CN113187829B - 一种形状记忆合金驱动的圆筒圆盘磁流变传动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种形状记忆合金驱动的圆筒圆盘磁流变传动装置，包括主动轴、从动壳体和从动轴；所述从动壳体包括依次相连的左端盖、外壳、透盖以及右端盖；在传动段与外壳之间的间隙或传动段与左端盖和透盖之间的间隙内填充有磁流变液；在主动轴的传动段的两侧设有两滑槽，在所述滑槽内设有半圆筒；在半圆筒内侧设有形状记忆合金弹簧，在滑槽的底面的靠近两侧边缘处沿传动段的轴向设有导向凸沿，在半圆筒的两侧对应导向凸沿的位置设有导向卡槽。本发明能够传递的转矩最大值更大，并且能够根据实时温度自动调节传递的转矩，使能耗更低，并保证传动过程的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及传动装置技术领域，尤其涉及一种形状记忆合金驱动的圆筒圆盘磁流变传动装置。
背景技术
磁流变液是一种磁智能材料，其主要由磁性颗粒和基液(通常为硅油)构成，受外加磁场的控制，在无外加磁场时，表现出牛顿流体的性质；加入磁场后，磁流变液表现出Bingham塑性流体的性质；整个变化过程迅速，可逆，操作简便。形状记忆合金(SMA)是新型智能材料，具有一定初始形状的形状记忆合金在一定条件下进行一定程度的变形之后，通过适当地改变温度又会发生逆变形，使材料恢复成初始形状，在形状恢复的过程中，形状记忆合金若受到约束就会产生很大的回复力，可利用其回复力可对外做功。
由于形状记忆合金和磁流变液这类智能材料所具有独特的特性与优异的性能，使其在机械领域中具有广泛的应有前景。如专利CN105288876A公开的“一种永磁变长度磁流变液与摩擦复合软着陆装置”，利用永磁体产生磁场激励磁流变液产生磁流变效应，从而控制软着陆装置的制动力矩，同时还利用了弹簧与摩擦盘之间的摩擦力矩进行辅助减速着陆。如CN103591234A公开的“基于磁流变液和形状记忆合金的楔形挤压软启动装置”，该装置利用了磁流变液的挤压强化效应，提高了软启动装置的传递功率；同时通过记忆合金协助传递转矩，使软启动装置的传递性能更加可靠。又如CN107763109A公开的“一种温控变面磁流变传动装置”，通过形状记忆合金弹簧推动主动盘使磁流变液工作面由一个变为两个，能够传递更大的转矩，并且能够根据实时温度自动调节传递的转矩，并保证了传动过程的稳定性。
研究人员针对磁流变液在传动方面开展了广泛的应用，但磁流变液在传动方面也存在如下缺陷：磁流变液在通常条件下屈服应力较小，不能满足传递大功率动力的需要，通过提高磁流变液中磁性颗粒的体积分数可以显著提升磁流变液的剪切屈服应力，但磁流变液中磁性颗粒的体积分数过高会导致传动装置空载转矩较大，并且在磁场作用下转矩可控范围将会变小，因此如何提高磁流变液转矩传递性能以及降低空载转矩是目前磁流变传动亟待解决的问题；同时，磁流变液随环境温度的升高性能会下降，不能满足在不同温度环境下的工作需求，而形状记忆合金的形状记忆效应可以用于弥补磁流变液在传动方面存在的缺陷，虽然研究人员对形状记忆合金和磁流变液在传动工程领域的单独应用作了大量研究，但是对于形状记忆合金和磁流变液在传动装置中的联合应用，特别在利用形状记忆合金的形状记忆效应改变磁流变液工作间隙增强传动装置性能的发明研究还很少。