内侧端面和主动摩擦片（4）之间以及主动摩擦片（4）和从动摩擦片（5）之间形成多个环形间隙空间，间隙空间内充填磁流变液；在输出端壳体（16）的外环面上设置有转子滑环（9）并开有出线孔，壳体内的励磁线圈（6）通过导线（10）与转子滑环（9）连接；输入轴组件和输出轴组件通过一对滚动轴承分别支承在输入端机架（18）和输出端机架（11）的内孔中，输入端机架（18）、输出端机架（11）在圆周方向通过螺钉相连接，输入轴组件和输出轴组件组成的转动部件，左侧通过输入端盖（19）与输入轴（1）上靠近输入端的滚动轴承实现轴向定位，右侧通过输出端盖（14）与安装在输出轴（15）上靠近输出端的滚动轴承实现轴向定位，输入端盖（19）和输出端盖（14）分别固定安装在输入端机架（18）和输出端机架（11）的外端面上，输入端盖（19）和输出端盖（14）内孔与输入轴（1）和输出轴（15）之间分别安装有密封圈；在输出端机架（11）的内侧环面上安装有定子滑环（8），所述定子滑环（8）与设置在输出端壳体（16）外侧的转子滑环（9）动配合，定子滑环（8）又与安装在输出端机架（11）外壳上的接线柱（7）相连接。

2.根据权利要求1所述的一种多片式磁流变液电磁离合器，其特征在于：所述的从动摩擦片（5）圆环面和圆盘面一体成型。

3.根据权利要求1所述的一种多片式磁流变液电磁离合器，其特征在于：所述的从动摩擦片（5）圆环面和圆盘面通过花键动联接。

4.根据权利要求1所述的一种多片式磁流变液电磁离合器，其特征在于：所述的输出端机架（11）的圆周方向开孔。

5.根据权利要求1所述的一种多片式磁流变液电磁离合器，其特征在于：所述的输入端盖（19）和输出端盖（14）通过螺钉分别安装在输入端机架（18）和输出端机架（11）的外端面上。

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