CN105626754A - 一种基于蛇形磁路的多片旋转式磁流变液阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蛇形磁路的多片旋转式磁流变液阻尼器，该阻尼器采用定阻尼片和动阻尼片相结合的多片分层结构，同时采用蛇形磁路设计，通过增加磁力线穿过磁流变液的次数、减小工作间隙的厚度、提高磁流变液在阻尼片上的有效工作面积等方法，来提高阻尼器的工作效率和可调输出阻尼力矩范围，显著提升了阻尼器的性能。当阻尼器固定后，在励磁线圈中通入电流可激发磁场来改变工作介质的状态，操作者转动阻尼器的转子部分，即可感受到阻尼器输出的被动力矩。该阻尼器各个结构紧凑，密封结构简单，密封效果好，具有能耗低、磁流变液用量少、零电流初始阻尼力矩小、输出阻尼力矩连续可调和范围大等优点。

Description

一种基于蛇形磁路的多片旋转式磁流变液阻尼器

技术领域

本发明主要涉及一种旋转式阻尼器，尤其是基于蛇形磁路的多片旋转式磁流变液阻尼器。

背景技术

磁流变液是一种在不导磁载体液中加入铁磁性易磁化固体颗粒和稳定剂而形成的悬浮状混合液。当磁场作用与磁流变液时，在载体液中随机分布的铁磁颗粒会被磁化，并迅速形成沿磁场方向并列排列的多个颗粒链，磁场强度越强，则颗粒链增多、加粗，从而提高了磁流变液的剪切屈服强度。利用磁流变液研制的阻尼器是一种半主动式执行器，其工作时能够根据外部控制条件的改变，实时调整自身结构的动力学特性，以便跟随受控对象的状态变化，实现对受控对象的最优控制。相对于主动式执行器，如电机、液压和电磁驱动装置等，磁流变液阻尼器只能产生被动力反馈，工作过程中不会向受控系统输入能量，因此没有引起受控系统失稳或对操作者产生危害的风险。同时，相对于被动式执行器，如弹簧、机械摩擦片等，磁流变液阻尼器能够跟随受控对象的状态变化而调整自身的动力学特性，实时追踪和实现受控对象的最优状态响应，因而兼具了主动式执行器和被动式执行器的优点，具有响应速度快、适应能力强等特点，同时使装置结构简单、工作稳定和安全可靠。

磁流变液阻尼器可按照不同的需求和用途进行设计，主要包括结构设计、励磁设计和动力学特性设计。其中结构设计主要考虑阻尼器的形状、材质、体积、重量和密封结构等因素，励磁设计主要考虑励磁线圈的材质和匝数、励磁电流的大小，以及励磁控制的方法等因素；动力学特性设计主要考虑输出阻尼力矩的大小、动态可调范围和调控模型等因素。以上这些因素均会对阻尼器的性能产生影响，且各因素之间相互影响和约束，因此为了设计出具有高性能的磁流变液阻尼器，需要采用合理的结构设计，高效利用磁流变液，减少磁场能量损失和励磁线圈的发热量，使阻尼器在满足动力学特性需求的基础上，兼顾体积、重量、密封和励磁控制方法复杂度等因素。

发明内容

技术问题：本发的目的是提出一种基于蛇形磁路的多片旋转式磁流变液阻尼器，该阻尼器采用定阻尼片和动阻尼片相结合的多片分层结构，同时采用蛇形磁路设计，能够使磁力线8次穿过工作间隙内的磁流变液，有效提高了磁流变液的利用效率和阻尼器的动力学特性，具有体积小、能耗低、磁流变液用量少、零电流初始阻尼力矩小、输出阻尼力矩大和可调范围宽的特点。

技术方案：本发明的一种基于蛇形磁路的多片旋转式磁流变液阻尼器，主要由转子部分、定子部分、工作介质、励磁部分和密封固定部分组成。该阻尼器包括转轴、O型密封圈、隔磁密封环、电流输入线、前封盖、前端盖、外壳、励磁线圈、后端盖、后封盖、间隔片、定阻尼片、动阻尼片、支撑套、绕线筒、螺钉、磁流变液、垫片和轴承。

所述的转子部分由转轴、动阻尼片和支撑套组成；定子部分由前端盖、外壳、后端盖、间隔片、定阻尼片和绕线筒组成；工作介质是指填充于转子部分、定子部分和隔磁密封环之间空隙内的磁流变液；励磁部分是指缠绕于外壳、间隔片和绕线筒之间空腔内的励磁线圈，以及通过前封盖和前端盖上的小孔引出的电流输入线；密封固定部分主要由O型密封圈、隔磁密封环、前封盖、后封盖、螺钉、垫片和轴承组成。