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决现有磁流变传动装置传递的转矩最大值较小，可控传动比较小，传递效率低，不能根据实时温度进行自动调节，并且热稳定性差的问题，提供一种形状记忆合金驱动的圆筒圆盘磁流变传动装置，能够传递的转矩最大值更大，通过形状记忆合金改变磁流变液工作间隙实现较大的可控传动比，并且能够根据实时温度自动调节传递的转矩，使能耗更低，并保证传动过程的稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种形状记忆合金驱动的圆筒圆盘磁流变传动装置，包括主动轴、从动壳体和从动轴；所述从动壳体包括依次相连的左端盖、外壳、透盖以及右端盖，所述从动轴与左端盖固定连接，主动轴的左端穿过右端盖和透盖后伸入从动壳体内，并通过轴承与左端盖和右端盖相连，且主动轴位于从动壳体内的部分扩大形成传动段；在外壳的内侧两端处，分别开设有绕其一周的线圈槽，在该线圈槽内绕设有励磁线圈；在线圈槽的内侧同轴设有一隔磁环，该隔磁环的外侧嵌入线圈槽内，并将励磁线圈封闭在线圈槽内，其内侧与外壳的内侧平齐；其特征在于：所述传动段与外壳之间以及与左端盖和透盖之间均具有间隙，在传动段与外壳之间的间隙或传动段与左端盖和透盖之间的间隙内填充有磁流变液；
在主动轴的传动段的两侧，对称设有两断面呈半圆形或半圆环形的滑槽，在所述滑槽内设有断面呈半圆环形的半圆筒；所述半圆筒的两端与滑槽的两端贴合并滑动配合相连，其两侧延伸至靠近滑槽的两侧壁的边缘；在半圆筒内侧设有形状记忆合金弹簧，所述形状记忆合金弹簧位于滑槽的中部，其轴向与传动段的径向一致，且形状记忆合金弹簧的两端分别与半圆筒和滑槽的槽底固定连接；初始状态，在形状记忆合金弹簧的作用下，半圆筒的两侧与滑槽的两侧壁贴合；在滑槽的底面的靠近两侧边缘处沿传动段的轴向设有导向凸沿，且所述导向凸沿的两端延伸至滑槽的两端；在半圆筒的两侧对应导向凸沿的位置设有导向卡槽，半圆筒通过导向卡槽与导向凸沿滑动配合相连；当形状记忆合金弹簧伸长时，能够推动半圆筒沿传动段的径向移动，且移动过程中，导向凸沿与导向卡槽始终贴合在一起。
进一步地，所述外壳的中部绕其一周均匀分布的数个螺纹通孔，该螺纹通孔内配合设有定位螺钉，所述定位螺钉的顶杆伸入从动壳体内，且顶杆位于从动壳体内的长度小于等于传动段与外壳之间的间隙的一半。
进一步地，在从动轴上还套设有电刷滑环，左端励磁线圈的导线经穿过左端盖后与电刷滑环相连，右端励磁线圈的导线穿过外壳后进入左端线圈槽并与左端励磁线圈并联。
进一步地，在传动段与左端盖之间以及传动段与右端盖之间均设有密封圈，所述密封圈与传动端同轴设置，并与传动段固定连接。
进一步地，在半圆筒的两端分别设有第一密封槽，在半圆筒两侧的导向卡槽与导向凸沿接触的一侧分别设有第二密封槽，所述第一密封槽和第二密封槽相连通形成一环形槽，在该环形槽内设有密封条，且所述密封条部分凸出于环形槽。
进一步地，在外壳中部还开设有注液孔，在该注液孔内配合设有注液螺塞。
进一步地，所述从动轴的右端扩大形成一安装座，所述电刷滑环套设在该安装座上，并与左端盖固定连接。
进一步地，在右端盖与主动轴之间设有毛毡圈。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、传动装置结构简单，传动装置初始状态下在离心力的作用下单一的筒式磁流变液工作间隙内储存着全部的磁流变液，从而实现了在空载状态下的低空载转矩，起到了节能环保的效果。
2、通过安装在主动轴传动轴段的形状记忆合金弹簧，在形状记忆合金的形状记忆效应的驱动下改变磁流变液的工作间隙，通过形状记忆合金改变磁流变液工作间隙实现较大的可控传动比；随着温度超过70℃，形状记忆合金谈话推动轴瓦能够将单一的工作间隙(为2mm)的圆筒磁流变液改变成工作间隙分别(为1mm)的圆筒和圆盘式磁流变传动装置，在磁饱和情况下，即使考虑温度升高，磁流变液性能下降，也能提高装置传递的转矩42.4％，从而使传递的转矩最大值更大，并且能够根据实时温度自动调节传递的转矩，使能耗更低，并保证传动过程的稳定性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1沿A—A向的剖视图。
