CN109826904A - 一种双圆桶旋转式磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双圆桶旋转式磁流变阻尼器。该磁流变阻尼器的旋转轴加工有键槽，通过键槽连接齿轮向外输出阻尼力。由于磁铁能提供一部分磁场，该装置在零电流时也能保持一定的输出阻尼力，此外，磁铁产生的磁场还能一定程度上防止磁流变液内部颗粒的沉降。本发明磁流变阻尼器的外层圆桶与壳体形成外磁流变液流动间隙，内层圆桶与线圈绕线架及外层圆桶形成内磁流变液流动间隙，本发明由于增加了一个阻尼间隙，可以获得更大的阻尼力。因此，该磁流变阻尼器阻尼力调节范围宽，电能耗电少，此系统长时间工作可靠性高而且稳定，该磁流变阻尼器特别适用于铁路、汽车、桥梁等结构的减振抗震系统。

Description

一种双圆桶旋转式磁流变阻尼器

技术领域

本发明涉及一种磁流变阻尼器，尤其涉及一种双圆桶旋转式磁流变阻尼器。

背景技术

磁流变阻尼器是一种广泛应用于半主动控制系统中的新型智能阻尼器件。其毫秒级响应速度、大控制范围和大阻尼力输出的特点，使得它成为工业应用领域优秀的半主动执行器件。目前，磁流变阻尼器已在工业 、军用以及土木工程等领域 (斜拉桥拉索减振 、海洋平台结构减振 、公路桥梁和高层建筑隔振系统 )得到广泛研究和应用。

磁流变阻尼器按其工作方式可分为直线式磁流变阻尼器和旋转式磁流变阻尼器。直线式磁流变阻尼器研究较早，其结构设计、力学模型的研究较为成熟，但是，在有些应用场合，如康复机器人，无人机驱动控制等，要求阻尼器能够提供连续旋转的可控阻尼力矩，因此，旋转式磁流变阻尼器的研究具有重要的应用意义。

旋转式磁流变阻尼器是通过在定子与转子之间屈服强度可控的磁流变液进行工作，转子的工作面积大小对于阻尼器性能有着重要的影响。目前，旋转式磁流变阻尼器多以转子的两个端面作为工作面，为了获得更大的阻尼力，这样的结构需要加大转子的直径，但是会导致阻尼器的尺寸过大。有的旋转式磁流变阻尼器以转子的圆柱面作为工作面，虽然增大转子轴向和径向尺寸均可增加阻尼器的输出力矩，但是该种结构未能利用转子的端面。

磁流变液的稳定性主要受两种因素的影响：一是粒子的聚集结块，即粒子相互聚集形成很大的团；二是粒子本身的沉降，即磁性粒子随时间的沉淀。另外，磁性颗粒的比重较大，容易沉淀或离心分离，因此传统上磁流变阻尼器存在安全系数低、工作寿命不长等问题。

为了获得较大的阻尼力矩的同时，保证阻尼器的安全可靠，设计了新型的双圆桶旋转式磁流变阻尼器，这种结构能够充分利用转子的外表面，而且增加了磁流变阻尼器的阻尼间隙通道数量，在提高阻尼器性能的同时，不增加其结构的复杂程度，同时还具有阻尼力可调范围大、抗沉降、能够输出连续可靠的阻尼力矩的特点。

