CN114033815B - 多盘圆弧式mrf与sma弹簧摩擦复合传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多盘圆弧式磁流变液（简称MRF）与形状记忆合金（简称SMA）弹簧摩擦复合传动装置，包括主动轴、从动壳体以及从动轴，在从动壳体内设有两主动盘，在两主动盘之间设有从动盘，在从动盘、主动轴以及两轴套之间填充有液压油；在左壳体和右壳体内侧设有复位弹簧；在从动盘的内壁上，绕其一周开设有数个导向槽，在导向槽内设有一导柱，该导柱里端与一导杆相连；在导杆上套设有一活塞，在活塞与导向槽的槽底之间设有形状记忆合金弹簧。本发明能够充分利用形状记忆合金弹簧的工作特性，弥补磁流变液传递转矩下降的影响，有效提升动力传递效率，并且更加节约能耗。

Description

多盘圆弧式MRF与SMA弹簧摩擦复合传动装置

技术领域

本发明涉及动力传动技术领域，尤其涉及一种多盘圆弧式磁流变液（简称MRF）与形状记忆合金（简称SMA）弹簧摩擦复合传动装置。

背景技术

磁流变液（简称MRF）是在载液中加入微米大小的磁性颗粒而形成的悬浮液，其流变特性是通过磁场强度来控制的，宏观上表现为几毫秒时间内磁流变液能迅速从液体变为类固体，其具有一定的剪切屈服强度，并且可由外加磁场连续控制。形状记忆合金（简称SMA）是一种具有形状记忆效应和超弹性的智能材料，它在环境温度升高时会发生相变，宏观上表现为轴向输出行程增大，如果此时形状记忆合金两端受到约束就会产生很大的驱动力从而对外做功，利用这种感温驱动特性可将其制成形状记忆合金驱动弹簧，具有智能控制、安全节能、可靠高效的优点。

基于磁流变液与形状记忆合金联合传动的优异性能，使得在动力传递领域具有十分出色的表现。如发明专利CN104895956A“电热磁形状记忆合金与磁流变液复合离心式离合器”利用圆盘磁流变液与离心滑块摩擦共同传递转矩，通过改变电流大小分别改变作用在磁流变液上的励磁线圈磁场和形状记忆合金弹簧的温度，从而达到实现对离合器传递转矩的智能控制的目的；又如发明专利CN112253646A“基于线圈发热致形状记忆合金挤压轴瓦的磁流变传动装置”利用形状记忆合金转变可逆、响应迅速等特点，通过线圈发热使得形状记忆合金伸长变形挤压磁流变液从而达到传递动力的目的。又如CN113236687A“电热形状记忆合金控制的单变多面磁流变制动器”利用形状记忆合金的特殊材料特性，推动传动轴依次向右移动一定距离，从而工作间隙逐步增多，进而达到增加传递转矩的目的。

上述磁流变液传动装置为了提高传递的转矩，大多采用了形状记忆合金与磁流变液二者结合应用于传动装置；同时，为了达到增强传动装置传动性能以及减少磁流变液的失效率都或多或少采用了增加工作间隙或者加入冷却装置的设计发明理念；但目前采用多工作间隙的方案，对工作间隙的利用率并没用达到最大化，使得实际动力传递效率提升有限；加入冷却装置的方案，一般都采用风扇、循环冷却水管等降温措施，虽然可以达到一定的冷却效果但是也大大增加了装置成本，没用从根本上满足降低成本，节约能源的发明理念。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种多盘圆弧式MRF与SMA弹簧摩擦复合传动装置，能够充分利用形状记忆合金弹簧的工作特性，弥补磁流变液传递转矩下降的影响，有效提升动力传递效率，并且更加节约能耗。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种多盘圆弧式MRF与SMA弹簧摩擦复合传动装置，包括主动轴、从动壳体以及从动轴，所述从动壳体包括依次相连的左端盖、左壳体、外圆筒、右壳体以及右端盖；所述主动轴的右端穿过左端盖后伸入从动壳体内，并通过轴承与左壳体和右壳体相连；所述从动轴与右端盖固定连接；其特征在于：在从动壳体内设有两主动盘，两主动盘分别靠近左壳体和右壳体，并通过轴套套设在主动轴上，在主动盘上，绕其一周开设有若干通孔；其中，主动盘位于轴套中部，并与轴套成型为一体，该轴套通过键与主动轴滑动配合相连，且能随主动轴同步转动；在两主动盘之间设有从动盘，所述从动盘的内侧同时套设在两轴套上，并与轴套滑动配合相连，在从动盘、主动轴以及两轴套之间填充有液压油；在左壳体和右壳体内侧，分别绕其一周设有数个复位弹簧，在该复位弹簧的作用下，所述主动盘与从动盘紧贴在一起，且主动盘对应与左壳体和右壳体之间均具有间隙，在该间隙内填充有磁流变液；