图3为本发明中磁流变液工作间隙为圆筒状态时的局部放大示意图。
图4为本本发明中磁流变液工作间隙为圆筒和圆盘组合状态时的局部放大示意图。。
图5为本发明工作过程中单一的圆筒式和圆筒圆盘组合式工作间隙在不同电流下所传递的转矩的示意图。
图中：1-主动轴，2-从动轴，3-左端盖，4-外壳，5-透盖，6-右端盖，7-传动段，8-励磁线圈，9-隔磁环，10-磁流变液，11-滑槽，12-半圆筒，13-形状记忆合金弹簧，14-凸沿，15-定位螺钉，16-电刷滑环，17-注液螺塞。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例：参见图1至图5，一种形状记忆合金驱动的圆筒圆盘磁流变传动装置，包括主动轴1、从动壳体和从动轴2。所述从动壳体包括依次相连的左端盖3、外壳4、透盖5以及右端盖6，所述左端盖3为闷盖，所述从动轴2与左端盖3固定连接。主动轴1的左端穿过右端盖6和透盖5后伸入从动壳体内，并通过密封轴承与左端盖3和右端盖6相连，且主动轴1位于从动壳体内的部分扩大形成传动段7。在右端盖6与主动轴1之间设有毛毡圈，使密封效果更好。
在外壳4的内侧两端处，分别开设有绕其一周的线圈槽，在该线圈槽内绕设有励磁线圈8；在从动轴2上还套设有电刷滑环，左端励磁线圈8的导线经穿过左端盖3后与电刷滑环相连，右端励磁线圈8的导线穿过外壳4后进入左端线圈槽并与左端励磁线圈8并联。为使电刷滑环16安装更加方便，所述从动轴2的右端扩大形成一安装座，所述电刷滑环16套设在该安装座上，并与左端盖3固定连接。在线圈槽的内侧同轴设有一隔磁环9，该隔磁环9的外侧嵌入线圈槽内，并将励磁线圈8封闭在线圈槽内，其内侧与外壳4的内侧平齐，并形成完整的柱面。
所述传动段7与外壳4之间以及与左端盖3和透盖5之间均具有间隙，在传动段7与左端盖3之间以及传动段7与右端盖6之间均设有密封圈，所述密封圈与传动端同轴设置，并与传动段7固定连接；从而使密封性更好，避免磁流变液10泄漏。在传动段7与外壳4之间的间隙或传动段7与左端盖3和透盖5之间的间隙内填充有磁流变液10；这样，在初始状态下，磁流变液10位于传动段7与外壳4之间的圆筒形间隙或传动段7与左端盖3和右端盖6之间的圆盘形间隙内。在外壳4中部还开设有注液孔，在该注液孔内配合设有注液螺塞17，以便于磁流变液10的加注。
在主动轴1的传动段7的两侧，对称设有两断面呈半圆形或半圆环形的滑槽11，在所述滑槽11内设有断面呈半圆环形的半圆筒12。所述半圆筒12的两端与滑槽11的两端贴合并滑动配合相连，其两侧延伸至靠近滑槽11的两侧壁的边缘。在半圆筒12内侧设有形状记忆合金弹簧13，所述形状记忆合金弹簧13位于滑槽11的中部，其轴向与传动段7的径向一致，且形状记忆合金弹簧13的两端分别与半圆筒12和滑槽11的槽底固定连接；并且，形状记忆合金弹簧13的轴向垂直于滑槽11的底面。初始状态，在形状记忆合金弹簧13的作用下，半圆筒12的两侧与滑槽11的两侧壁贴合，作为优选，半圆筒12的外壁与传动段7的外壁位于同一圆周面。实际装配过程中，在半圆筒12内侧中部设有安装形状记忆合金弹簧13的安装平面，同时在滑槽11底面也设有安装形状记忆合金弹簧13的安装平面；所述形状记忆合金弹簧13的两端对应与两安装平面固定连接。
