CN111810556A - 一种液压挤压式磁流变液离合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液压挤压式磁流变液离合器，属于机械传动技术领域。包括机械结构部分和液压控制部分。机械部分包括外壳、主动组件、从动组件、磁流变液、磁流变液挤压装置、容积微调装置和磁场发生装置。液压控制部分包括电机、油泵、二位二通电磁阀、电液比例溢流阀，用来控制磁流变液的轴向挤压力。本发明改变了传统的基于单剪切流动的磁流变液离合器的工作模式，在不增加离合器机械结构装置体积的基础上，大大提高了转矩传递能力，具有超出一般磁流变液离合器数倍的转矩/体积比或转矩/质量比。

Description

一种液压挤压式磁流变液离合器
技术领域
本发明涉及一种基于智能材料“磁流变液”的智能离合器，具体是一种工作在挤压和剪切混合模式下的磁流变液离合器。
背景技术
磁流变液是一种新型的智能材料，能够在外加磁场作用下发生独特的流变特性，从低粘度的类牛顿流体变为高粘度的类固体态，表现出一定的抗剪屈服应力，而且这种流变特性具有瞬间性，可逆性，可控性极强。目前磁流变液已经以其响应快、能耗低、易于控制、耐用性好、工作温度范围宽、使用寿命长等优势而被广泛用于机械传动领域。磁流变离合器是通过对外加磁场强度的控制实现离合器结合、分离功能,甚至可以实现扭矩传递的无级变化控制。它克服了传统离合器易磨损,噪音大，结构复杂等缺点，可实现主从动件间的柔性传动,可实现低能耗、高灵敏度、高精度、平稳地无级调速,易实现调速过程的遥控和自动控制等。但磁流变液剪切屈服应力不足问题一直限制着磁流变液离合器的发展状况,依据现有的磁流变液剪切屈服应力设计的磁流变离合器,因其传递转矩较小而无法满足工业需求。也有依靠增大装置体积而获得较高的转矩传递能力，但这往往导致性价比低、使用不便、转矩/质量比低下。
通常磁流变液中磁性颗粒在磁场作用下可形成通链、支链、孤立链和柱状链等微观结构,但这些链结构表现出较低的剪切屈服应力。然而学者已经发现当磁流变液在磁场中受到沿磁场方向的外加正压力时,其剪切应力可以得到较大提高,甚至是提高一个数量级。目前基于这种挤压强化技术的传动装置还未上市，国内也仅有公开号CN202560877（挤压磁流变液离合器）、CN106949211（电磁挤压与磁流变液复合传动装置）、CN202468782（双盘式挤压磁流变制动器）、CN103089863（一种径向挤压式磁流变液制动器）、CN103470654（压电挤压式磁流变离合器及其传递扭矩计算方法）、CN203257931（一种新型挤剪式磁流变体汽车用离合器）、CN102562857（一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器）、CN205780701（一种温控式弓形磁流变液与形状记忆合金挤压传动装置）等数个专利涉及到挤压式磁流变液离合器，其利用手动、电磁、压电、记忆合金等驱动手段对磁流变液进行挤压而增大其传递转矩。但这些驱动挤压方式存在可控性差或驱动功率密度低等不足，本发明涉及了一种液压驱动挤压式磁流变液离合器，具有驱动功率大、压力控制精度高且控制稳定性好等特点。同时，在不改变机械装置结构的基础上大大提高了转矩传递能力，具有较高的转矩/质量比或转矩/体积比。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种液压驱动的挤压式磁流变液离合器。在传统磁流变液传递转矩达到上限后，通过引进油压这一参数进一步提升转矩，进而消除或降低现有磁流变液离合器传递转矩有限、体积庞大等弊端，具有较高的转矩/体积比或转矩/质量比。