所述从动盘的外壁与主动盘的外壁位于同一圆柱面上，其中部向外凸出，并与外圆筒贴合；在从动盘的内壁上，绕其一周开设有数个导向槽，所述导向槽的轴向与从动盘的径向一致；在导向槽内设有一导柱，该导柱沿导向槽的轴向设置，其外端与导向槽的槽底相连，里端与一导杆相连；该导向杆沿导柱的轴向设置，其里端延伸至靠近主动轴；在导杆上套设有一活塞，该活塞的内壁与导杆滑动配合相连，外壁与导向槽的侧壁滑动配合相连；在活塞与导向槽的槽底之间设有形状记忆合金弹簧，该形状记忆合金弹簧的一端与导向槽的槽底固定连接，另一端与活塞固定连接；

在主动盘的外侧设有隔磁环，所述隔磁环同时套设在主动盘和从动盘上，其一侧与从动盘的中部相连，另一侧对应与左壳体和右壳体相连，使左壳体/右壳体、外圆筒、导柱以及隔磁环之间形成封闭的线圈容置腔，在该线圈容置腔内绕设有励磁线圈；在从动盘的中部对应各导向槽分别设有导热通道，该导热通道的外端贯穿从动盘中部的外壁，里端延伸至导柱内；该导热通道通过连接通道与两线圈容置腔相连通，同时，还通过连接通道与导向槽相连通；在该导热通道及导向槽内填充有导热液；在外圆筒上，对应各导热通道分别开设有一过孔，在该过孔内配合设有一密封螺钉，该密封螺钉穿过过孔后伸入导热通道内，并与导柱固定连接，且将导热通道封闭。

进一步地，在主动盘背离从动盘的一侧靠近外缘处，分别设有一凸环。

进一步地，在主动盘的两侧面以及从动盘的两侧面分别设有若干对应与主动盘和从动盘同轴心线的环形槽，且所述环形槽的断面呈弧形。

进一步地，在左壳体和右壳体内侧，对应复位弹簧的位置设有弹簧槽，所述复位弹簧远离主动盘的一端伸入该弹簧槽内。

进一步地，在外圆筒上还设有一注油孔，该注油孔贯穿外圆筒和从动盘中部后与从动盘和主动轴之间的间隙连通；在外圆筒上配合设有注油管，该注油管的里端伸入从动盘上的注油孔内，外端配合设有一注油螺塞。

进一步地，在左壳体和右壳体上分别设有一注液孔，在该注液孔内配合设有注液螺塞。

进一步地，在从动轴上还设有一电刷滑环，两励磁线圈的两端穿过从动壳体后与该电刷滑环相连。

进一步地，在两轴套与主动轴之间均设有第一密封圈，该第一密封圈与主动轴固定连接。

进一步地，在活塞与导向孔侧壁之间设有第二密封圈，该第二密封圈与活塞固定连接。

进一步地，在主动盘与隔磁环之间设有第三密封圈，该第三密封圈与主动盘固定连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、通过形状记忆合金弹簧驱动活塞，再通过液压油推动主动盘移动，从而形成双磁流变液工作间隙，大大提高磁流变液的工作面积，从而增大转矩的传递。

2、主动盘、从动盘上设置环形槽，从而形成圆弧式MRF传动，使得磁流变液与主动盘、从动盘以及左壳体/右壳体之间的接触面积更大，进而使磁流变液所传递的转矩能增大30%以上，从而能够大大节约能源。

3、利用励磁线圈产生的热量，通过导热液传给SMA弹簧，SMA弹簧在热效应作用下发生形变，长度伸长，驱动活塞将挤压液压油，从而推动主动盘，使主动盘的凸环压紧左壳体/右壳体产生的摩擦转矩，从而能弥补磁流变液传递的转矩下降的影响，能提高传动性能也能保持稳定。