在滑槽11的底面的靠近两侧边缘处沿传动段7的轴向设有导向凸沿14，且所述导向凸沿14的两端延伸至滑槽11的两端；在半圆筒12的两侧对应导向凸沿14的位置设有导向卡槽，半圆筒12通过导向卡槽与导向凸沿14滑动配合相连。当形状记忆合金弹簧13伸长时，能够推动半圆筒12沿传动段7的径向移动，且移动过程中，导向凸沿14与导向卡槽始终贴合在一起。在半圆筒12的两端分别设有第一密封槽，在半圆筒12两侧的导向卡槽与导向凸沿14接触的一侧分别设有第二密封槽，所述第一密封槽和第二密封槽相连通形成一环形槽，在该环形槽内设有密封条，且所述密封条部分凸出于环形槽；从而进一步提升密封效果，更好地防止磁流变液10泄漏。
具体实施时，所述外壳4的中部绕其一周均匀分布的数个螺纹通孔，该螺纹通孔内配合设有定位螺钉15，所述定位螺钉15的顶杆伸入从动壳体内，且顶杆位于从动壳体内的长度小于等于传动段7与外壳4之间的间隙的一半。从而对半圆筒12的位置进行限定，避免半圆筒12与外壳4贴合。
作为一种实施方式，在工作过程中：
1、初始状态时，环境温度较低(小于30℃)时，励磁线圈8未通电，由于重力的作用下磁流变液10主要是储存在传动装置的磁流变液工作间隙的底部；当主动轴1转动时，依靠零磁场下磁流变液10的粘性剪切应力传递的转矩不能带动从动轴2转动，并且磁流变液10在离心力的作用下位于半圆筒12与外壳4之间形成的圆筒形间隙内，如图4所示。
2、当励磁线圈8通电后，励磁线圈8产生的磁场垂直穿过磁流变液工作间隙的磁流变液10，磁流变液10中的磁性颗粒沿着磁力线方向排列成链状结构，磁流变液10此时表现为有液态转变为类固体结构，通过磁流变液10的剪切屈服应力可使主动轴1带动从动轴2进行转动。
3、在励磁线圈8通电产生磁场使磁流变液10将主动轴1的转矩传递至从动轴2后，当环境温度较低(低于70℃)时，为单一圆筒磁流变传动装置，具体地，传动段7外径R1＝75mm，外壳4内径R2＝77mm，所以磁流变液10的圆筒状工作间隙的厚度h＝R2-R1＝2mm，垂直穿过圆筒磁流变液工作间隙的长度Le＝140mm，L为圆筒柱面轴向长度L＝200mm，其中磁流变液10零磁场粘度η＝0.08Pa·s，当电流达到I＝3A时，穿过磁流变液工作间隙的磁场强度为200kA/m，剪切屈服应力最大值τHmax＝53kPa。当主动轴1转速为2000rpm，从动轴2转速为1800rpm，在磁饱和情况下，单一圆筒式磁流变液10传递的最大转矩Tc为：
式中，ω1为主动轴1与从动轴2的角速度差，经分析计算得到Tc＝80.5N·m。
4、当传动装置持续工作使形状记忆合金弹簧13温度或者传动装置外部环境温度升高(大于70℃)时，形状记忆合金产生形状记忆效应，通过形状记忆合金弹簧13驱动半圆筒12沿径向方向向外移动，由半圆筒12推挤圆筒状工作间隙内的磁流变液10，使得部分磁流变液10被挤入传动段7两端与左端盖3和透盖5之间形成的圆盘状工作间隙内，从而使磁流变液10的工作间隙变为圆筒状与圆盘状组合式磁流变液工作间隙，能够显著提升传动装置的最大转矩，并且使磁流变传动装置具有较大的可控传动比。例如，当温度大于70℃后，在形状记忆合金驱动下磁流变液工作间隙由单一的圆筒式工作间隙2mm变为工作间隙分别为1mmm的圆筒圆盘组合式传动，假设圆盘内径R3＝40mm。在磁饱和情况下，圆筒圆盘组合式磁流变传动传递的总最大转矩Ta为：
经分析计算得到Ta＝114.6N·m，相较于初始状态下的单一的圆筒式工作间隙，该状态下转矩提升了42.4％。
5、随着环境温度的降低，形状记忆合金弹簧13会恢复为初始状态，因此形状记忆合金弹簧13会拖动半圆筒12复位，此时圆盘式工作间隙内的磁流变液10又会因为离心力的作用流回单一的圆筒式磁流变液工作间隙内，相应的该情况下传动装置所能传递的转矩也明显的下降。