发明内容

为了克服背景技术中存在的问题及满足磁流变阻尼器实际使用要求，本发明提出一种双圆桶旋转式磁流变阻尼器结构。主要包括旋转轴、外壳、内层圆桶、外层圆桶、磁铁等。该磁流变阻尼器的旋转轴加工有键槽，通过键槽连接齿轮向外输出阻尼力，磁铁与励磁线圈分别位于旋转轴的两侧，构成了内置式的磁流变阻尼器。当线圈通电时 ,由于磁流变效应而产生的剪切力将阻碍内层圆桶与外层圆桶的转动 ,从而向外输出阻尼力. 因为穿过磁流变液的磁场强度随通电电流大小的不同而不同 ,磁流变液对圆桶的阻尼作用也就随电流的改变而改变 ,因此内外层圆桶旋转时受到的阻尼作用具有可控性。由于磁铁也能提供一部分磁场，该装置在零电流时也能保持一定的输出阻尼力，除此之外，磁铁产生的磁场还能一定程度上防止磁流变液内部颗粒的沉降。本发明由于增加了一个阻尼间隙，可以获得更大的阻尼力。因此，该磁流变阻尼器阻尼力调节范围宽，电能耗电少，此系统长时间工作可靠性高而且稳定性好，该磁流变阻尼器特别适用于铁路、汽车、桥梁等结构的减振抗震系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：其特征在于包括：旋转轴(1)、轴承左端盖(2)、左端盖(3)、角接触球轴承I(4)、磁铁I(5)、壳体(6)、引线孔(7)、线圈绕线架(8)、励磁线圈(9)、磁铁II(10)、右端盖(11)、角接触球轴承II(12)、轴端挡圈(13)、左套筒(14)、毡圈I(15)、内层圆桶(16)、外层圆桶(17)、毡圈II(18)、右套筒(19)、轴承右端盖(20)；旋转轴(1)内部加工有键槽，用以输出阻尼力；角接触球轴承I(4)的外圈由轴承左端盖(2)以及左套筒(14)固定；轴承左端盖(2)、左端盖(3)、壳体(6)通过螺钉固定连接；左端盖(3)右上角加工有矩形凹槽，用以放置磁铁I(5)；左端盖(3)与旋转轴(1)通过毡圈I(15)进行密封；内层圆桶(16)与外层圆桶(17)通过双头螺纹杆与旋转轴(1)相连接；线圈绕线架(8)与右端盖(11)同样通过双头螺纹杆连接；外层圆桶(17)与线圈绕线架(8)间隙配合；线圈绕线架(8)圆周内表面加工有圆环型凹槽，励磁线圈(9)均匀缠绕在线圈绕线架(8)的圆环型凹槽内；线圈绕线架(8)与外层圆桶(17)以及旋转轴(1)内部加工有引线孔(7)，励磁线圈(9)的引线由引线孔(7)穿出；右端盖(11)左上角加工有矩形凹槽，用以放置磁铁II(10)；右端盖(11)与旋转轴(1)通过毡圈II(18)密封；角接触球轴承II(12)左端通过右套筒(19)固定，角接触球轴承II(12)内圈由轴端挡圈(13)固定，角接触球轴承II(12)外圈由轴承右端盖(13)进行固定；角接触球轴承采用正装；外层圆桶(17)与壳体(6)形成外磁流变液流动间隙；内层圆桶(16)与线圈绕线架(8)及外层圆桶(17)形成内磁流变液流动间隙；当励磁线圈(9)不通电时，由磁铁I(5)和磁铁II(10)产生的恒定磁场使磁流变液流动性降低，从而阻碍外层圆桶(17)和内层圆桶(16)的旋转运动，通过旋转轴(1)进而向外输出阻尼力；磁铁I(5)产生的磁通先穿入外磁流变液间隙流向壳体(6)内部，然后流入左端盖(3)，最后流向线圈绕线架(8)；磁铁II(10)产生的磁通先穿过外磁流变液间隙流入线圈绕线架(8)然后流向右端盖(11)，最后流入壳体(6)；当通正向电流时，励磁线圈(9)产生的磁通先穿过内磁流变液流动间隙流向内层圆桶(16)，然后沿着内层圆桶(16)的旋转外壳流向线圈绕线架(8)，最后流回励磁线圈(9)；通负向电流时，励磁线圈(9)产生的磁通方向与上述向反；当励磁线圈(9)通正向电流时，励磁线圈(9)产生的磁感应强度与磁铁I(5)、磁铁II(10)产生的磁感应强度相互叠加，增大了磁流变阻尼器的输出阻尼力；当励磁线圈(9)通负向电流时，励磁线圈(9)产生的磁场与磁铁I(5)、磁铁II(10)产生的磁场方向相反，造成磁流变液流动间隙的磁感应强度减弱，降低了磁流变阻尼器的输出阻尼力。通过调节励磁线圈(9)输入电流的大小，可以控制输出阻尼力的大小。当励磁线圈(9)不通电时，阻尼器内部的磁铁能够产生磁场，对磁流变液内部的铁磁性固体颗粒产生吸引力，防止铁磁性固体颗粒的沉降。壳体(6)、线圈绕线架(8)选用导磁率高，矫顽力低，退磁性能好的ＤＴ４Ｅ型电磁纯铁，磁铁I(5)和磁铁II(10)选用的型号是N30，由其余零件均由不导磁类不锈钢制成。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

