CN112855826A - 节能自锁式磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节能自锁式磁流变阻尼器，包括磁流变流体、缸体、活塞盘、钕铁硼永磁体矩阵、步进电机及涡轮蜗杆减速器、高压氮气、霍尔传感器等。所述的缸体内部填充有磁流变流体，活塞盘内部有钕铁硼永磁体矩阵，该矩阵可以绕自身一端的圆孔旋转，起到调节阻尼力的作用。活塞盘靠近外圆周位置设置有节流孔，磁流体可以从节流孔流过。所述的步进电机与涡轮蜗杆减速器连接在一起，输出轴安装有卷筒，卷筒旋转带动永磁体矩阵旋转。所述的高压氮气在缸体一端，作用是保持磁流体内部的静压力，排尽空气。本发明断电后仍然可以保持阻尼力，同时具有无级调节阻尼力的能力，功耗低发热小，成本低廉，结构简单。

Description

节能自锁式磁流变阻尼器

技术领域

本发明涉及一种节能自锁式阻尼装置，更具体地，涉及一种使用钕铁硼永磁体的自锁式磁流变阻尼器，可以解决磁流变阻尼器发热、功耗大等能量问题。

背景技术

阻尼器广泛运用于生产生活的方方面面，常见的阻尼器有液压阻尼器、空气阻尼器、磁流体阻尼器等。其中，磁流体阻尼器以其无极调节、无冲击的顺畅连接特性、快速的响应性等优点越来越受到人们的重视。然而，现有的磁流体阻尼器是靠电磁铁产生的电磁场来改变磁流体粘度，以达到改变阻尼效果的目的。但是电磁铁在工作时需要持续的电流输入，产生大量热量，进而影响磁流体的粘度，对阻尼性能的精确调节带来负面影响；也会因为热量产生安全隐患，对阻尼器的散热模块提出更高的要求。

为了解决这一问题，用永磁体取代电磁线圈不失为一个新的思路。杨文荣等在发明专利CN104196949A中阐述了一种永磁体取代电磁线圈的方案，该方案摆脱了电源束缚，解决了散热问题，但是无法做到在使用过程中自动调节永磁体磁性，只能拆开设备手动调节。郭有松等在论文《机械可调阻尼系数黏滞流体阻尼器设计与开发》中取消了电磁设备，通过改变回流孔直径来达到改变阻尼效果的目的。但该方案额外增加了两根外置回流管，使设备更加复杂笨重。

因此，需要一种节能环保的磁流变阻尼器，通过钕铁硼永磁体提供磁场，实现阻尼特性无级调节的功能；同时需要具备自锁功能，即在无外部能量输入的情况下永磁体能够保持位置，提供稳定的磁场。

发明内容

针对现有磁流变阻尼器的不足，本发明目的在于设计一种低功耗、发热小、阻尼力可调的磁流变阻尼装置，本专利将钕铁硼永磁体设置于磁流体腔内，可根据永磁体旋转角度对阻尼力进行无级调节，通过自锁式锁止机构实现低功耗目的，不依赖电磁线圈提供持续磁场，简便易行，成本低廉，功耗低，发热小。

为实现上述发明，本装置包括步进电机、涡轮蜗杆减速器、采用halbach阵列的永磁体阵列、编织线、磁流变体、卷筒、腔体、霍尔传感器、活塞、密封环等。

具体的说，包括缸体、缸体端盖、密封圈、气压缸、密封环、磁流变流体、步进电机及减速器、永磁体矩阵、卷筒、编织线、束磁铁片等。缸体作为主体，其上端安置有缸体端盖，以及密封圈；缸体下端面安置有气压缸硬端盖，气压缸硬端盖外侧凹槽内安装有气压缸密封环；气压缸硬端盖的腔内充有高压氮气，气压缸硬端盖上面设置有保持压力和传递压力用的气压缸软端盖；活塞杆安置在缸体中，活塞杆内部为中空结构，内部安置有步进电机与减速器，活塞杆下端安置有活塞盘；活塞盘的一端是步进电机和减速器，其输出轴上固定有卷筒，卷筒悬空端面上设置有监测卷筒旋转角度的霍尔传感器；卷筒上缠绕有编织线，该编织线另一端固定在永磁体矩阵的自由端；永磁体矩阵另一端设置有安置永磁体回转轴的轴孔；活塞盘上均匀设置有N个(这里N为自然数)供磁流体流通的节流孔；活塞盘外圆周上安置有起密封作用的活塞盘密封环，在活塞盘端部设置有避免磁流变流体进入活塞杆密封中空内腔的活塞盘端盖。