6、当励磁线圈8断电，当主动轴1转动时，依靠零磁场下磁流变液10的粘性剪切应力传递的转矩不能带动从动轴2转动。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种形状记忆合金驱动的圆筒圆盘磁流变传动装置，包括主动轴、从动壳体和从动轴；所述从动壳体包括依次相连的左端盖、外壳、透盖以及右端盖，所述从动轴与左端盖固定连接，主动轴的左端穿过右端盖和透盖后伸入从动壳体内，并通过轴承与左端盖和右端盖相连，且主动轴位于从动壳体内的部分扩大形成传动段；在外壳的内侧两端处，分别开设有绕其一周的线圈槽，在该线圈槽内绕设有励磁线圈；在线圈槽的内侧同轴设有一隔磁环，该隔磁环的外侧嵌入线圈槽内，并将励磁线圈封闭在线圈槽内，其内侧与外壳的内侧平齐；其特征在于：所述传动段与外壳之间以及与左端盖和透盖之间均具有间隙，在传动段与外壳之间的间隙或传动段与左端盖和透盖之间的间隙内填充有磁流变液；所述外壳的中部绕其一周均匀分布的数个螺纹通孔，该螺纹通孔内配合设有定位螺钉，所述定位螺钉的顶杆伸入从动壳体内，且顶杆位于从动壳体内的长度小于等于传动段与外壳之间的间隙的一半；
在主动轴的传动段的两侧，对称设有两断面呈半圆形或半圆环形的滑槽，在所述滑槽内设有断面呈半圆环形的半圆筒；所述半圆筒的两端与滑槽的两端贴合并滑动配合相连，其两侧延伸至靠近滑槽的两侧壁的边缘；在半圆筒内侧设有形状记忆合金弹簧，所述形状记忆合金弹簧位于滑槽的中部，其轴向与传动段的径向一致，且形状记忆合金弹簧的两端分别与半圆筒和滑槽的槽底固定连接；初始状态，在形状记忆合金弹簧的作用下，半圆筒的两侧与滑槽的两侧壁贴合；在滑槽的底面的靠近两侧边缘处沿传动段的轴向设有导向凸沿，且所述导向凸沿的两端延伸至滑槽的两端；在半圆筒的两侧对应导向凸沿的位置设有导向卡槽，半圆筒通过导向卡槽与导向凸沿滑动配合相连；当形状记忆合金弹簧伸长时，能够推动半圆筒沿传动段的径向移动，且移动过程中，导向凸沿与导向卡槽始终贴合在一起。
2.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金驱动的圆筒圆盘磁流变传动装置，其特征在于：在从动轴上还套设有电刷滑环，左端励磁线圈的导线经穿过左端盖后与电刷滑环相连，右端励磁线圈的导线穿过外壳后进入左端线圈槽并与左端励磁线圈并联。
3.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金驱动的圆筒圆盘磁流变传动装置，其特征在于：在传动段与左端盖之间以及传动段与右端盖之间均设有密封圈，所述密封圈与传动端同轴设置，并与传动段固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金驱动的圆筒圆盘磁流变传动装置，其特征在于：在半圆筒的两端分别设有第一密封槽，在半圆筒两侧的导向卡槽与导向凸沿接触的一侧分别设有第二密封槽，所述第一密封槽和第二密封槽相连通形成一环形槽，在该环形槽内设有密封条，且所述密封条部分凸出于环形槽。
5.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金驱动的圆筒圆盘磁流变传动装置，其特征在于：在外壳中部还开设有注液孔，在该注液孔内配合设有注液螺塞。
6.根据权利要求2所述的一种形状记忆合金驱动的圆筒圆盘磁流变传动装置，其特征在于：所述从动轴的右端扩大形成一安装座，所述电刷滑环套设在该安装座上，并与左端盖固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金驱动的圆筒圆盘磁流变传动装置，其特征在于：在右端盖与主动轴之间设有毛毡圈。
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