所述的前端盖、外壳、后端盖、定阻尼片、动阻尼片、绕线筒均由导磁金属材料制成；转轴、O型密封圈、隔磁密封环、前封盖、后封盖、间隔片、支撑套、螺钉、垫片和轴承均由非导磁金属材料制成；励磁线圈由漆包铜导线在间隔片和绕线筒的外壁上绕制而成；磁流变液为Lord公司生产的MRF-122EG型磁流变液。

所述的转子部分，转轴中部有一个圆形挡板，圆形挡板的两侧均分别通过矩形花键联接一个动阻尼片、一个支撑套和另一个动阻尼片，圆形挡板的外径与动阻尼片相同。

所述的定子部分，间隔片是两侧有凸起的法兰垫片，前端盖、后端盖和绕线筒的两侧均能与间隔片相配合，且它们具有相同的内径；间隔片的内表面开有十字形分布的导槽，定阻尼片可十字形嵌套在间隔片的导槽中。

所述的支撑套带有向外延伸的环行圆片，其放置的位置介于两个动阻尼片之间；支撑套的环行圆片夹在定阻尼片和动阻尼片之间，其外圆柱面与定阻尼片的内圆柱面同轴心，但保持一个很小的间隙。

所述的轴承用于固定转轴，并减少转轴转动时的摩擦力；O型密封圈用于对转轴、轴承和前、后封盖进行密封；前封盖、前端盖、外壳、后端盖和后封盖上均开有三个呈120°分布的螺纹孔，它们通过螺钉连接在一起，固定整个阻尼器；垫片放置于隔磁密封环和动阻尼片之间。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、在磁流变液阻尼器的设计时，应使磁场垂直于发生相对运动的平行面，以便形成垂直于剪切运动方向的颗粒链；当两个平行面沿剪切方向发生相对运动时，需要切割颗粒链，从而产生较大的阻尼力。本发明利用导磁零件和非导磁零件配合的方式设计磁流变液阻尼器，规划磁力线的传播路径，能够使磁力线八次穿过工作间隙内的磁流变液，显著提高了磁流变液的利用率；本发明的阻尼器在不增加体积的情况下，可以使输出得阻尼力矩成倍增加。

2、磁流变液的用量少。阻尼器中使用的磁流变液填充在转子、定子，以及隔磁密封环之间的狭小空隙内。

3、阻尼器的体积小、耗能少、出力范围大。磁流变液利用率的提高，使阻尼器在较小磁场强度的作用下，就可以得到较大的输出阻尼力，从而可相对减少阻尼器中励磁线圈的匝数，以及减小输入励磁线圈中的电流，这样就能减小阻尼器的体积、降低能耗和减少励磁线圈的发热量，同时扩大了阻尼器输出阻尼力矩的可调范围。

4、阻尼器采用轴承与转轴相配合，降低了零电流时的初始阻尼力，同时阻尼器的输出阻尼力连续可调、变化范围大，因此阻尼器可方便的集成到力觉再现、软启动和传动等装置中实现被动力反馈、结构保护或振动控制等功能。

附图说明

图1为本发明的左视结构示意图；

图2为本发明的主剖结构示意图，也是图1的A-A向剖视结构示意图；

图3为图1的B-B向剖视结构示意图；

图4为图1的C-C向剖视结构示意图；

图5为本发明的磁力线的走向示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步叙述本发明。

如图1、图2、图3和图4所示，发明的一种基于蛇形磁路的多片旋转式磁流变液阻尼器，主要由转子部分、定子部分、工作介质、励磁部分和密封固定部分组成。其特征在于：该阻尼器包括转轴1、O型密封圈2、隔磁密封环3、电流输入线4、前封盖5、前端盖6、外壳7、励磁线圈8、后端盖9、后封盖10、间隔片11、定阻尼片12、动阻尼片13、支撑套14、绕线筒15、螺钉16、磁流变液17、垫片18和轴承19。

进一步，所述的转子部分由转轴1、动阻尼片13和支撑套14组成；定子部分由前端盖6、外壳7、后端盖9、间隔片11、定阻尼片12和绕线筒15组成；工作介质是指填充于转子部分、定子部分和隔磁密封环3之间空隙内的磁流变液17；励磁部分是指缠绕于外壳7、间隔片11和绕线筒15之间空腔内的励磁线圈8，以及通过前封盖5和前端盖6上的小孔引出的电流输入线4；密封固定部分主要由O型密封圈2、隔磁密封环3、前封盖5、后封盖10、螺钉16、垫片18和轴承19组成。