进一步，所述步进电机用于给调整钕铁硼永磁体的旋转角度，进而改变阻尼力，达到无级调节目的。断电后该步进电机具有自锁力矩，可保持步进电机转角不变。

进一步，所述的减速器为涡轮蜗杆减速器，减速比50:1，具备自锁特性。采用黄铜材料，使用寿命长，耐摩擦，提高了设备的可靠性。

进一步，所述的卷筒采用铝合金制造，重量轻，并且不会被钕铁硼永磁体磁化导致转动困难，同时不会影响钕铁硼永磁体阵列的磁场分布。

进一步，所述的编织线为凯夫拉编织线为两芯六股编织线，线直径0.98mm，可承受拉力超过250磅，并且不产生弹性形变，耐磨性好。凯夫拉编织线用于连接铝合金卷筒与永磁体阵列的端部，通过卷筒转动调节永磁体位置，进而改变阻尼力。

进一步，所述的永磁体矩阵为钕铁硼永磁体矩阵，采用halbach原理阵列排布，具有在不增加永磁体质量和体积的情况下增强磁感应强度的优点。永磁体阵列背部有束磁铁片，起到收束磁感线、减少漏磁的作用。

进一步，所述的磁流体为油基磁流体，润滑性好，不易粘滞。磁流体构成阻尼器的主要阻尼材料。

进一步，所述的霍尔传感器安置在卷筒悬空端面上，用于精确监测卷筒旋转角度，确保永磁体保持在合适的位置。

进一步，所述的活塞内部为空心结构，内部安置有永磁体、卷筒、减速器、步进电机等零部件。活塞端面设置有N个供磁流体流通的节流孔，(N为自然数)磁流体从该节流孔流动，通过控制节流孔的磁感应强度进而达到调节阻尼力的目的。

进一步，所述的缸体一端设置有氮气蓄压器，内部充满高压氮气，用以保持磁流体内部的压力。

进一步，所述的密封环存在于缸体与缸体内部件之间，作用是封闭磁流体和高压氮气，保持各组分稳定。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案能够取得下列有益效果：

(1)本发明不依赖持续电力输入即可保持所需的阻尼力，使功耗大大降低，发热情况得到极大改善；

(2)本发明通过改变永磁体旋转角度实现阻尼力的无级调节，控制算法简单，制造安装成本低廉，适合大批量生产；

(3)本发明使用基于halbach原理的永磁体阵列，可在永磁体体积与质量不变的情况下大大提高磁感应强度，提高阻尼力上限。

(4)传统磁流体阻尼器断电后阻尼力关于速度的响应曲线为斜率很小的直线，几乎没有阻尼效果；本发明的阻尼力调节机构具有自锁性能，断电后能保持阻尼力不变，并且对外界冲击振动具有抵抗能力，在恶劣环境下能保持稳定阻尼。

附图说明

图1为本发明的总体半剖图；

图2为本发明的活塞端面细节图；

图3为本发明的永磁体矩阵示意图；

图4为本发明的永磁体矩阵处于最大阻尼力状态时，永磁体横截面示意图；

图5为本发明的永磁体矩阵处于最小阻尼力状态时，永磁体横截面示意图；

图6为本发明调节阻尼力的控制流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

活塞拉环1、活塞拉环内套2、电机控制线3、出线孔4、活塞杆5、缸体6、缸体端盖7、密封圈8、步进电机9、涡轮蜗杆减速器10、磁流变流体11、气压缸软端盖12、气压缸密封环13、高压氮气14、气压缸硬端盖15、缸体拉环16、缸体拉环内套17、活塞盘密封环18、活塞盘19、节流孔20、永磁体回转轴21、永磁体矩阵22、束磁铁片23、凯夫拉编织线24、卷筒25、活塞盘端盖26。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种低功耗自锁式磁流体阻尼器，包括活塞拉环1、活塞拉环内套2、电机控制线3、出线孔4、活塞杆5、缸体6、缸体端盖7、密封圈8、步进电机9、涡轮蜗杆减速器10、磁流变流体11、气压缸软端盖12、气压缸密封环13、高压氮气14、气压缸硬端盖15、缸体拉环16、缸体拉环内套17、活塞盘密封环18、活塞盘19、节流孔20、永磁体回转轴21、永磁体矩阵22、束磁铁片23、凯夫拉编织线24、卷筒25、活塞盘端盖26。为节约篇幅，必要的通用配件例如电源、安装螺栓等未表示出。

