CN111623072A - 一种流体阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种流体阻尼器，包括活塞和具有柱形内腔的缸体，柱形内腔中充有磁流变流体，活塞安装在柱形内腔中并与缸体的内壁之间留有间隙，活塞两端设有穿过缸体的缸壁并伸出至缸体外部的活塞杆，活塞内部安装有激励线圈。该流体阻尼器具有结构简单紧凑、成本低、易于制作、工作稳定可靠、能耗低、阻尼效果好等优点。

Description

一种流体阻尼器
技术领域
本发明涉及阻尼装备技术领域，具体涉及一种流体阻尼器。
背景技术
振动现象在生活中普遍存在，在给人生活带来便利时候，也给人们生活中带来许多危害，轻则是影响仪表精度、乘客舒适；重则是危害人体健康、破坏机械设备和土木工程结构。因此人们利用阻尼器作为耗能装置吸收振动能量，减小设备振动。传统阻尼器的阻尼大小一般为恒定值，难以解决需要变阻尼的减振问题。因此有许多研究者尝试设计出可变的阻尼器结构，如可变阻尼孔和半主动摩擦装置等，但这都会导致阻尼器的结构较为复杂。
可变阻尼技术如电/磁流变作为阻尼器液的智能流体阻尼器中，通过改变控制电流的大小，以达到调节阻尼器刚度的效果。但是组成电/磁流变的电微粒、铁微粒为密度较大固体颗粒制成，长时间放置后会发生沉降固结，严重时会可能导致阻尼器失效。同时在较高剪切幅值条件下，磁流变流体的剪切应力发生波动。且电/磁流变阻尼器是一种有源的减振装置，一旦在恶劣环境失去电流源，整个装置都会陷入被动瘫痪之中。同时，现有电/磁流变阻尼器的激励线圈安装在缸体内腔中，会降低活塞与缸体之间间隙的磁强强度和磁场均匀度，导致能耗高、阻尼效果差。
剪切增稠流体由于其可以对流体剪切速率产生响应而被应用于阻尼器中。当剪切速率超过临界值时，流体中的增稠颗粒会发生团簇效应，导致流体流动阻力增加，耗能能力增强。剪切增稠流体阻尼器不需要如同电/磁流变阻尼器一样的电流源，因此剪切增稠阻尼器具备更高的稳定性，但是剪切增稠流体阻尼器只能依据输入的剪切速率来调控控制阻尼器的刚度大小。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种结构简单紧凑、成本低、易于制作、工作稳定可靠、能耗低、阻尼效果好的流体阻尼器。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种流体阻尼器，包括活塞和具有柱形内腔的缸体，所述柱形内腔中充有磁流变流体，所述活塞安装在所述柱形内腔中并与缸体的内壁之间留有间隙，所述活塞两端设有穿过缸体的缸壁并伸出至缸体外部的活塞杆，所述活塞内部安装有激励线圈。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述活塞包括内本体和两个外筒体，两个外筒体可拆卸的连接于内本体上且在活塞杆延伸方向上间隔布置，两个外筒体之间的缝隙中安装有阻磁环，所述阻磁环和两个外筒体拼接成一筒状结构，所述筒状结构和内本体之间形成一环形内腔，所述激励线圈安装在所述环形内腔中。
所述外筒体以螺纹配合方式套设安装在内本体的外部。
所述内本体具有贯通孔，所述贯通孔中穿设安装有一杆件，所述杆件伸出内本体两端的部位作为活塞两端的活塞杆，所述杆件上设有与杆件固接的定位凸环部以及与杆件螺纹配合连接的可拆卸锁紧件，所述定位凸环部和可拆卸锁紧件分别对应与所述内本体的两端相抵以阻止内本体沿杆件移动。
所述内本体的两端均设有定位凸台，所述外筒体具有向外筒体内部凸出并与内本体螺纹配合连接的环形定位部，所述外筒体一端的定位凸台和定位凸环部夹紧固定其中一个外筒体的环形定位部，所述外筒体另一端的定位凸台与可拆卸锁紧件夹紧固定另一个外筒体的环形定位部。
所述活塞至少一端的活塞杆上设有供线圈的导线导出至缸体外部的内部通道。
所述缸体被活塞杆穿过的两个端部均设有供柱形内腔中磁流变流体排出的溢流孔，所述溢流孔中设有用于将溢流孔密封的可拆卸密封机构，所述溢流孔具有一段位于缸体内部端面与密封堵头之间的用于容置磁流变流体的容置段。
所述可拆卸密封机构包括螺纹配合安装在所述溢流孔中的密封堵头。