进一步，所述的前端盖6、外壳7、后端盖9、定阻尼片12、动阻尼片13、绕线筒15均由导磁金属材料制成；转轴1、O型密封圈2、隔磁密封环3、前封盖5、后封盖10、间隔片11、支撑套14、螺钉16、垫片18和轴承19均由非导磁金属材料制成。这样既可规划磁力线的传播路径，又可防止漏磁。图5表示了磁力线在多片分层结构中的蛇形传播路径，其中的一条闭合磁力线的传播路径为：分别通过前端盖6、外壳7、后端盖9、磁流变液17、动阻尼片13、磁流变液17、定阻尼片12、磁流变液17、动阻尼片13、磁流变液17、绕线筒15、磁流变液17、动阻尼片13、磁流变液17、定阻尼片12、磁流变液17、动阻尼片13、磁流变液17，最后回到前端盖6形成闭合磁路，从而使磁力线八次穿过磁流变液14；转子部分转动时，动阻尼片13相对于前端盖6、后端盖9、间隔片11和定阻尼片12均作剪切运动，且运动方向垂直于磁场方向，充分利用了磁流变液的流变特性来产生阻尼力，显著提高了磁流变液的利用率。

进一步，所述的励磁线圈8由漆包铜导线在间隔片11和绕线筒15的外壁上绕制而成，绕制完成后，引出两根电流输入线4与外部励磁控制电路相连；磁流变液17为Lord公司生产的MRF-122EG型磁流变液，采用磁流变液作为工作介质，通过控制输入励磁线圈中的电流大小，可动态的调节加在磁流变液上的磁场强度，引起磁流变液工作状态和剪切屈服强度的变化，使阻尼器在较宽的范围内输出连续可调的阻尼力矩。

进一步，所述的转子部分，转轴1中部有一个圆形挡板，圆形挡板的两侧均分别通过矩形花键联接一个动阻尼片13、一个支撑套14和另一个动阻尼片13，圆形挡板的外径与动阻尼片13相同；如图3所示，转轴1两端有与齿轮配合的开槽。

进一步，所述的定子部分，间隔片11是两侧有凸起的法兰垫片，前端盖6、后端盖9和绕线筒15的两侧均能与间隔片11相配合，且它们具有相同的内径，这样的设计使定子部分中各个部件的位置相对固定，结构更加紧凑，便于绕线；间隔片11的内表面开有十字形分布的导槽，定阻尼片12可十字形嵌套在间隔片11的导槽中，图2显示了定阻尼片12与间隔片11的配合位置；另外，如图4所示，除了与间隔片11配合的部分，定阻尼片12的外径与动阻尼片13相同。

进一步，所述的支撑套14带有向外延伸的环行圆片，其放置的位置介于两个动阻尼片之间；支撑套14的环行圆片夹在定阻尼片12和动阻尼片13之间，其外圆柱面与定阻尼片12的内圆柱面同轴心，但保持一个很小的间隙，如图2所示；支撑套14既能固定两个动阻尼片13的相对位置，又能固定定阻尼片12与间隔片11的相对位置，同时确定定阻尼片13与前后两个动阻尼片13的间距，确保动、定阻尼片之间存在阻尼通道，增加阻尼器的输出阻尼力矩范围。

进一步，所述的轴承19为自带密封圈的微型轴承，用于固定转轴1，两者配合使用减少了转子部分转动时的摩擦力，且降低了阻尼器零电流时的初始阻尼力矩；O型密封圈2采用密封和耐磨性能较好的氟胶圈，用于对转轴1、轴承19、前封盖5和后封盖10进行密封；隔磁密封环3套在转轴1的两侧，能够防止磁流变液和磁力线的泄漏；前封盖5、前端盖6、外壳7、后端盖9和后封盖10上均开有三个呈120°分布的螺纹孔，它们通过螺钉16连接在一起，固定整个阻尼器；垫片18放置于隔磁密封环3和动阻尼片13之间，在整个阻尼器已经被螺钉固定的情况下，其具有约束转子部分各个零件与定阻尼片相对位置的作用，同时能隔开隔磁密封环和动阻尼片，减小转子部分转动时阻尼器的零电流初始阻尼力矩。

工作原理：当励磁控制电路向阻尼器中输入励磁电流时，励磁线圈在励磁电流的作用下产生感应磁场，磁场穿过磁流变液时，磁流变液发生流变效应。此时，操作者通过齿轮和齿条等机构带动阻尼器的转子转动，工作间隙内的磁流变液由于转子部分和定子部分的相对运动而产生剪切变形，操作者将会感受到阻尼器提供的剪切阻力。通过控制励磁控制电路，改变励磁线圈中输入的励磁电流，可控制阻尼器产生连续可调的阻尼力矩。

