CN114198425B - 一种永磁激励下的双剪切磁流变离合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁激励下的双剪切磁流变离合器，包括输出轴、外壳体、输入转筒壳体、输入转筒芯、磁流变胶、端盖、输入轴、内壳体轴、输入转盘、永磁体、永磁体端盖和内壳体。内壳体安装在输出轴端盖、套筒、外壳体以及端盖形成的腔室；永磁体、永磁体套筒以及永磁体端盖连接形成的整体安装在内壳体内部；弹簧一端与永磁体套筒连接，另一端与输出轴端盖连接；输入转筒壳体与输入转盘固定连接，输入轴与输入转盘固连；内壳体轴与内壳体通过固连；输入转筒芯嵌入到输入转筒壳体内部，输入轴与端盖通过轴承连接形成转动副。采用磁流变胶为传力介质，永磁体为激励源，实现扭矩可控具有自动防故障功能，且无磁场激励耗能、具有结构简单的特点。

Description

一种永磁激励下的双剪切磁流变离合器

技术领域

本发明涉及机械传动设备技术领域，特别是涉及一种永磁激励下的双剪切磁流变离合器。

背景技术

传统联轴器分为刚性联轴器和具有一定轴向、径向和角度误差可调的绕挠性联轴器。前者由于具有结构简单、成本低、可传递较大转矩的优点，在机械传动装置中广泛应用。后者使用了一些粘弹性元件，具有一定的吸收和减振的能力，在一些工作环境要求较高的场合得以应用。这两种联轴器在工作过程中没有过载保护的功能。

随着机械行业的发展，其对机械系统组成元件的要求越来越高，其中包括元件的力学性能、精度、多功能化以及自动防故障性能等。在这些性能中自动防故障体现出机械行业中“以人为本”的观念。因此，“一种极限扭矩联轴器”(专利号：200910272344)公开了一种极限扭矩联轴器，该联轴器使用新型智能材料磁流变液作为传递介质，联轴器的励磁线圈与集流环相连，电源与集流环相连，通过调节电源的输出电压或输出电流，从而改变励磁线圈的通电电压或通电电流的大小，以此来控制磁流变液工作区的磁感应强度大小及剪切应力的大小，实现对联轴器传递扭矩的可控可调。然而，此联轴器虽然力矩可调，但使用电流励磁，耗能且效率低。为了克服这个问题，一种永磁型磁流变液极限扭矩联轴器(专利号：201010501932.6)公开了一种永磁型磁流变联轴器。其关键结构如下：主动转筒的内壁上均匀分布有8～24个转筒梯形槽，从动转子的圆柱体上均匀分布着相同数量的转子梯形槽，转筒梯形槽和转子梯形槽内分别嵌有转筒永磁体和转子永磁体，转筒永磁体和转子永磁体的极性朝向相反，转筒永磁体和转子永磁体的安装位置的外侧分别装有转筒隔离片和转子隔离片，磁流变材料安置在转筒和转子之间的间隙。该联轴器能够实现零耗能，但令人遗憾的是传递扭矩不可调，也无法实现自动防故障功能。另外，文献《Bucchi F，Forte P，Franceschini A，et al.Analysis ofdifferently sized prototypes of an MR clutchby performance indices[J].Smart Materials and Structures，2013，22(10):105009.》公布了一种单面剪切永磁激励离合器，该离合器将外壳体分开布置，从而大大增加了油封的尺寸，进而在滑移状态下产生过多的热量，不利于器件的稳定工作；其次该离合器处于单面剪切状态，使得扭矩大大削弱；最重要的是工作部件是传统的单一材料组成，这也降低了磁场的利用率。

基于以上现状，需要设计一种新的磁流变离合器。

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁激励下的双剪切磁流变离合器，以解决上述现有技术存在的问题，采用磁流变胶为传力介质，永磁体为激励源，实现扭矩可控具有自动防故障功能，且无磁场激励耗能、具有结构简单的特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种永磁激励下的双剪切磁流变离合器，包括输出轴、输出轴端盖、套筒、外壳体、输入转筒壳体、输入转筒芯、磁流变胶、端盖、输入轴、内壳体轴、输入转盘、永磁体套筒、永磁体、永磁体端盖和内壳体；

所述输出轴和输出轴端盖通过焊接固连，所述套筒安装在输出轴端盖与外壳体之间，所述外壳体与端盖通过螺栓连接固定；所述输出轴端盖、套筒、外壳体以及端盖连接形成一个腔室，所述内壳体安装在该腔室内；

所述永磁体安装在永磁体套筒上并通过永磁体端盖进行定位，所述永磁体、永磁体套筒以及永磁体端盖连接形成的整体安装在所述内壳体内部并与内壳体内壁形成移动副；弹簧一端与所述永磁体套筒连接，另一端与输出轴端盖连接；

所述输入转筒壳体与输入转盘固定连接，输入轴与输入转盘固连；所述内壳体轴与内壳体通过焊接固连，并且通过轴承与输入轴和输入转盘组成的整体连接形成转动副；所述输入转筒芯为层叠状嵌入到输入转筒壳体内部，并通过封环将输入转筒芯与磁流变胶隔离，封环与输入转筒壳体之间通过螺栓连接；所述输入轴与端盖通过轴承连接形成转动副。