所述缸体包括缸套和两个端盖，所述缸套的内孔两端分别设有阶梯孔，两个端盖分别对应安装在缸套两端的阶梯孔中，各端盖通过一个与缸套螺纹配合连接的外压盖压紧固定，各端盖与阶梯孔的内壁之间设有至少一个密封圈；所述活塞两端的活塞杆分别对应穿过两个端盖，各活塞杆与对应端盖之间设有至少两个密封圈。
所述磁流变流体为磁流变剪切增稠流体，所述磁流变剪切增稠流体由质量分数为17％～25.5％的纳米二氧化硅、质量分数为60％～76％的聚乙二醇和质量分数为5％～15％的羰基铁粉混配而成。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的流体阻尼器将激励线圈内置在活塞内部，激励线圈随活塞移而移动，能够提高活塞和缸体之间间隙内部的磁场强度以及磁场均匀度，在相同的磁场环境下可减小激励电流，达到解决线圈发热问题，降低能耗，提高阻尼效果的目的。该流体阻尼器还具有结构简单紧凑、成本低、易于制作、工作稳定可靠的优点。
附图说明
图1为流体阻尼器的主剖视结构示意图。
图2为端盖与缸套连接处的局部剖视结构示意图。
图3为溢流孔处的局部剖视结构示意图。
图4为磁流变剪切增稠流体在无磁场环境下的速率粘度图。
图5为磁流变剪切增稠流体在有磁场环境下的应力应变曲线图。
图例说明：
1、活塞；10、活塞杆；101、内部通道；11、内本体；12、外筒体；13、阻磁环；2、缸体；20、柱形内腔；201、溢流孔；202、密封堵头；21、缸套；22、端盖；23、外压盖；3、激励线圈；4、杆件；41、定位凸环部；5、可拆卸锁紧件。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本实施例的流体阻尼器，包括活塞1和具有柱形内腔20的缸体2，柱形内腔20中充有磁流变流体，活塞1安装在柱形内腔20中并与缸体2的内壁之间留有间隙，活塞1两端设有穿过缸体2的缸壁并伸出至缸体2外部的活塞杆10，活塞1内部安装有激励线圈3，激励线圈3通电时产生磁场以改变磁流变流体的粘度和流动阻力。活塞1在缸体2内运动可推动磁流变流体流经活塞1与缸体2内壁之间的间隙，使机械能转化为内能，达到减振的目的。该流体阻尼器将激励线圈3内置在活塞1内部，激励线圈3随活塞1移而移动，能够提高活塞1和缸体2之间间隙内部的磁场强度以及磁场均匀度，在相同的磁场环境下可减小激励电流，达到解决线圈发热问题，降低能耗，提高阻尼效果的目的。该流体阻尼器还具有结构简单紧凑、成本低、易于制作、工作稳定可靠的优点。
本实施例中，活塞1包括内本体11和两个外筒体12，两个外筒体12可拆卸的连接于内本体11上且在活塞杆10延伸方向上间隔布置，两个外筒体12之间的缝隙中安装有阻磁环13，阻磁环13和两个外筒体12拼接成一筒状结构，筒状结构和内本体11之间形成一环绕内本体11的环形内腔，激励线圈3安装在环形内腔中。两个外筒体12之间的缝隙中安装阻磁环13，可避免活塞1自身形成闭合磁路，进一步保证活塞1和缸体2之间间隙内部的磁场强度以及磁场均匀度。同时，活塞1由阻磁环13、内本体11和两个外筒体12可拆卸连接构成，便于制作，同时方便激励线圈3的安装、维护。
优选的，外筒体12以螺纹配合方式套设安装在内本体11的外部，其连接稳固性和密封性好，且便于制作装配。
本实施例中，内本体11具有贯通孔，贯通孔中穿设安装有一杆件4，杆件4伸出内本体11两端的部位作为活塞1两端的活塞杆10，杆件4上设有与杆件4固接的定位凸环部41以及与杆件4螺纹配合连接的可拆卸锁紧件5，定位凸环部41和可拆卸锁紧件5分别对应与内本体11的两端相抵以阻止内本体11沿杆件4移动。该种结构及装配方式方便制作，可快速方便的对活塞1进行装配和拆卸，且活塞1的安装稳固性好。
本实施例中，内本体11的两端均设有定位凸台，外筒体12具有向外筒体12内部凸出并与内本体11螺纹配合连接的环形定位部，外筒体12一端的定位凸台和定位凸环部41夹紧固定其中一个外筒体12的环形定位部，外筒体12另一端的定位凸台与可拆卸锁紧件5夹紧固定另一个外筒体12的环形定位部，能够进一步提高活塞1的稳固性和密封性。
本实施例中，可拆卸锁紧件5采用锁紧螺母和垫片的组合。
