CN107143599A - 大转矩往复旋转式磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大转矩往复旋转式磁流变阻尼器，包括充满磁流变液的圆柱形密封腔体、设置叶片在传动轴上的转子总成以及设置电磁线圈和磁流变液流通通道的定子总成；转子总成利用叶片将圆柱形密封腔体分隔为两个相互隔离的磁流变液腔；定子总成为两块横截面形状为扇形的柱体，对称分布于两个磁流变液腔内，在扇形柱体内设置有磁流变液通道，利用磁流变液通道在扇形柱体两侧的扇形腔之间形成贯通；叶片随传动轴在磁流变液腔内往复转动，在扇形柱体的两侧产生压强差推动磁流变液的流动，电磁线圈设置于定子总成中。本发明通过调节电磁线圈中的输入电流，即可实现对磁流变液通道中磁流变液的粘性控制，进而改变阻尼器的力学输出特性。

Description

大转矩往复旋转式磁流变阻尼器

技术领域

本发明涉及一种振动控制用可控执行器，尤其是扭转振动应用环境，具体涉及一种大可控转矩往复旋转式磁流变阻尼器。

背景技术

机械振动对机械系统的可靠性和耐久性都会有不良影响，例如：振动会降低机器的精度与使用性能，车床振动可能会降低零件的加工精度，汽车振动会影响乘员的乘坐舒适性与运行的平稳性等。为了降低振动带来的不利影响，需要利用阻尼器进行吸能减振。传统的被动阻尼器由于其阻尼力不可调，不能实现全振动频率范围的有效减振；主动阻尼器由于系统复杂、成本昂贵限定了其应用范围，介于主动执行器和被动执行器之间的半主动执行器应运而生。半主动执行器既能够提供主动执行器的可控性能，又具有被动执行器的简单结构和低成本。磁流变阻尼器是半主动执行器中的一种典型实例，通过控制磁流变液的属性实现磁流变阻尼器的力学性能控制，该执行器不仅结构简单，而且能够满足在不同激励条件下的力学性能需求，基于磁流变阻尼器的半主动控制系统控制原理简单。

目前应用较为常见的磁流变阻尼器是线性磁流变阻尼器，利用活塞在缸体内沿着轴向线性移动产生阻尼力，但是像新式摩托车的转向机构和汽车横向稳定杆这样运动形式为扭转振动的场合，线性磁流变阻尼器就“爱莫能助”了。使用旋转式的磁流变阻尼器通过传动轴转动一定角度吸收扭转振动产生的能量进行减振，是解决以上问题的可靠途径。虽然已有旋转式磁流变阻尼器，但是已有技术中的旋转式磁流变阻尼器的磁流变液的流动模式为磁流变液在双板间流动，即为平板式流动模型，产生阻尼力较小，动态可控范围较窄；以汽车横向稳定杆应用为例，汽车横向稳定杆端部添加一个磁流变阻尼器可以使横向稳定杆达到可变刚度的效果。汽车横向稳定杆工作时旋转角度较小(约为±5-10°)，但是转矩要求较大(最大能够达到2000Nm)。若采用常规的旋转式磁流变阻尼器，其量程远大于工作角度，并且达不到汽车横向稳定杆所需要的极限转矩。当量程远大于工作角度时，磁流变阻尼器内叶片只在一个较小的角度范围内旋转，其它未到达的区域容易导致磁流变液沉淀，并且由于磁流变液造价昂贵，也会大大增加生产成本。

发明内容

本发明是为了避免现有技术存在的不足，提供一种大转矩往复旋转式磁流变阻尼器，在外形体积不变的前提下改变旋转式磁流变阻尼器的内部结构，增大旋转式磁流变阻尼器的动态阻尼范围，充分利用旋转式磁流变阻尼器内部空间，减小磁流变液的用量，降低成本。