4、采用液压油主动盘移动驱动，能够进行缓冲吸振，从而提高整个传动装置的稳定性。

5、当断电后，由于环境温度较高，因此，SMA作用下持续通过摩擦传递转矩，并随温度降低逐步减小，但也能维持一段时间，这样也进一步节约了能源。

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。

图中：1-主动轴，2-从动轴，3-左端盖，4-左壳体，5-外圆筒，6-右壳体，7-右端盖，8-主动盘，9-轴套，10-通孔，11-从动盘，12-液压油，13-复位弹簧，14-磁流变液，15-导柱，16-导杆，17-活塞，18-形状记忆合金弹簧，19-隔磁环，20-励磁线圈，21-导热液，22-密封螺钉，23-凸环，24-注液螺塞，25-电刷滑环。

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、图2，一种多盘圆弧式MRF与SMA弹簧摩擦复合传动装置，包括主动轴1、从动壳体以及从动轴2。所述从动壳体包括依次相连的左端盖3、左壳体4、外圆筒5、右壳体6以及右端盖7。所述主动轴1的右端穿过左端盖3后伸入从动壳体内，并通过轴承与左壳体4和右壳体6相连；所述从动轴2与右端盖7固定连接；其中，所述轴承采用密封轴承，从而是从动壳体的密闭效果更好。

在从动壳体内设有两主动盘8，两主动盘8分别靠近左壳体4和右壳体6，并通过轴套9套设在主动轴1上；在主动盘8上，绕其一周开设有若干通孔10。其中，主动盘8位于轴套9中部，并与轴套9成型为一体，该轴套9通过键与主动轴1滑动配合相连，且能随主动轴1同步转动。实际加工过程中，左壳体4和右壳体6的中部向外凸出形成轴承座，且主动盘8朝相背离的方向移动过程中，轴套9能够进入轴承座内，以保证轴套9的移动行程。在两轴套9与主动轴1之间均设有第一密封圈，该第一密封圈与主动轴1固定连接。在主动盘8背离从动盘11的一侧靠近外缘处，分别设有一凸环23；这样，既能够实现摩擦传递转矩，又保证主动盘8被液压油12挤压后始终具有两环形磁流变液14传动面，从而大大增加转矩的传递。

在两主动盘8之间设有从动盘11，所述从动盘11的内侧同时套设在两轴套9上，并与轴套9滑动配合相连，在从动盘11、主动轴1以及两轴套9之间填充有液压油12。实施时，在外圆筒5上还设有一注油孔，该注油孔贯穿外圆筒5和从动盘11中部后与从动盘11和主动轴1之间的间隙连通；在外圆筒5上配合设有注油管，该注油管的里端伸入从动盘11上的注油孔内，外端配合设有一注油螺塞；这样更便于注入液压油12，操作更加方便、简单。在左壳体4和右壳体6内侧，分别绕其一周设有数个复位弹簧13；其中，在左壳体4和右壳体6内侧，对应复位弹簧13的位置设有弹簧槽，所述复位弹簧13远离主动盘8的一端伸入该弹簧槽内；这样更便于复位弹簧13的安装和定位。在该复位弹簧13的作用下，所述主动盘8与从动盘11紧贴在一起，且主动盘8对应与左壳体4和右壳体6之间均具有间隙，在该间隙内填充有磁流变液14。具体实施时，在主动盘8的两侧面以及从动盘11的两侧面分别设有若干对应与主动盘8和从动盘11同轴心线的环形槽，且所述环形槽的断面呈弧形；形成圆弧式MRF传动，使得磁流变液14与主动盘8、从动盘11以及左壳体4/右壳体6之间的接触面积更大，进而使磁流变液14所传递的转矩能增大30%以上，从而能够大大节约能源。在左壳体4和右壳体6上分别设有一注液孔，在该注液孔内配合设有注液螺塞24。

所述从动盘11的外壁与主动盘8的外壁位于同一圆柱面上，其中部向外凸出，并与外圆筒5贴合。在从动盘11的内壁中部（对应凸出部的位置），绕其一周开设有数个导向槽，所述导向槽的轴向与从动盘11的径向一致；为了便于加工，在实施过程中，所述从动盘11为分体结构，有两半圆形盘体相连形成，这样在从动盘11内壁加工导向槽更加容易。在导向槽内设有一导柱15，该导柱15沿导向槽的轴向设置，其外端与导向槽的槽底相连，里端与一导杆16相连。该导向杆沿导柱15的轴向设置，其里端延伸至靠近主动轴1。在导杆16上套设有一活塞17，该活塞17的内壁与导杆16滑动配合相连，外壁与导向槽的侧壁滑动配合相连；在活塞17与导向孔侧壁之间设有第二密封圈，该第二密封圈与活塞17固定连接，在活塞17滑动过程中，该第二密封圈始终与导向槽的侧壁贴合。在活塞17与导向槽的槽底之间设有形状记忆合金弹簧18，该形状记忆合金弹簧18的一端与导向槽的槽底固定连接，另一端与活塞17固定连接。温度升高时，通过形状记忆合金弹簧18推动活塞17移动，活塞17再挤压液压油12，通过液压油12在推动两主动盘8移动，从而使主动盘8、从动盘11以及左壳体4/右壳体6之间形成两磁流变液14工作间隙，从而增大转矩输出；并且，采用液压油12驱动，能够进行缓冲吸振，使传动装置工作稳定性更好。