本实施例中，活塞1至少一端的活塞杆10上设有供线圈的导线导出至缸体2外部的内部通道101，便于线圈的导线导出至缸体2外部。优选的，活塞1上设有与内部通道101连通的连通通道，线圈的导线经连通通道和内部通道101导出至缸体2外部，不会与柱形内腔20中的磁流变液体接触，同时避免磁流变液体泄漏。
本实施例中，如图3所示，缸体2被活塞杆10穿过的两个端部均设有供柱形内腔20中磁流变流体排出的溢流孔201，溢流孔201中设有用于将溢流孔201密封的可拆卸密封机构，溢流孔201具有一段位于缸体2内部端面与密封堵头202之间的容置段，容置段用于容置磁流变流体，设置溢流孔201可避免安装时柱形内腔20内部裹挟气泡，溢流孔201的容置段可避免活塞1卡死在柱形内腔20中。
本实施例中，可拆卸密封机构包括螺纹配合安装在溢流孔201中的密封堵头202，其结构简单、成本低、拆装方便。上述密封堵头202可采用沉头螺钉。
本实施例中，如图1和图2所示，缸体2包括缸套21和两个端盖22，缸套21的内孔两端分别设有阶梯孔，两个端盖22分别对应安装在缸套21两端的阶梯孔中，各端盖22通过一个与缸套21螺纹配合连接的外压盖23压紧固定，各端盖22与阶梯孔的内壁之间设有一个密封圈；活塞1两端的活塞杆10分别对应穿过两个端盖22，各活塞杆10与对应端盖22之间设有两个密封圈，避免活塞杆10往复运动时出现磁流变流体泄漏。该种缸体2具有易于制作装配、密封性好、结构稳定性高的优点。上述溢流孔201具体设置在其中一个端盖22上。
本实施例中，磁流变流体为磁流变剪切增稠流体，磁流变剪切增稠流体由质量分数为17％～25.5％的纳米二氧化硅、质量分数为60％～76％的聚乙二醇和质量分数为5％～15％的羰基铁粉混配而成。优选的，羰基铁粉采用3μm～5μm的羰基铁粉。
该种磁流变剪切增稠流体可以同时保持着MR与STF流体特性，在磁场环境下同时具备剪切增稠流体和磁流变流体的流变特性优势。图4示出了该种磁流变剪切增稠流体(17％质量含量的纳米二氧化硅，68％质量含量的聚乙二醇，15％质量含量的羰基铁粉)在无磁场环境下的速率粘度图，图5示出了该种磁流变剪切增稠流体(17％质量含量的纳米二氧化硅，68％质量含量的聚乙二醇，15％质量含量的羰基铁粉)在不同磁场环境下的应力应变图，可以看出，该磁流变剪切增稠流体在零磁场环境下表现为优异的剪切增稠流体，而在有磁场环境下，磁流变剪切增稠流体的剪切应力可以随着磁场强度增加而增加，而且在超过临界剪切速率下出现了剪切增稠。在高的剪切幅值条件下(50％以上)，磁流变剪切增稠流体剪切应力可以随着剪切应变增加而增加，随着磁场强度的增加其剪切应力也明显增加。
该种磁流变剪切增稠流体作为连续相，大大改善了磁流变流体的沉降特性。当阻尼器在没有磁场作用的环境下，磁流变剪切增稠流体具备优异的剪切增稠流体特性，依旧可以通过活塞1剪切速率不同而产生不同的剪切应力。在磁场作用下，磁流变剪切增稠流体具有磁流变和剪切增稠特性，提高阻尼刚度；同时较传统的磁流变流体具备更加稳定的剪切幅值特性，提高流体阻尼器在大剪切幅值高磁场环境下的稳定性。
采用该种磁流变剪切增稠流体后，流体阻尼器同时具备主动和被动两种控制减震方式，同时具有工作稳定可靠性高，自适应强的特性。在有磁场环境下，由于铁粉颗粒的存在，在施加的磁场后，磁流变剪切增稠流体中会迅速产生铁磁颗粒形成短链，流体流动阻力增加，粘度上升，磁流变剪切增稠流体的剪切应力也因此随着磁场的增加而增加，因此实现了流体阻尼器的主动控制的目的。在恒定的磁场环境下，随着剪切速率的增加，磁流变剪切增稠流体中的增稠相可在振荡剪切的过程中形成粒子簇，以提高流体剪切应力，完成阻尼器的被动控制减振方式，同时可以增强流体阻尼器的被动控制减振的性能。此外，当外接电源失效时，该磁流变剪切增稠流体依旧可以保持优异的剪切增稠流体特性，使阻尼器依旧可以正常工作。
本实施例中，柱形内腔20的内径在30mm～100mm之间，活塞1与缸体2内壁之间的间隙为1mm～4mm。优选的，活塞杆10的最大行程为±10mm，活塞杆10的直径为9mm，柱形内腔20的内径可为50mm、52mm或54mm，活塞1与缸体2内壁之间的间隙为1mm、2mm或3mm。
