CN115095626A - 一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器 - Google Patents

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CN115095626A CN202210929541.7A CN202210929541A CN115095626A CN 115095626 A CN115095626 A CN 115095626A CN 202210929541 A CN202210929541 A CN 202210929541A CN 115095626 A CN115095626 A CN 115095626A
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方映平
刘佳
韦中
宋爱国
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Abstract

本发明公开了一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器，包括凸轮转轴、前封盖、密封封盖、活塞和外壳；前封盖和密封封盖套在凸轮转轴的一侧，通过平头螺钉与外壳相连；凸轮转轴、活塞、外壳之间的空隙内填充有磁流变液，活塞的外壁与外壳的内壁之间的工作间隙恒定；外壳与中孔限位片、限位片间隙配合，中孔限位片、限位片分别设置在活塞两侧；活塞沿径向外表面缠绕有线圈，线圈与引出线相连，引出线贯穿前封盖、密封封盖、中孔限位片、活塞并伸出至前封盖外侧；凸轮转轴包括凸起部分和凸轮，凸起部分设置在前封盖、密封封盖之间，凸轮两侧设置柱头螺钉，柱头螺钉与活塞相连。本发明大幅提高了阻尼器的转矩‑体积比，同时保持较小的体积和功耗。

Description

一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器
技术领域
本发明属于阻尼器，具体为一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器。
背景技术
力觉是人们获取外界信息的一条重要感觉通道。力觉能够帮助使用者感知真实/虚拟物体的多种属性，可实现对操作对象的精细操控。例如人在触摸物体的时候，会通过主动施加一定的力来感知物体的硬度、柔软度以及重量等属性信息。在人机交互的过程中，力觉再现装置利用内部集成的执行机构为操作者提供力反馈。带有力反馈的装置能够增强操作者的临场感和沉浸感，从而提高人机交互的效果和工作效率。
磁流变液是一种新型智能材料，通常以悬浮液的形式存在。在磁场的作用下，磁流变液会迅速从牛顿流体状态转化为Bingham半固态，并且能够拥有很强的抗剪切的能力。因此，基于磁流变液研制的阻尼器能够通过改变输入到励磁线圈中电流的大小，动态地调节施加在磁流变液上的磁场强度，引起磁流变液屈服强度的变化，实现对阻尼器输出阻尼力/力矩动态且连续的控制。由于磁流变液阻尼器具有结构简单、易维护、重量轻、响应快、阻尼力/力矩大、可控性好、能耗低等突出优势，基于磁流变液的力反馈装置可帮助操作者感受到大小可变的被动力/力矩，从而向操作者再现虚拟物体的多种属性信息。
现有的磁流变液阻尼器在结构方面主要可分为直动型和旋转型两大类。直动型磁流变液阻尼器一般工作于阀模式，而旋转型磁流变液阻尼器一般工作于剪切模式。在阀模式下，直动型磁流变液阻尼器内部的活塞与外壳之间需要发生相对运动，从而把磁流变液从一个腔室经激活的狭窄工作间隙挤压到另一个腔室。旋转型磁流变液阻尼器可根据剪切位置的不同分为鼓式(径向剪切)和盘式(轴向剪切)两类，它们都需要动平面剪切工作间隙内被激活的磁流变液而与静平面之间发生相对运动。从理论计算上来说，工作在阀模式下的磁流变液阻尼器能够在单位体积内输出比剪切模式更大的力/力矩。然而，直动型磁流变液阻尼器仅能做往复直线运动，无法像旋转型磁流变液阻尼器一样具有近乎无限的运动行程。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器。