（1）本发明磁流变阻尼器与传统上的磁流变阻尼器相比，当励磁线圈不通电时，可由磁铁产生的磁场使阻尼器产生一个稳定的阻尼力；当励磁线圈通正向电流时，磁流变液流动间隙的磁感应强度增强，增大了磁流变阻尼器的输出阻尼力；当励磁线圈负向电流时，磁流变液流动间隙的磁感应强度减弱，降低了磁流变阻尼器的输出阻尼力。通过调节励磁线圈输入电流的大小，可以控制输出阻尼力的大小。这种结构能够带来大的阻尼力调节范围，同时也能在恶劣的自然条件下保证一定的可靠性。

（2）本发明磁流变阻尼器的外层圆桶与壳体形成外磁流变液流动间隙，内层圆桶与线圈绕线架及外层圆桶形成内磁流变液流动间隙，在磁流变液流动间隙内充满了磁流变液，本发明由于增加了一个阻尼间隙，克服了现有旋转式磁流变阻尼器磁场利用率不高和工作效率低的缺点。

（3）本发明磁流变阻尼器采用的单线圈双圆桶的结构与传统上的单线圈单圆桶结构相比，这种单线圈双圆桶的结构设计在不增加磁流变阻尼器外部尺寸的前提下，采用较小的励磁电流就可输出较大的可控阻尼力，同时阻尼力动态调节范围更宽，本发明磁流变阻尼器结构紧凑且体积小，特别适用于铁路、汽车、桥梁等结构的减振抗震系统。

（4）本发明的励磁线圈不通电时，阻尼器内部的磁铁能够产生磁场，对磁流变液内部的铁磁性固体颗粒产生吸引力，防止铁磁性固体颗粒的沉降，能够使得装置在较长的时间内不失效。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明励磁线圈通正向电流时的磁力线分布示意图。

图3是本发明磁流变液流动间隙分布示意图。

图4是图3阻尼器的A-A剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明包括：转轴(1)、轴承左端盖(2)、左端盖(3)、角接触球轴承I(4)、磁铁I(5)、壳体(6)、引线孔(7)、线圈绕线架(8)、励磁线圈(9)、磁铁II(10)、右端盖(11)、角接触球轴承II(12)、轴端挡圈(13)、左套筒(14)、毡圈I(15)、内层圆桶(16)、外层圆桶(17)、毡圈II(18)、右套筒(19)、轴承右端盖(20)。

图2是本发明当励磁线圈通正向电流磁力线分布示意图。磁铁I(5)产生的磁通先穿入外磁流变液间隙流向壳体(6)内部，然后流入左端盖(3)，最后流向线圈绕线架(8)；磁铁II(10)产生的磁通先穿过外磁流变液间隙流入线圈绕线架(8)然后流向右端盖(11)，最后流入壳体(6)；当通正向电流时，励磁线圈(9)产生的磁通先穿过内磁流变液流动间隙流向内层圆桶(16)，然后沿着内层圆桶(16)的旋转外壳流向线圈绕线架(8)，最后流回励磁线圈(9)。

图3是本发明磁流变液流动间隙分布示意图。外层圆桶(17)与壳体(6)形成外磁流变液流动间隙II，内层圆桶(16)与线圈绕线架(8)及外层圆桶(17)形成内磁流变液流动间隙I。

图4是本发明磁流变阻尼器的A-A剖面图。图中(1)为旋转轴，提供输入力矩，带动内层圆桶(16)和外层圆桶(17)转动，励磁线圈(9)均匀缠绕在线圈绕线架(8)的圆环型凹槽内，内磁流变液阻尼间隙I和外磁流变液阻尼间隙II分别分布于线圈绕线架(8)的两侧。

本发明工作原理如下：

当励磁线圈通电时 ,由于磁流变效应使得磁流变液流动间隙内的磁流变液产生类固化现象，由这个现象产生的屈服应力将阻碍内外层圆桶的转动 ,从而阻碍旋转轴的转动，进而向外输出阻尼力。因为穿过磁流变液的磁场强度随通电电流大小的不同而不同 ,磁流变液对内外层圆桶的阻尼作用也就随电流的改变而改变 ,因此磁流变阻尼器旋转时受到的阻尼作用具有可控性。当线圈不通电时，由磁铁I和磁铁II产生的磁场能够使阻尼器保持一定的阻尼力，能够避免阻尼器在恶劣条件失效。同时，阻尼器内部的磁铁I产生的磁场对磁流变液内部的铁磁性固体颗粒产生吸引力，可以防止铁磁性固体颗粒的沉降。