为了实现上述目的，一种液压挤压式磁流变液离合器，包括机械结构和液压控制系统。机械结构包括外壳、主动组件、从动组件、磁流变液、磁流变液挤压装置、容积微调装置和磁场发生装置。外壳由左导磁外壳、右导磁外壳、轴承座、左端盖、右端盖组成，相互之间通过螺栓固定连接。磁场发生装置线圈被左右导磁外壳包裹固定；主动组件由主动轴、主动盘、圆锥滚子轴承、圆螺母组成，主动轴与主动盘由螺钉连接，且通过圆锥滚子轴承固定支撑在外壳上。
其特征在于：
所述磁流变液挤压装置由油缸、柱塞、推力球轴承、压盘组成，油缸通过螺栓与外壳连接，柱塞与压盘之间支撑推力球轴承，压盘与从动轴间隙配合；
所述从动组件主要包括从动轴、从动盘、深沟球轴承、圆螺母、碟簧。从动盘与从动轴花键连接，并依靠碟簧与圆螺母轴向定位，可以在轴上轴向位移，碟簧在油缸泄压后快速推回从动盘，从动轴通过一对深沟球轴承固定支撑在油缸上，油缸和活塞为固定式，不随传动轴旋转。
所述容积微调装置包括中心孔、螺旋弹簧和活塞；可容纳因温度升高液体膨胀或挤压工况下工作间隙的减小而产生的多余的磁流变液，从而调整工作间隙内压力减少其泄露。
所述液压控制系统包括油箱、粗过滤器、定量泵、电机、精过滤器、二位二通电磁阀、电液比例溢流阀、功率放大器和压力表。液压控制系统设有两个二位二通电磁阀，可实现保压节能与快速卸荷功能。
与现有技术相比，本发明改变了传统的基于单剪切流动的磁流变液离合器的工作模式，在不增加离合器机械结构装置体积的基础上，大大提高了转矩传递能力，具有超出一般磁流变液离合器数倍的转矩/体积比或转矩/质量比。所述挤压式磁流变液离合器采用液压式驱动，控制压力稳定且精度高。
附图说明
图1为本发明的液压挤压式磁流变液离合器的结构图；
图2为本发明的液压挤压式磁流变液离合器的液压控制系统原理图。
图中：1、主动轴，2、从动轴，3、主动盘，4、从动盘，5、圆锥滚子轴承，6、深沟球轴承圆螺母，7、主动轴圆螺母，8、从动轴圆螺母， 9、碟簧，10、圆螺母，11、工作区域，12、旋转密封圈，13、油缸，14、柱塞，15、推力球轴承，16、压盘，17、油液入口，18、中心孔，19、螺旋弹簧，20、活塞，21、励磁线圈，22、隔磁环，23、左导磁外壳，24、右导磁外壳，25、轴承座，26、左端盖，27、右端盖，28、密封圈，29、螺栓，30、油箱，31、粗过滤器，32、定量泵，33、电机，34、精过滤器，35和36、二位二通电磁阀，37、电液比例溢流阀、38、功率放大器，39、压力表，40、油路输出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种液压挤压式磁流变液离合器，由机械结构部分和液压控制部分组成。机械部分包括外壳、主动组件、从动组件、磁流变液、磁流变液挤压装置、容积微调装置和磁场发生装置。液压控制系统包括电机、油泵、二位二通电磁阀、电液比例溢流阀，用来控制磁流变液挤压装置中油缸的油压从而控制工作间隙中的磁场作用下的磁流变液的轴向挤压力。
所述机械结构部分的主动组件主要包括主动轴1、主动盘3、圆锥滚子轴承5、圆螺母7。主动轴一端以键与原动机连接，用以传递转速与转矩；另一端与主动盘螺纹紧固连接；由于主动盘1和主动盘3承受轴向载荷，优选一对圆锥滚子轴承5用来轴向与径向固定支撑主动轴1；所述圆锥滚子轴承5依靠轴肩与圆螺母进行轴向定位。优选主动轴选用隔磁的奥氏体不锈钢材料，主动盘选用高导磁率的软磁材料。