在主动盘8的外侧设有隔磁环19，所述隔磁环19同时套设在主动盘8和从动盘11上，其一侧与从动盘11的中部相连，另一侧对应与左壳体4和右壳体6相连，使左壳体4/右壳体6、外圆筒5、导柱15以及隔磁环19之间形成封闭的线圈容置腔，在该线圈容置腔内绕设有励磁线圈20。在主动盘8与隔磁环19之间设有第三密封圈，该第三密封圈与主动盘8固定连接。在从动轴2上还设有一电刷滑环25，两励磁线圈20的两端穿过从动壳体后与该电刷滑环25相连。在从动盘11的中部（凸出部）对应各导向槽分别设有导热通道，该导热通道的外端贯穿从动盘11中部的外壁，里端延伸至导柱15内（中部）。该导热通道通过连接通道与两线圈容置腔相连通，同时，还通过连接通道与导向槽相连通；在该导热通道及导向槽内填充有导热液21。通过设置导热通道，并在导热通道内填充导热液21，从而能够快速将励磁线圈20产生的热量传递到形状记忆合金弹簧18，使形状记忆合金弹簧18的形变相应速度更快，效率更高，也能进一步提高能量使用率。在外圆筒5上，对应各导热通道分别开设有一过孔，在该过孔内配合设有一密封螺钉22，该密封螺钉22穿过过孔后伸入导热通道内，并与导柱15固定连接，且将导热通道封闭。

工作过程中：

1)初始状态下，励磁线圈20未通电，主动轴1转动，磁流变液14中的磁性颗粒在基础液中处于自由状态，依靠磁流变液14零磁场粘性产生的转矩不能带动从动轴2转动，传动装置处于分离状态。

2)当励磁线圈20通电，励磁线圈20产生的磁通穿过磁流变液14的工作间隙，磁流变液14中的磁性颗粒沿磁通方向排列成链状结构，依靠此链状结构的剪切应力所传递的转矩，使主动轴1能够带动从动盘11转动，由于从动盘11的中部（凸出部）通过密封螺钉22与外圆筒5相连，因此从动盘11能够带动从动壳体转动，进而通过从动壳体及从动轴2转动。

3)随着励磁线圈20通电时间的增加，励磁线圈20不断产生热量并使环境升温，当发热的温度到达到45℃时，磁流变液14传递的转矩开始逐步下降；但此时励磁线圈20以及摩擦产生的热量,通过导热液21快速传给SMA弹簧；SMA弹簧在热效应作用下发生形变，长度伸长，推动活塞17挤压液压油12，从而通过液压油12推动主动盘8，使主动盘8克服复位弹簧13的作用移动，直至主动盘8上的凸环23与左壳体4/右壳体6压紧，产生的摩擦转矩能弥补磁流变液14传递的转矩下降的影响，同时，确保主动盘8与左壳体4/右壳体6之间以及主动盘8与从动盘11之间均形成磁流变液14工作间隙，这样大大增加了磁流变液14作用面积，从而使得整个传动装置传递的转矩即使在高温条件下，传动性能也能保持稳定。

4) 当断电后，由于环境温度较高，因此，SMA作用下持续通过摩擦传递转矩，并随温度降低逐步减小，但也能维持一段时间，这样也进一步节约了能源。

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 (10)

1.一种多盘圆弧式MRF与SMA弹簧摩擦复合传动装置，包括主动轴、从动壳体以及从动轴，所述从动壳体包括依次相连的左端盖、左壳体、外圆筒、右壳体以及右端盖；所述主动轴的右端穿过左端盖后伸入从动壳体内，并通过轴承与左壳体和右壳体相连；所述从动轴与右端盖固定连接；其特征在于：在从动壳体内设有两主动盘，两主动盘分别靠近左壳体和右壳体，并通过轴套套设在主动轴上，在主动盘上，绕其一周开设有若干通孔；其中，主动盘位于轴套中部，并与轴套成型为一体，该轴套通过键与主动轴滑动配合相连，且能随主动轴同步转动；在两主动盘之间设有从动盘，所述从动盘的内侧同时套设在两轴套上，并与轴套滑动配合相连，在从动盘、主动轴以及两轴套之间填充有液压油；在左壳体和右壳体内侧，分别绕其一周设有数个复位弹簧，在该复位弹簧的作用下，所述主动盘与从动盘紧贴在一起，且主动盘对应与左壳体和右壳体之间均具有间隙，在该间隙内填充有磁流变液；