Claims (4)

1.一种双圆桶旋转式磁流变阻尼器，其特征在于包括：旋转轴(1)、轴承左端盖(2)、左端盖(3)、角接触球轴承I(4)、磁铁I(5)、壳体(6)、引线孔(7)、线圈绕线架(8)、励磁线圈(9)、磁铁II(10)、右端盖(11)、角接触球轴承II(12)、轴端挡圈(13)、左套筒(14)、毡圈I(15)、内层圆桶(16)、外层圆桶(17)、毡圈II(18)、右套筒(19)、轴承右端盖(20)；旋转轴(1)内部加工有键槽，用以输出阻尼力；角接触球轴承I(4)的外圈由轴承左端盖(2)以及左套筒(14)固定；轴承左端盖(2)、左端盖(3)、壳体(6)通过螺钉固定连接；左端盖(3)右上角加工有矩形凹槽，用以放置磁铁I(5)；左端盖(3)与旋转轴(1)通过毡圈I(15)进行密封；内层圆桶(16)与外层圆桶(17)通过双头螺纹杆与旋转轴(1)相连接；线圈绕线架(8)与右端盖(11)同样通过双头螺纹杆连接；外层圆桶(17)与线圈绕线架(8)间隙配合；线圈绕线架(8)圆周内表面加工有圆环型凹槽，励磁线圈(9)均匀缠绕在线圈绕线架(8)的圆环型凹槽内；线圈绕线架(8)与外层圆桶(17)以及旋转轴(1)内部加工有引线孔(7)，励磁线圈(9)的引线由引线孔(7)穿出；右端盖(11)左上角加工有矩形凹槽，用以放置磁铁II(10)；右端盖(11)与旋转轴(1)通过毡圈II(18)密封；角接触球轴承II(12)左端通过右套筒(19)固定，角接触球轴承II(12)内圈由轴端挡圈(13)固定，角接触球轴承II(12)外圈由轴承右端盖(13)进行固定；角接触球轴承采用正装。

2.根据权利要求1所述的一种双圆桶旋转式磁流变阻尼器，其特征在于：外层圆桶(17)与壳体(6)形成外磁流变液流动间隙；内层圆桶(16)与线圈绕线架(8)及外层圆桶(17)形成内磁流变液流动间隙；当励磁线圈(9)不通电时，由磁铁I(5)和磁铁II(10)产生的恒定磁场使磁流变液流动性降低，从而阻碍外层圆桶(17)和内层圆桶(16)的旋转运动，通过旋转轴(1)进而向外输出阻尼力。

3.根据权利要求1所述的一种双圆桶旋转式磁流变阻尼器，其特征在于：磁铁I(5)产生的磁通先穿入外磁流变液间隙流向壳体(6)内部，然后流入左端盖(3)，最后流向线圈绕线架(8)；磁铁II(10)产生的磁通先穿过外磁流变液间隙流入线圈绕线架(8)然后流向右端盖(11)，最后流入壳体(6)；当通正向电流时，励磁线圈(9)产生的磁通先穿过内磁流变液流动间隙流向内层圆桶(16)，然后沿着内层圆桶(16)的旋转外壳流向线圈绕线架(8)，最后流回励磁线圈(9)；通负向电流时，励磁线圈(9)产生的磁通方向与上述向反；当励磁线圈(9)通正向电流时，励磁线圈(9)产生的磁感应强度与磁铁I(5)、磁铁II(10)产生的磁感应强度相互叠加，增大了磁流变阻尼器的输出阻尼力；当励磁线圈(9)通负向电流时，励磁线圈(9)产生的磁场与磁铁I(5)、磁铁II(10)产生的磁场方向相反，造成磁流变液流动间隙的磁感应强度减弱，降低了磁流变阻尼器的输出阻尼力。

4.根据权利要求1所述的一种双圆桶旋转式磁流变阻尼器，其特征在于：壳体(6)、线圈绕线架(8)选用导磁率高，矫顽力低，退磁性能好的ＤＴ４Ｅ型电磁纯铁，磁铁I(5)和磁铁II(10)选用的型号是N30，由其余零件均由不导磁类不锈钢制成。