所述机械结构部分的从动组件主要包括从动轴2、从动盘4、深沟球轴承6、圆螺母8和10、碟簧9。从动轴2一端以键与负载连接，用以传递转速与转矩；另一端以花键与从动盘4连接，从动盘通过花键与从动轴2轴向定位，但可以在轴上轴向位移；为了限制从动盘的过大位移，从动轴2左端以圆螺母10配合碟簧9对从动盘4轴向限位，碟簧9的用途是在油缸泄压后依靠碟簧弹性势能快速推回从动盘2；优选一对深沟球轴承6用来对从动轴2进行轴向与径向定位；所述深沟球轴承6依靠轴肩与圆螺母进行轴向定位。优选从动轴选用隔磁的奥氏体不锈钢材料，从动盘选用高导磁率的软磁材料。
磁流变液容纳在主从动盘形成的工作区域11内，所述工作区域11由主动盘3、从动盘4包围而成，并依靠旋转密封圈12密封；优选磁流变液工作区域内主从动盘间隙为1 ~2mm；所述磁流变液可响应磁场变化而产生相应的流变特性，顺应磁场方向在主从动盘之间形成链状结构，呈现出一定的剪切屈服应力从而传递转矩。
磁流变液挤压装置主要包括油缸13、柱塞14、推力球轴承15、压盘16。油缸13通过螺栓与固定外壳紧固连接；柱塞14与油缸13之间设置密封环，防止油液泄露；柱塞14与压盘16之间支撑推力球轴承15，可使柱塞14与压盘16相对旋转；压盘16与从动轴2间隙配合，可在从动轴上轴向位移。在挤压工况下，压力油由油液入口17流入油缸13中，推动柱塞14轴向伸出位移，从而带动推力球轴承15与压盘16位移，进一步依靠压盘16推动从动盘2对工作区域11中的磁流变液进行轴向挤压。优选推力球轴承15设置在柱塞14与压盘16之间，使得油缸13和柱塞14成为固定油缸和固定柱塞，消除了控制油缸离心力的影响。此外，在满足磁流变液离合器载荷要求的前提下，采用模块化小油缸设计，提高了单位控制油量对柱塞轴向移动控制的灵敏度，同时拓宽了离合器的调速范围。优选油缸采用绝磁材料。
容积微调装置包括中心孔18、螺旋弹簧19和活塞20。在主动轴1大端处开设中心孔18，所述活塞20可在中心孔18内轴向移动，其一侧与磁流变液接触，另一侧通过螺旋弹簧19与孔壁接触，活塞20上布置有密封环，由此组成容积微调装置，可容纳因温度升高液体膨胀或挤压工况下工作间隙的减小而产生的多余的磁流变液，从而调整工作间隙11内压力减少其泄露。
磁场发生装置包括励磁线圈21和隔磁环22。所述励磁线圈用来产生磁场，是由漆包线绕制而成，线圈外部经绝缘的白布包裹，再通过环氧树脂浸泡后固定晾干而成。所述隔磁环是由低导磁率或绝磁材料制成，用来引导磁通量通入工作区域。
所述机械结构部分的外壳包括左导磁外壳23、右导磁外壳24、轴承座25、左端盖26、右端盖27、密封圈28、螺栓29。左右导磁外壳23、24由高导磁率材料制成，是整个离合器的固定支撑，同时引导传递磁通量；轴承座25优选隔磁材料如奥氏体不锈钢材料，采用螺栓连接固定到左导磁外壳，用来固定支撑圆锥滚子轴承5；左右端盖26、27采用螺栓连接分别固定到轴承座25与油缸13上。
所述液压控制系统包括液压控制部分包括油箱30、粗过滤器31、定量泵32、电机33、精过滤器34、二位二通电磁阀35和36、电液比例溢流阀37、功率放大器38、压力表39。