所述从动盘的外壁与主动盘的外壁位于同一圆柱面上，其中部向外凸出，并与外圆筒贴合；在从动盘的内壁上，绕其一周开设有数个导向槽，所述导向槽的轴向与从动盘的径向一致；在导向槽内设有一导柱，该导柱沿导向槽的轴向设置，其外端与导向槽的槽底相连，里端与一导杆相连；该导向杆沿导柱的轴向设置，其里端延伸至靠近主动轴；在导杆上套设有一活塞，该活塞的内壁与导杆滑动配合相连，外壁与导向槽的侧壁滑动配合相连；在活塞与导向槽的槽底之间设有形状记忆合金弹簧，该形状记忆合金弹簧的一端与导向槽的槽底固定连接，另一端与活塞固定连接；

在主动盘的外侧设有隔磁环，所述隔磁环同时套设在主动盘和从动盘上，其一侧与从动盘的中部相连，另一侧对应与左壳体和右壳体相连，使左壳体/右壳体、外圆筒、导柱以及隔磁环之间形成封闭的线圈容置腔，在该线圈容置腔内绕设有励磁线圈；在从动盘的中部对应各导向槽分别设有导热通道，该导热通道的外端贯穿从动盘中部的外壁，里端延伸至导柱内；该导热通道通过连接通道与两线圈容置腔相连通，同时，还通过连接通道与导向槽相连通；在该导热通道及导向槽内填充有导热液；在外圆筒上，对应各导热通道分别开设有一过孔，在该过孔内配合设有一密封螺钉，该密封螺钉穿过过孔后伸入导热通道内，并与导柱固定连接，且将导热通道封闭。

2.根据权利要求1所述的多盘圆弧式MRF与SMA弹簧摩擦复合传动装置，其特征在于：在主动盘背离从动盘的一侧靠近外缘处，分别设有一凸环。

3.根据权利要求1所述的多盘圆弧式MRF与SMA弹簧摩擦复合传动装置，其特征在于：在主动盘的两侧面以及从动盘的两侧面分别设有若干对应与主动盘和从动盘同轴心线的环形槽，且所述环形槽的断面呈弧形。

4.根据权利要求1所述的多盘圆弧式MRF与SMA弹簧摩擦复合传动装置，其特征在于：在左壳体和右壳体内侧，对应复位弹簧的位置设有弹簧槽，所述复位弹簧远离主动盘的一端伸入该弹簧槽内。

5.根据权利要求1所述的多盘圆弧式MRF与SMA弹簧摩擦复合传动装置，其特征在于：在外圆筒上还设有一注油孔，该注油孔贯穿外圆筒和从动盘中部后与从动盘和主动轴之间的间隙连通；在外圆筒上配合设有注油管，该注油管的里端伸入从动盘上的注油孔内，外端配合设有一注油螺塞。

6.根据权利要求1所述的多盘圆弧式MRF与SMA弹簧摩擦复合传动装置，其特征在于：在左壳体和右壳体上分别设有一注液孔，在该注液孔内配合设有注液螺塞。

7.根据权利要求1所述的多盘圆弧式MRF与SMA弹簧摩擦复合传动装置，其特征在于：在从动轴上还设有一电刷滑环，两励磁线圈的两端穿过从动壳体后与该电刷滑环相连。

8.根据权利要求1所述的多盘圆弧式MRF与SMA弹簧摩擦复合传动装置，其特征在于：在两轴套与主动轴之间均设有第一密封圈，该第一密封圈与主动轴固定连接。

9.根据权利要求1所述的多盘圆弧式MRF与SMA弹簧摩擦复合传动装置，其特征在于：在活塞与导向孔侧壁之间设有第二密封圈，该第二密封圈与活塞固定连接。

10.根据权利要求1所述的多盘圆弧式MRF与SMA弹簧摩擦复合传动装置，其特征在于：在主动盘与隔磁环之间设有第三密封圈，该第三密封圈与主动盘固定连接。