本实施例中，活塞1采用工业纯铁DT4C，缸套21考虑到活塞1移动时产生压力的影响，采用强度较高的导磁材料，活塞杆10和端盖22均采用不导磁的不锈钢材料(如SUS304等)，阻磁环13的材料采用不锈钢SUS304。激励线圈3匝数为200～400匝，导线直径为1mm，电流0-2A，对应磁场强度在0-200mT之间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种流体阻尼器，包括活塞(1)和具有柱形内腔(20)的缸体(2)，所述柱形内腔(20)中充有磁流变流体，所述活塞(1)安装在所述柱形内腔(20)中并与缸体(2)的内壁之间留有间隙，所述活塞(1)两端设有穿过缸体(2)的缸壁并伸出至缸体(2)外部的活塞杆(10)，其特征在于：所述活塞(1)内部安装有激励线圈(3)。
2.根据权利要求1所述的流体阻尼器，其特征在于：所述活塞(1)包括内本体(11)和两个外筒体(12)，两个外筒体(12)可拆卸的连接于内本体(11)上且在活塞杆(10)延伸方向上间隔布置，两个外筒体(12)之间的缝隙中安装有阻磁环(13)，所述阻磁环(13)和两个外筒体(12)拼接成一筒状结构，所述筒状结构和内本体(11)之间形成一环形内腔，所述激励线圈(3)安装在所述环形内腔中。
3.根据权利要求2所述的流体阻尼器，其特征在于：所述外筒体(12)以螺纹配合方式套设安装在内本体(11)的外部。
4.根据权利要求3所述的流体阻尼器，其特征在于：所述内本体(11)具有贯通孔，所述贯通孔中穿设安装有一杆件(4)，所述杆件(4)伸出内本体(11)两端的部位作为活塞(1)两端的活塞杆(10)，所述杆件(4)上设有与杆件(4)固接的定位凸环部(41)以及与杆件(4)螺纹配合连接的可拆卸锁紧件(5)，所述定位凸环部(41)和可拆卸锁紧件(5)分别对应与所述内本体(11)的两端相抵以阻止内本体(11)沿杆件(4)移动。
5.根据权利要求4所述的流体阻尼器，其特征在于：所述内本体(11)的两端均设有定位凸台，所述外筒体(12)具有向外筒体(12)内部凸出并与内本体(11)螺纹配合连接的环形定位部，所述外筒体(12)一端的定位凸台和定位凸环部(41)夹紧固定其中一个外筒体(12)的环形定位部，所述外筒体(12)另一端的定位凸台与可拆卸锁紧件(5)夹紧固定另一个外筒体(12)的环形定位部。
6.根据权利要求1所述的流体阻尼器，其特征在于：所述活塞(1)至少一端的活塞杆(10)上设有供线圈的导线导出至缸体(2)外部的内部通道(101)。
7.根据权利要求1所述的流体阻尼器，其特征在于：所述缸体(2)被活塞杆(10)穿过的两个端部均设有供柱形内腔(20)中磁流变流体排出的溢流孔(201)，所述溢流孔(201)中设有用于将溢流孔(201)密封的可拆卸密封机构，所述溢流孔(201)具有一段位于缸体(2)内部端面与密封堵头(202)之间的用于容置磁流变流体的容置段。
8.根据权利要求7所述的流体阻尼器，其特征在于：所述可拆卸密封机构包括螺纹配合安装在所述溢流孔(201)中的密封堵头(202)。
9.根据权利要求1所述的流体阻尼器，其特征在于：所述缸体(2)包括缸套(21)和两个端盖(22)，所述缸套(21)的内孔两端分别设有阶梯孔，两个端盖(22)分别对应安装在缸套(21)两端的阶梯孔中，各端盖(22)通过一个与缸套(21)螺纹配合连接的外压盖(23)压紧固定，各端盖(22)与阶梯孔的内壁之间设有至少一个密封圈；所述活塞(1)两端的活塞杆(10)分别对应穿过两个端盖(22)，各活塞杆(10)与对应端盖(22)之间设有至少两个密封圈。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的流体阻尼器，其特征在于：所述磁流变流体为磁流变剪切增稠流体，所述磁流变剪切增稠流体由质量分数为17％～25.5％的纳米二氧化硅、质量分数为60％～76％的聚乙二醇和质量分数为5％～15％的羰基铁粉混配而成。
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