所述的控制油泵电机33带动控制油泵32工作，从油箱30中吸油；油液在到达控制油泵32之前要经过第一粗过滤器31，对油液进行第一次过滤；油液从控制油泵32出油口出来后，经过精过滤器34对油液进行第二次过滤；在所述的精过滤器34出油口安装有压力表39，测量电液比例溢流阀37给系统控制的压力大小；主路中的二位二通电磁阀36和旁路的二位二通电磁阀35则控制油液的流向，实现保压节能与快速卸荷功能。
其具体的工作过程如下：
负载转矩调节阶段: 首先调节线圈电流来改变磁场强度，电流越大磁场越强，磁流变液由液体变为类固体，表现的剪切屈服应力越大从而离合器传递的转矩越大。当达到剪切模式下的最大转矩上限后，液压控制系统工作，油泵电机带动控制油泵工作，从油箱中吸油；主路中的二位二通电磁阀得电工作，控制油进入油缸，油缸压力由电液比例溢流阀调控，按照控制指令调节相应工作油压进而对从动盘产生相应轴向挤压力，固化的磁流变液在轴向挤压下产生更大的剪切屈服应力，此屈服应力与工作油压正相关，随着工作油压的增大屈服应力增大导致的传递转矩变大，从而提升了负载转矩的调节范围。当一直处于最大负载转矩工况下时，主路中的二位二通电磁阀失电，主油路断开油缸压力处于保压状态；而旁路的二位二通电磁阀得电工作，油泵低压卸荷节省能源。
负载转速调节阶段：当需要调节转速时，主、旁路中的二位二通电磁阀迅速得电接通油路，油缸中的油液迅速流回油箱，在碟簧的作用下，从动盘快速分离，此时仅通过线圈即可调节相应转速变化。

Claims (5)

1.一种液压挤压式磁流变液离合器，包括机械结构和液压控制系统,机械结构包括外壳、主动组件、从动组件、磁流变液、磁流变液挤压装置、容积微调装置和磁场发生装置,外壳由左导磁外壳（23）、右导磁外壳（24）、轴承座（25）、左端盖（26）、右端盖（27）组成，相互之间通过螺栓固定连接,磁场发生装置线圈（21）被左右导磁外壳包裹固定；主动组件由主动轴（1）、主动盘（3）、圆锥滚子轴承（5）、圆螺母（7）组成，主动轴（1）与主动盘（3）由螺钉连接，且通过圆锥滚子轴承（5）固定支撑在外壳上,其特征在于：
所述磁流变液挤压装置由油缸（13）、柱塞（14）、推力球轴承（15）、压盘（16）组成，油缸通过螺栓与外壳连接，柱塞与压盘之间支撑推力球轴承，压盘与从动轴间隙配合；
所述从动组件主要包括从动轴（2）、从动盘（4）、深沟球轴承（6）、圆螺母（8）和（10）、碟簧（9）,从动盘与从动轴花键连接，并依靠碟簧与圆螺母轴向定位，从动轴通过一对深沟球轴承固定支撑在油缸上；
所述容积微调装置包括中心孔（18）、螺旋弹簧（19）和活塞（20）；
所述液压控制系统包括油箱（30）、粗过滤器（31）、定量泵（32）、电机（33）、精过滤器（34）、二位二通电磁阀（35）和（36）、电液比例溢流阀（37）、功率放大器（38）和压力表（39）。
2.按照权利要求1所述的一种液压挤压式磁流变液离合器，其特征在于：从动盘（4）通过花键与从动轴（2）周向和径向定位，但可以在轴上轴向位移；为了限制从动盘的过大位移，从动轴（2）左端以圆螺母（10）配合碟簧（9）对从动盘（4）轴向限位，碟簧（9）在油缸泄压后快速推回从动盘（2）。
3.按照权利要求1所述的一种液压挤压式磁流变液离合器，其特征在于：油缸和活塞为固定式，不随传动轴旋转。
4.按照权利要求1所述的一种液压挤压式磁流变液离合器，其特征在于：在压盘与活塞之间加入轴向推力球轴承。
5.按照权利要求1所述的一种液压挤压式磁流变液离合器，其特征在于：液压控制系统设有两个二位二通电磁阀。
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