本发明为解决技术问题采用如下技术与方案：

本发明大转矩往复旋转式磁流变阻尼器的结构特点是包括：

一圆柱形密封腔体，由缸体和缸盖构成，磁流变液充满在圆柱形密封腔体内；

一转子总成，是在传动轴上对称设置两片叶片，利用所述两片叶片将密封的圆柱形密封腔体分隔为两个相互隔离的磁流变液腔，所述传动轴与圆柱形密封腔体为共轴；

一定子总成，其为两块横截面形状为扇形的扇形柱体，两块扇形柱体对称分布在两个磁流变液腔内，在扇形柱体与相邻的叶片之间形成有扇形腔，在所述扇形柱体内设置有磁流变液通道，利用所述磁流变液通道在扇形柱体两侧的扇形腔之间形成贯通；叶片随传动轴的往复旋转在磁流变液腔内往复摆动，利用叶片的往复摆动在扇形柱体的两侧产生压强差，进而推动磁流变液从压强较大一侧经磁流变液通道流向压强较小一侧；电磁线圈嵌装在所述定子总成中。

本发明大转矩往复旋转式磁流变阻尼器的结构特点也在于：

所述定子总成是由三角形端盖和弧形件构成，所述弧形件与缸体的内侧壁形成密封，所述三角形端盖与传动轴的外圆面形成密封；

所述弧形件沿轴向分体设置为上盖、中段主体和下盖，在上盖的底面与中段主体的顶面之间形成有顶部汇流平面，在下盖的顶面与中段主体的底面之间形成有底部汇流平面，在中段主体的内侧面与三角形端盖的外侧面之间形成有竖向汇流平面；在上盖上设置上盖通孔，上盖通孔通过上盖顶面导流槽与位于扇形柱体一侧的磁流变液腔相通；在下盖上设置下盖通孔，下盖通孔通过下盖底面导流槽与位于扇形柱体另一侧的磁流变液腔相通；由依次相通的上盖顶面导流槽、上盖通孔、顶部汇流平面、竖向汇流平面、底部汇流平面、下盖通孔以及下盖底面导流槽构成所述磁流变液通道；

在所述中段主体上或是在所述三角形端盖上，位于朝向竖向汇流平面的一侧平面上设置线圈槽，所述电磁线圈嵌装在所述线圈槽中。

本发明大转矩往复旋转式磁流变阻尼器的结构特点也在于：在上盖与中段主体之间、处在外圆周位置上设置有上盖弧形定位条，在下盖与中段主体之间、处在外圆周位置上设置有下盖弧形定位条，利用上盖弧形定位条和下盖弧形定位条的高度调整一一对应地调整顶部汇流平面和底部汇流平面的高度。

本发明大转矩往复旋转式磁流变阻尼器的结构特点也在于：所述设置在传动轴上的叶片也可以是沿圆周均匀分布的三片，利用所述三片叶片将密封的圆柱形密封腔体分隔为三个相互隔离的磁流变液腔；所述定子总成为三块横截面形状为扇形的扇形柱体，三块扇形柱体沿圆周均匀布在三个磁流变液腔内；所述叶片数量可以根据实际需要进一步增加或减少。

与已有技术相比较，本发明有益效果体现在：

1.本发明为大转矩往复旋转式磁流变阻尼器，能够在保证正常的工作旋转角度的前提下，充分利用旋转式磁流变阻尼器内部空间，大幅度减小磁流变液用量，即大幅度降低制造成本。

2.本发明大转矩往复旋转式磁流变阻尼器改变内部结构，使磁流变液流动呈现“点汇-点源”式流动模式，增大了磁流变液的有效作用面积，进而增大旋转式磁流变阻尼器的可控阻尼范围。

3.本发明大转矩往复旋转式磁流变阻尼器的工作角度尤其适合像汽车横向稳定杆这样小旋转角度应用环境，改善了常见的旋转式磁流变阻尼器工作时旋转行程远小于磁流变阻尼器量程，从而容易产生沉淀的现象。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明横断面结构示意图；