本发明的零部件的相互关系或安装方式陈述如下：

(1)外筒与活塞杆：如图1所示，缸体6作为主体，其上端安置有缸体端盖7，以及密封圈8，起到密闭与支撑作用。缸体6下端面安装有气压缸硬端盖15，气压缸硬端盖15外侧凹槽内安置有气压缸密封环13，用于将磁流体封闭在气缸内部；气压缸硬端盖15的腔内充有高压氮气14，用气压缸软端盖12保持压力，同时传递压力，使缸体6的磁流体中没有空气与间隙。活塞杆5内部为中空结构，安置有步进电机9与涡轮蜗杆减速器10，活塞杆5下端安装有活塞盘19。

(2)活塞盘组合体：如图2所示，活塞盘19最右端是步进电机9和涡轮蜗杆减速器10，其输出轴上固定有卷筒25。卷筒25左端设置有霍尔传感器，作用是监测卷筒25的旋转角度。卷筒25上缠绕有凯夫拉编织线24，该线另一端固定在钕铁硼永磁体矩阵的自由端，随着凯夫拉编织线24的拉紧与放松，实现永磁体的收放。扇形永磁体矩阵22另一端钻有轴孔，里面穿有永磁体回转轴21，使永磁体只具有旋转自由度。活塞盘19上均匀设置有6个磁流体节流孔20，磁流变流体11可以从磁流体节流孔20中流动。活塞盘19外圆周上安装有活塞盘密封环18，起到密封作用。活塞盘端盖26安装在活塞盘19左端，作用是密封中空内腔，避免磁流变流体11进入活塞杆5。

如图3所示，永磁体矩阵2两块瓦片形钕铁硼永磁体构成，特点是均采用沿半径方向充磁，但充磁方向完全相反，一块外圆面为S极，另一块外圆面则为N极。永磁体矩阵22内援面上安装有束磁铁片23，其作用是降低磁阻，收束磁感线，减少磁泄漏，提高磁流体节流孔20内的磁感应强度。

如图4所示，卷筒25放松，凯夫拉编织线24自然伸长，永磁体矩阵22在磁吸力的作用下紧贴外圆周，此时磁流体节流孔20的磁感应强度最大，阻尼力也达到最大。

如图5所示，卷筒25收紧，凯夫拉编织线24拉紧，永磁体矩阵在凯夫拉编织线24的拉力作用下被拉离磁流体节流孔20，此时磁流体节流孔20的磁感应强度最小，阻尼力也最小。

永磁体矩阵22可以在两个极限位置之间无级调节并锁定位置，获得连续的阻尼力。

如图6所示为本发明调节阻尼力的控制流程。经过大量仿真计算与分析，本发明的卷筒旋转角度x与阻尼力y的数学关系满足下列公式：

y＝f(x)＝39.0735e^-0.10635x (1)

式中：x—卷筒旋转角度(°)，

y—阻尼力(N)。

阻尼器收到操作人员或传感器输入的阻尼力y，解算出卷筒25的旋转角度，然后进行旋转。由卷筒25末端的霍尔传感器判断是否旋转到位，并进行校准。卷筒25内部的温度传感器起到温控作用。

优选的，所述的缸体为钢制，具有耐高压、坚固可靠的优点，在本发明中作为主体结构，起到支撑与保护的作用。

优选的，所述步进电机用于给调整钕铁硼永磁体的旋转角度，进而改变阻尼力，达到无级调节目的。断电后该步进电机具有自锁力矩，可保持步进电机转角不变。

优选的，所述的减速器为涡轮蜗杆减速器，采用高减速比，减速比50:1，具备自锁特性；采用黄铜材料，使用寿命长，耐摩擦，提高了设备的可靠性。

优选的，所述的卷筒采用铝合金制造，重量轻，并且不会被钕铁硼永磁体磁化导致转动困难，同时不会影响钕铁硼永磁体阵列的磁场分布。

优选的，所述的凯夫拉编织线为两芯六股编织线，线直径0.98mm，可承受拉力超过250磅，并且不产生弹性形变，耐磨性好。凯夫拉编织线用于连接铝合金卷筒与永磁体阵列的端部，通过卷筒转动调节永磁体位置，进而改变阻尼力。

优选的，钕铁硼永磁体矩阵采用halbach原理阵列排布，具有在不增加永磁体质量和体积的情况下增强磁感应强度的优点。永磁体阵列背部有束磁铁片，起到收束磁感线、减少漏磁的作用。