优选地，所述内壳体的外表面与套筒的内表面采用过度配合。

优选地，所述永磁体端盖设有凹环，凹环处用于安装密封圈。

优选地，所述永磁体的材料为稀土钕铁硼(NdFeB)。

优选地，所述输出轴、输出轴端盖、套筒、外壳体、封环、输入转筒壳体、端盖、输入轴和内壳体轴的材料为型号S30400的不锈钢。

优选地，所述输入转筒芯和输入转盘的材料为型号DWSI3硅钢。

优选地，所述内壳体、永磁体套筒以及永磁体端盖的材料为青铜。

优选地，所述磁流变胶中羰基铁粉的质量分数为70％。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明中的永磁激励下的双剪切磁流变离合器，采用磁流变胶为传力介质，永磁体为激励源，实现扭矩可控具有自动防故障功能，且无磁场激励耗能、具有结构简单的特点；更重要的是：(1)本发明采用双剪切工作状态；(2)创造性地将输入转筒用过用导磁材料和非导磁材料按照一定结构排列；(3)永磁体采用磁场利用率更高的Halbach排列。上述创新都有利于在特定可用空间中提高联轴器的最大扭矩及其可调范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明永磁激励下输入转筒材料特殊布置增强型双剪切磁流变离合器的整体结构示意图(处于连动状态)；

图2为本发明永磁激励下输入转筒材料特殊布置增强型双剪切磁流变离合器处于不连动状态示意图；

图3为本发明永磁激励下输入转筒材料特殊布置增强型双剪切磁流变离合器中输入转筒芯的结构示意图；

图4为本发明永磁激励下输入转筒材料特殊布置增强型双剪切磁流变离合器中永磁体Halbach排列示意图；

其中，1输出轴；2螺栓；3输出轴端盖；4套筒；5外壳体；6封环；7输入转筒壳体；8输入转筒芯；9磁流变胶；10端盖；11轴承；12输入轴；13内壳体轴；14油封；15输入转盘；16永磁体套筒；17永磁体；18密封圈；19永磁体端盖；20弹簧；21内壳体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种永磁激励下的双剪切磁流变离合器，以解决上述现有技术存在的问题，采用磁流变胶为传力介质，永磁体为激励源，实现扭矩可控具有自动防故障功能，且无磁场激励耗能、具有结构简单的特点。本发明以提高离合器在特定限制空间中能够产生更大扭矩和更宽可调范围为目标，创新点包括以下三方面：(1)本发明采用双剪切工作状态；(2)创造性地将输入转筒用过用导磁材料和非导磁材料按照一定结构排列；(3)永磁体采用磁场利用率更高的Halbach排列。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图4所示，本实施例提供一种永磁激励下的双剪切磁流变离合器，具体为永磁激励下输入转筒材料特殊布置增强型双剪切磁流变离合器，该离合器包括输出轴1、螺栓2、输出轴端盖3、套筒4、外壳体5、封环6、输入转筒壳体7、输入转筒芯8、磁流变胶9、端盖10、轴承11、输入轴12、内壳体轴13、油封14、输入转盘15、永磁体套筒16、永磁体17、密封圈18、永磁体端盖19、弹簧20和内壳体21。

输出轴1和输出轴端盖3通过焊接固连，套筒4安装在输出轴端盖3与外壳体5之间，并且通过螺栓2连接固定，外壳体5与端盖10通过螺栓2连接固定；输出轴端盖3、套筒4、外壳体5以及端盖10按照上述方式连接形成一个腔室，内壳体21安装在这个腔室里面，并且内壳体21的外表面与套筒4的内表面过度配合；永磁体17安装在永磁体套筒16上面，并通过永磁体端盖19与永磁体套筒16用螺栓2连接的方式进行定位，永磁体端盖19设有凹环，用于安装密封圈18；永磁体17、永磁体套筒16以及永磁体端盖19通过螺栓2连接形成的整体安装在内壳体21内部，并与内壳体21内壁形成移动副；弹簧20一端与永磁体套筒16连接，另一端与输出轴端盖3连接；输入转筒壳体7通过焊接与输入转盘15固定连接，输入轴12通过螺栓2与输入转盘15固连；内壳体轴13与内壳体21通过焊接固连，并且通过轴承11与输入轴12和输入转盘15组成的整体连接形成转动副；输入转筒芯8为层叠状嵌入到输入转筒壳体7内部，并且通过封环6将输入转筒芯8与磁流变胶9隔离，封环6与输入转筒壳体7之间通过螺栓2连接；输入轴12与端盖10通过轴承11连接形成转动副。

磁流变胶的流变性能与磁流变液相近。在外加磁场作用下系统瞬间变成类固体状态，从而具有一定的剪切屈服应力。去掉外加磁场后，又变成原来的类似润滑脂的状态，此过程连续、可逆。磁流变胶相比于磁流变液具有更加稳定的物理结构，内部颗粒不会发生沉降和团聚，因此，以磁流变胶为传力介质的器件具有密封结构简单的特点。其剪切应力随外加磁场强度的变化满足Binghan模型，具体表达如下：