图3a为本发明中定子总成的剖视图；

图3b为本发明中定子总成的俯视图；

图4a和图4b所示为本发明另一实施方式结构示意图；

图5为本发明又一实施方式结构示意图。

图中标号：1传动轴，2缸盖，3缸体，4上导向环，5下导向环，6中段主体，7三角形端盖，7a竖向汇流平面，8上盖，8a顶部汇流平面，8b顶部端口，8c上盖顶面导流槽，9下盖，9a底部汇流平面，9b下盖通孔，10磁场，11a叶片密封圈，11b传动轴密封圈，12电磁线圈，13a上盖弧形定位条，13b下盖弧形定位条，14叶片。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例中大转矩往复旋转式磁流变阻尼器的结构形式是：

设置圆柱形密封腔体，由缸体3和缸盖2通过螺栓固定连接构成，在缸体3和缸盖之间设置密封圈进行密封，磁流变液充满在圆柱形密封腔体内。

设置转子总成，是在传动轴1上对称设置两片叶片14，利用两片叶片14将密封的圆柱形密封腔体分隔为两个相互隔离的磁流变液腔，传动轴1与圆柱形密封腔体为共轴，传动轴1利用上导向环4与设置在缸盖2上的台阶轴孔滑动配合，利用下导向环5与设置在缸体底板上的凹槽滑动配合，上导向环4和下导向环5是以黄铜或其它耐磨材料制成，其一是作为密封件避免磁流变液的渗出，另一方面保证传动轴1的转动稳定顺畅，避免因传动轴1的转动不稳定性带来的侧向冲击力，损坏器件。

设置定子总成，其为两块横截面形状为扇形的扇形柱体，两块扇形柱体对称分布在两个磁流变液腔内，在扇形柱体与相邻的叶片之间形成有扇形腔，在扇形柱体内设置有磁流变液通道，利用磁流变液通道在扇形柱体两侧的扇形腔之间形成贯通；叶片14随传动轴1的往复旋转在磁流变液腔内往复摆动，利用叶片14的往复摆动在扇形柱体的两侧产生压强差，进而推动磁流变液从压强较大一侧经磁流变液通道流向压强较小一侧；电磁线圈12嵌装在定子总成中，

如图1、图2、图3a和图3b所示，本实施例中的定子总成是由三角形端盖7和弧形件构成，弧形件以其外弧面与缸体3的内侧壁形成密封，三角形端盖7以其内凹弧面与传动轴1的外圆面形成密封。弧形件沿轴向分体设置为上盖8、中段主体6和下盖9，在上盖8的底面与中段主体6的顶面之间形成有顶部汇流平面8a，在下盖9的顶面与中段主体6的底面之间形成有底部汇流平面9a，在中段主体6的内侧面与三角形端盖7的外侧面之间形成有竖向汇流平面7a；在上盖8上设置上盖通孔8b，上盖通孔8b通过上盖顶面导流槽8c与位于扇形柱体一侧的磁流变液腔相通；在下盖9上设置下盖通孔9b，下盖通孔9b通过下盖底面导流槽与位于扇形柱体另一侧的磁流变液腔相通；由依次相通的上盖顶面导流槽、上盖通孔8b、顶部汇流平面8a、竖向汇流平面7a、底部汇流平面9a、下盖通孔9b以及下盖底面导流槽构成磁流变液通道。

本实施例中，在上盖8与中段主体6之间、处在外圆周位置上设置有上盖弧形定位条13a，在下盖9与中段主体6之间、处在外圆周位置上设置有下盖弧形定位条13b，利用上盖弧形定位条13a和下盖弧形定位条13b的高度调整一一对应地调整顶部汇流平面8a和底部汇流平面9a的高度。