本发明设计的一种基于蛇形磁路的多片旋转式磁流变液阻尼器，采用定阻尼片和动阻尼片相结合的多片分层结构，同时采用蛇形磁路设计，能够使磁力线8次穿过工作间隙内的磁流变液，有效提高了磁流变液的利用效率和阻尼器的性能，具有体积小、能耗低、磁流变液用量少、零电流初始阻尼力矩小、输出阻尼力矩大和可调范围宽的特点。该阻尼器可应用于力觉再现、软启动和传动等装置中实现被动力反馈、结构保护或振动控制等功能。

Claims (6)

1.一种基于蛇形磁路的多片旋转式磁流变液阻尼器，由转子部分、定子部分、工作介质、励磁部分和密封固定部分组成，其特征在于：该阻尼器包括转轴(1)、O型密封圈(2)、隔磁密封环(3)、电流输入线(4)、前封盖(5)、前端盖(6)、外壳(7)、励磁线圈(8)、后端盖(9)、后封盖(10)、间隔片(11)、定阻尼片(12)、动阻尼片(13)、支撑套(14)、绕线筒(15)、螺钉(16)、磁流变液(17)、垫片(18)和轴承(19)；

所述的转子部分包括转轴(1)、动阻尼片(13)和支撑套(14)；定子部分包括前端盖(6)、外壳(7)、后端盖(9)、间隔片(11)、定阻尼片(12)和绕线筒(15)；工作介质是指填充于转子部分、定子部分和隔磁密封环(3)之间空隙内的磁流变液(17)；励磁部分包括缠绕于外壳(7)、间隔片(11)和绕线筒(15)之间空腔内的励磁线圈(8)，以及通过前封盖(5)和前端盖(6)上的小孔引出的电流输入线(4)；密封固定部分包括O型密封圈(2)、隔磁密封环(3)、前封盖(5)、后封盖(10)、螺钉(16)、垫片(18)和轴承(19)。

2.根据权利要求1所述的一种基于蛇形磁路的多片旋转式磁流变液阻尼器，其特征在于：所述的前端盖(6)、外壳(7)、后端盖(9)、定阻尼片(12)、动阻尼片(13)、绕线筒(15)均由导磁金属材料制成；转轴(1)、O型密封圈(2)、隔磁密封环(3)、前封盖(5)、后封盖(10)、间隔片(11)、支撑套(14)、螺钉(16)、垫片(18)和轴承(19)均由非导磁金属材料制成；励磁线圈(8)由漆包铜导线在间隔片(11)和绕线筒(15)的外壁上绕制而成；磁流变液(17)为Lord公司生产的MRF-122EG型磁流变液。

3.根据权利要求1所述的一种基于蛇形磁路的多片旋转式磁流变液阻尼器，其特征在于：所述的转子部分，转轴(1)中部有一个圆形挡板，圆形挡板的两侧均分别通过矩形花键联接一个动阻尼片(13)、一个支撑套(14)，圆形挡板的外径与动阻尼片(13)相同。

4.根据权利要求1所述的一种基于蛇形磁路的多片旋转式磁流变液阻尼器，其特征在于：所述的定子部分，间隔片(11)是两侧有凸起的法兰垫片，前端盖(6)、后端盖(9)和绕线筒(15)的两侧均能与间隔片(11)相配合，且它们具有相同的内径；间隔片(11)的内表面开有十字形分布的导槽，定阻尼片(12)可十字形嵌套在间隔片(11)的导槽中。

5.根据权利要求1所述的一种基于蛇形磁路的多片旋转式磁流变液阻尼器，其特征在于：所述的支撑套(14)带有向外延伸的环行圆片，其放置的位置介于两个动阻尼片(13)之间；支撑套(14)的环行圆片夹在定阻尼片(12)和动阻尼片(13)之间，其外圆柱面与定阻尼片(12)的内圆柱面同轴心，但保持一个很小的间隙。

6.根据权利要求1所述的一种基于蛇形磁路的多片旋转式磁流变液阻尼器，其特征在于：所述的轴承(19)用于固定转轴(1)，并减少转轴(1)转动时的摩擦力；O型密封圈(2)用于对转轴(1)、轴承(19)和前封盖(5)、后封盖(10)进行密封；前封盖(5)、前端盖(6)、外壳(7)、后端盖(9)和后封盖(10)上均开有三个呈120°分布的螺纹孔，它们通过螺钉(16)连接在一起，固定整个阻尼器；垫片(18)放置于隔磁密封环(3)和动阻尼片(13)之间。