优选的，所述的磁流体为油基磁流体，润滑性好，不易粘滞。磁流体构成阻尼器的主要阻尼材料。

优选的，所述的霍尔传感器布置在卷筒悬空端面上，用于精确监测卷筒旋转角度，确保永磁体保持在合适的位置。

优选的，所述的活塞内部为空心结构，内部安装有永磁体、卷筒、减速器、步进电机等零部件。活塞端面设置有6个供磁流体流通的节流孔，磁流体从该孔流动，通过控制节流孔的磁感应强度进而达到调节阻尼力的目的。本发明中所述的活塞端面设置的N个节流孔(N为自然数)，是根据活塞圆盘的直径来选定的。本实例中优选6个节流孔作为介绍，并不代表仅能布置6个节流孔。

优选的，缸体一端设置有氮气蓄压器，内部充满高压氮气，用以保持磁流体内部的压力。

优选的，所述的密封环存在于缸体与缸体内部件之间，作用是封闭磁流体和高压氮气，保持各组分稳定。

该系统的具体实施实例如下：

(1)上位机接收来自工作人员或传感器的阻尼力需求参数，计算出卷筒需要旋转到的角度；

(2)步进电机开始旋转，卷筒末端的霍尔传感器实时监测旋转角度是否到位；

(3)卷筒旋转到位后步进电机即可断电以节约能源并减少发热，卷筒的涡轮蜗杆减速器的自锁作用下实现锁定；

(4)若需要调节阻尼力，重复步骤(1)-(3)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种节能自锁式磁流变阻尼器，其特征在于，包括缸体、缸体端盖、密封圈、气压缸、密封环、磁流变流体、步进电机及减速器、永磁体矩阵、卷筒、编织线、束磁铁片；缸体作为主体，其上端安置有缸体端盖，以及密封圈；缸体下端面安置有气压缸硬端盖，气压缸硬端盖外侧凹槽内安装有气压缸密封环；气压缸硬端盖的腔内充有高压氮气，气压缸硬端盖上面设置有保持压力和传递压力用的气压缸软端盖；活塞杆安置在缸体中，活塞杆内部为中空结构，内部安置有步进电机与减速器，活塞杆下端安置有活塞盘；活塞盘的一端是步进电机和减速器，其输出轴上固定有卷筒，卷筒悬空端面上设置有监测卷筒旋转角度的霍尔传感器；卷筒上缠绕有编织线，该编织线另一端固定在永磁体矩阵的自由端；永磁体矩阵另一端设置有安置永磁体回转轴的轴孔；活塞盘上均匀设置有N个供磁流体流通的节流孔；活塞盘外圆周上安置有起密封作用的活塞盘密封环，在活塞盘端部设置有避免磁流变流体进入活塞杆密封中空内腔的活塞盘端盖。

2.如权利要求1所述的节能自锁式磁流变阻尼器，其特征在于，永磁体矩阵由两块瓦片形钕铁硼永磁体构成，均采用沿半径方向充磁，但充磁方向完全相反，一块外圆面为S极，另一块外圆面则为N极；永磁体矩阵内圆面上安装有起降低磁阻、收束磁感线、减少磁泄漏、提高磁流体节流孔内磁感应强度的束磁铁片。

3.如权利要求1所述的节能自锁式磁流变阻尼器，其特征在于，所述的编织线为凯夫拉编织线；所述的永磁体矩阵为钕铁硼永磁体矩阵。

4.如权利要求1所述的节能自锁式磁流变阻尼器，其特征在于，活塞盘上均匀设置有N个供磁流体流通的节流孔，其N为自然数。

5.如权利要求1所述的节能自锁式磁流变阻尼器，其特征在于，所述的减速器为涡轮蜗杆减速器；涡轮蜗杆减速器采用黄铜材料。

6.如权利要求1所述的节能自锁式磁流变阻尼器，其特征在于，所述的卷筒采用具有抗磁性的铝合金制造。

7.如权利要求3或6所述的节能自锁式磁流变阻尼器，其特征在于，所述凯夫拉编织线用于连接铝合金卷筒与钕铁硼永磁体阵列的端部。

8.如权利要求1所述的节能自锁式磁流变阻尼器，其特征在于，钕铁硼永磁体矩阵采用halbach原理阵列排布。

9.如权利要求1所述的节能自锁式磁流变阻尼器，其特征在于，活塞内部为空心结构，内部安装有永磁体、卷筒、减速器、步进电机零部件。

10.如权利要求1所述的节能自锁式磁流变阻尼器，其特征在于，缸体一端设置有用以保持磁流体内部的压力氮气蓄压器。

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