式中，τ为材料的剪切应力；τ_y(B)为材料的剪切屈服应力，与磁场有关；η为材料的粘度；r为转盘半径；w为转盘角速度；h为两转盘之间的间隙。

永磁体17的材料为稀土钕铁硼(NdFeB)，物理特性如表1所示，具有较高磁化强度和较宽的使用温度范围；输出轴1、输出轴端盖3、套筒4、外壳体5、封环6、输入转筒壳体7、端盖10、输入轴12、内壳体轴13的材料为型号S30400的不锈钢；输入转筒芯8和输入转盘15的材料为型号DWSI3硅钢；为减小永磁体17、永磁体套筒16以及永磁体端盖19组成的整体在内壳体21滑动时的滑动摩擦阻力，内壳体21、永磁体套筒16以及永磁体端盖19的材料为青铜(摩擦系数为0.22)；磁流变胶9中羰基铁粉的质量分数为70％。

表1

结合图1-图4，该发明具体操作流程如下：由于弹簧20给永磁体17、永磁体套筒16以及永磁体端盖19组成的整体具有一个初始预紧力，使得永磁体17处于靠近磁流变胶9的一边(图1所示)，通过如图3和图4的结构布置方式，能够在磁流变胶9所在空间产生磁感应强度(比传统结构产生的磁感应强度大)，此时联轴器处于连动状态，即输入轴12和输出轴1同时转动；当通过一定手段(如真空泵)抽出如图1腔体内左边的气体，永磁体17、永磁体套筒16以及永磁体端盖19组成的整体在右边大气压的作用下克服弹簧20预紧力，将永磁体17推向远离磁流变胶9的一边(如图2所示)，此时联轴器处于不连动状态，即输入轴12转动的情况下输出轴1不转动。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种永磁激励下的双剪切磁流变离合器，其特征在于：包括输出轴、输出轴端盖、套筒、外壳体、输入转筒壳体、输入转筒芯、磁流变胶、端盖、输入轴、内壳体轴、输入转盘、永磁体套筒、永磁体、永磁体端盖和内壳体；

所述输出轴和输出轴端盖通过焊接固连，所述套筒安装在输出轴端盖与外壳体之间，所述外壳体与端盖通过螺栓连接固定；所述输出轴端盖、套筒、外壳体以及端盖连接形成一个腔室，所述内壳体安装在该腔室内；

所述永磁体安装在永磁体套筒上并通过永磁体端盖进行定位，所述永磁体、永磁体套筒以及永磁体端盖连接形成的整体安装在所述内壳体内部并与内壳体内壁形成移动副；弹簧一端与所述永磁体套筒连接，另一端与输出轴端盖连接；

所述输入转筒壳体与输入转盘固定连接，输入轴与输入转盘固连；所述内壳体轴与内壳体通过焊接固连，并且通过轴承与输入轴和输入转盘组成的整体连接形成转动副；所述输入转筒芯为层叠状嵌入到输入转筒壳体内部，并通过封环将输入转筒芯与磁流变胶隔离，封环与输入转筒壳体之间通过螺栓连接；所述输入轴与端盖通过轴承连接形成转动副；

弹簧给永磁体、永磁体套筒以及永磁体端盖组成的整体具有一个初始预紧力，使得永磁体处于靠近磁流变胶的一边，能够在磁流变胶所在空间产生磁感应强度，此时联轴器处于连动状态，即输入轴和输出轴同时转动；当抽出输出轴端盖、套筒、外壳体以及端盖连接形成的腔室内左边的气体，永磁体、永磁体套筒以及永磁体端盖组成的整体在右边大气压的作用下克服弹簧预紧力，将永磁体推向远离磁流变胶的一边，此时联轴器处于不连动状态，即输入轴转动的情况下输出轴不转动。

2.根据权利要求1所述的永磁激励下的双剪切磁流变离合器，其特征在于：所述内壳体的外表面与套筒的内表面采用过度配合。

3.根据权利要求1所述的永磁激励下的双剪切磁流变离合器，其特征在于：所述永磁体端盖设有凹环，凹环处用于安装密封圈。

4.根据权利要求1所述的永磁激励下的双剪切磁流变离合器，其特征在于：所述永磁体的材料为稀土钕铁硼。

5.根据权利要求1所述的永磁激励下的双剪切磁流变离合器，其特征在于：所述输出轴、输出轴端盖、套筒、外壳体、封环、输入转筒壳体、端盖、输入轴和内壳体轴的材料为型号S30400的不锈钢。

6.根据权利要求1所述的永磁激励下的双剪切磁流变离合器，其特征在于：所述输入转筒芯和输入转盘的材料为型号DWSI3硅钢。

7.根据权利要求1所述的永磁激励下的双剪切磁流变离合器，其特征在于：所述内壳体、永磁体套筒以及永磁体端盖的材料为青铜。

8.根据权利要求1所述的永磁激励下的双剪切磁流变离合器，其特征在于：所述磁流变胶中羰基铁粉的质量分数为70％。

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