磁流变液在磁流变液通道内受到电磁线圈12产生的磁场10的作用发生磁流变响应。

为了提高密封性能，在叶片14的端面缸体3的内侧壁之间设置有叶片密封圈11a，在传动轴1的外圆周面与三角形端盖7的内凹弧面之间设置有传动轴密封圈11b；缸体3、缸盖2以及转子总成均为非导磁材料，或低导磁材料，如不锈钢或硬铝，以防止磁场经过没有磁流变液通过的构件，降低磁场强度，减小磁流变阻尼器的动态阻尼范围；定子总成中的上盖、下盖、中段主体以及三角形端盖均采用导磁材料，如DT4或20钢，用来引导磁场10的走向，使磁场能够集中在定子总成中并顺利穿过磁流变液流通的截面，调节电磁线圈12中的输入电流，即可实现对磁流变液通道中磁流变液粘性的控制，进而改变阻尼器的力学特性。

图1和图2所示，本实施例中在中段主体6上，位于朝向竖向汇流平面7a的一侧平面上设置线圈槽，电磁线圈12嵌装在线圈槽中。

另一种实施方式是如图4a和图4b所示，在三角形端盖7上，位于朝向竖向汇流平面7a的一侧平面上设置线圈槽，电磁线圈12嵌装在线圈槽中。

本实施例中，磁流变液的一种流向是：从顶部端口8b进入定子总成，在顶部汇流平面8a中流动并汇聚到竖向汇流平面7a中，然后从竖向汇流平面7a流入底部汇流平面9a，呈现扇形分散流动模式，形成“点汇-点源”的流动模式。

工作原理：电磁线圈12产生的磁场10在上盖、下盖、中段主体以及三角形端盖形成各闭合回路，磁流变液的有效作用区域为顶部汇流平面8a和底部汇流平面9a除去电磁线圈截面的面积以及竖向汇流平面7a的面积；中段主体6的体积较大，可以设置多道电磁线圈。在导磁体与磁流变液未达到磁饱和的前提下，磁场强度越大，旋转式磁流变阻尼器的可控阻尼力越大。当电磁线圈12不通过电流时，旋转式磁流变阻尼器旋转的阻尼力为最小，在一定范围内，随着通入电流的增大，旋转式磁流变阻尼器的旋转阻尼力越大，旋转阻尼力与电流成正比关系。

具体实施中，上盖弧形定位条13a的高度确定了顶部汇流平面8a的高度，下盖弧形定位条13b的高度确定了底部汇流平面9a的高度；仿真结果表明：向电磁线圈12中通入2A电流，当定子总成中顶部汇流平面8a的高度和底部汇流平面9a的高度均为0.6mm时，顶部汇流平面8a与底部汇流平面9a中磁流变液的磁感应强度在0.33T-0.40T，竖向汇流平面7a的磁感应强度在0.96T左右；当顶部汇流平面8a的高度和底部汇流平面9a的高度均为1mm时，顶部汇流平面8a与底部汇流平面9a中磁流变液的磁感应高强度在0.20T-0.22T，竖向汇流平面7a的磁场强度在0.97T左右；从两种不同平面高度对比中可以看出，顶部汇流平面8a及底部汇流平面9a的高度越小，形成在顶部汇流平面8a及底部汇流平面9a中的磁流变液的磁场强度越大，定子总成中最大的磁场强度位于三角形端盖7与中段主体6的面接触位置处，磁流变液流通通道内磁流变液的最大磁场强度位于竖向汇流平面7a处；从仿真结果可以看出，电磁线圈12通入电流后产生的磁场能够满足磁流变液的需求，间隙平面的高度越小，磁场强度越大，磁场对磁流变液的可控性越强。

图5所示，设置在传动轴1上的叶片14也可以是沿圆周均匀分布的三片，利用三片叶片14将密封的圆柱形密封腔体分隔为三个相互隔离的磁流变液腔；定子总成为三块横截面形状为扇形的扇形柱体，三块扇形柱体沿圆周均匀布在三个磁流变液腔内；在旋转式磁流变阻尼器具有相同工作旋转角度的前提下，三个叶片式的磁流变阻尼器比两个叶片式的磁流变阻尼器运行更稳定，减振效果更好，依次可以预测，旋转式磁流变阻尼器的叶片数越多，旋转式磁流变阻尼器工作越稳定，减振效果越好，但是伴随而来的是加工难度将会增大。

Claims (4)

1.一种大转矩往复旋转式磁流变阻尼器，其特征是包括：

一圆柱形密封腔体，由缸体(3)和缸盖(2)构成，磁流变液充满在圆柱形密封腔体内；

一转子总成，是在传动轴(1)上对称设置两片叶片(14)，利用所述两片叶片(14)将密封的圆柱形密封腔体分隔为两个相互隔离的磁流变液腔，所述传动轴(1)与圆柱形密封腔体为共轴；

一定子总成，其为两块横截面形状为扇形的扇形柱体，两块扇形柱体对称分布在两个磁流变液腔内，在扇形柱体与相邻的叶片之间形成有扇形腔，在所述扇形柱体内设置有磁流变液通道，利用所述磁流变液通道在扇形柱体两侧的扇形腔之间形成贯通；叶片(14)随传动轴(1)的往复旋转在磁流变液腔内往复摆动，利用叶片(14)的往复摆动在扇形柱体的两侧产生压强差，进而推动磁流变液从压强较大一侧经磁流变液通道流向压强较小一侧；电磁线圈(12)嵌装在所述定子总成中。

2.根据权利要求1所述的大转矩往复旋转式磁流变阻尼器，其特征是:

所述定子总成是由三角形端盖(7)和弧形件构成，所述弧形件与缸体(3)的内侧壁形成密封，所述三角形端盖(7)与传动轴(1)的外圆面形成密封；

所述弧形件沿轴向分体设置为上盖(8)、中段主体(6)和下盖(9)，在上盖(8)的底面与中段主体(6)的顶面之间形成有顶部汇流平面(8a)，在下盖(9)的顶面与中段主体(6)的底面之间形成有底部汇流平面(9a)，在中段主体(6)的内侧面与三角形端盖(7)的外侧面之间形成有竖向汇流平面(7a)；在上盖(8)上设置上盖通孔(8b)，上盖通孔(8b)通过上盖顶面导流槽与位于扇形柱体一侧的磁流变液腔相通；在下盖(9)上设置下盖通孔(9b)，下盖通孔(9b)通过下盖底面导流槽与位于扇形柱体另一侧的磁流变液腔相通；由依次相通的上盖顶面导流槽、上盖通孔(8b)、顶部汇流平面(8a)、竖向汇流平面(7a)、底部汇流平面(9a)、下盖通孔(9b)以及下盖底面导流槽构成所述磁流变液通道；

在所述中段主体(6)上或是在所述三角形端盖(7)上，位于朝向竖向汇流平面(7a)的一侧平面上设置线圈槽，所述电磁线圈(12)嵌装在所述线圈槽中。

3.根据权利要求2所述的大转矩往复旋转式磁流变阻尼器，其特征是：在上盖(8)与中段主体(6)之间、处在外圆周位置上设置有上盖弧形定位条(13a)，在下盖(9)与中段主体(6)之间、处在外圆周位置上设置有下盖弧形定位条(13b)，利用上盖弧形定位条(13a)和下盖弧形定位条(13b)的高度调整一一对应地调整顶部汇流平面(8a)和底部汇流平面(9a)的高度。

4.根据权利要求1所述的大转矩往复旋转式磁流变阻尼器，其特征是：所述设置在传动轴(1)上的叶片(14)也可以是沿圆周均匀分布的三片，利用所述三片叶片(14)将密封的圆柱形密封腔体分隔为三个相互隔离的磁流变液腔；所述定子总成为三块横截面形状为扇形的扇形柱体，三块扇形柱体沿圆周均匀布在三个磁流变液腔内；所述叶片数量可以根据实际需要进一步增加或减少。