技术方案：本发明的一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器，包括凸轮转轴、前封盖、密封封盖、活塞和外壳；前封盖和密封封盖套在凸轮转轴的一侧，通过平头螺钉与外壳相连；凸轮转轴、活塞、外壳之间的空隙内填充有磁流变液，活塞的外壁与外壳的内壁之间的工作间隙恒定；外壳与中孔限位片、限位片间隙配合，中孔限位片、限位片分别设置在活塞两侧；活塞沿径向外表面缠绕有线圈，线圈与引出线相连，引出线贯穿前封盖、密封封盖、中孔限位片、活塞并伸出至前封盖外侧；凸轮转轴包括凸起部分和凸轮，凸起部分设置在前封盖、密封封盖之间，凸轮两侧设置柱头螺钉，柱头螺钉与活塞相连。
进一步地，前封盖的内部嵌入密封圈、滚动轴承，密封圈和滚动轴承均安装在凸轮转轴的外侧。密封圈为斯特封。密封圈用于对磁流变液进行密封，防止泄漏。滚动轴承用于减少凸轮转轴与前封盖之间的摩擦阻力。
进一步地，凸起部分与前封盖、密封封盖之间设置间隙，用于对凸轮转轴进行限位并且减少摩擦阻力。
进一步地，活塞的一端开口，另一端密封。
进一步地，中孔限位片上设置凸起一、凸起二、凸起三、孔三、直孔一、直孔二和直孔三，凸起一、凸起二、凸起三沿中孔限位片的外表面均匀间隔设置，孔三内穿过引出线，直孔一、直孔二和直孔三通过平头螺钉固定在活塞的开口侧。
进一步地，限位片上设置凸起四、凸起五、凸起六、直孔四、直孔五和直孔六，凸起四、凸起五、凸起六沿限位片的外表面均匀间隔设置，直孔四、直孔五和直孔六通过平头螺钉固定在活塞的密封侧。中孔限位片、限位片限制了活塞在磁流变液阻尼器内部的位置，使其仅能够沿外壳内的凹槽做往复直线运动，且确保了活塞的外壁与外壳的内壁之间的工作间隙的厚度保持在0.3mm。
进一步地，外壳沿其内表面均匀间隔设置槽一、槽二和槽三，凸起一、凸起四插入槽一内，凸起二、凸起五插入槽二内，凸起三、凸起六插入槽三内。
进一步地，活塞上设置凹槽、孔四和螺纹孔，凹槽沿活塞的径向外表面设置，凹槽内缠绕有线圈，孔四内穿过引出线，螺纹孔与柱头螺钉相匹配。
进一步地，活塞、外壳均由导磁金属材料DT4C电工纯铁制成，凸轮转轴、前封盖、密封封盖、柱头螺钉、中孔限位片、平头螺钉、限位片均由非导磁金属材料制成，线圈由漆包铜导线制成。磁流变液为MRF-132DG型磁流变液。
进一步地，凸轮和两个柱头螺钉的配合形成一个桶形凸轮机构。凸轮作为主动件，柱头螺钉和活塞作为从动件；凸轮匀速转动时，凸轮通过柱头螺钉带动活塞、中孔限位片和限位片沿着外壳的凹槽做匀速往复直线运动，从而将凸轮转轴的旋转运动转化为活塞的直线运动。
进一步地，根据磁流变液和DT4C的B-H曲线，磁流变液阻尼器应使作用在工作间隙中磁流变液的磁感应强度达到0.8T，作用在活塞和外壳上的磁感应强度达到1.6T。
工作原理：凸轮转轴沿某一方向匀速旋转且活塞运动到行程末端时，凸轮的平滑轮廓可通过柱头螺钉带动活塞调整直线运动的方向，实现匀速的往复直线运动。活塞通过中孔限位片和限位片沿着外壳内凹槽的轨迹做往复直线运动，会挤压磁流变液流过工作间隙。当线圈通电后，工作间隙内的磁流变液发生相变，使阻尼器工作于阀模式。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、利用桶形凸轮机构能够将旋转运动转换为往复直线运动的特性，本发明将传统旋转型磁流变液阻尼器的工作模式从剪切模式转换为阀模式，大幅提高了旋转型磁流变液阻尼器的转矩-体积比，同时保持较小的体积和功耗；
2、综合了直动型和旋转型磁流变液阻尼器各自的优势，具有转矩-体积比高、行程无限、能耗低、效率高、输出力连续可调等特点，可为人机交互、机器人、元宇宙等应用提供力/力矩反馈。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的左视图；
图3是本发明的A-A向剖视图；
图4是本发明的B-B向剖视图；
图5是本发明前封盖2的结构示意图；
图6是本发明密封封盖3的结构示意图；
图7是本发明活塞4的结构示意图；
图8是本发明活塞4的剖视图；
图9是本发明中孔限位片9的主视图；
图10是本发明限位片15的主视图；
图11是本发明外壳5的结构示意图；
图12是本发明中孔限位片9、外壳5之间配合的示意图；
图13是本发明凸轮转轴1的结构示意图；
图14是本发明活塞4、柱头螺钉7和凸轮转轴1之间配合的示意图；
图15是本发明凸轮102的第一种工作状态示意图；
图16是本发明凸轮102的第二种工作状态示意图；
图17是本发明活塞4的运动轨迹示意图。
具体实施方式
如图1～4，旋转型磁流变液阻尼器主要包括凸轮转轴1、前封盖2、密封封盖3、活塞4、外壳5、线圈6、柱头螺钉7、磁流变液8、中孔限位片9、密封圈10、引出线11、滚动轴承12、平头螺钉13、工作间隙14和限位片15。前封盖2和密封封盖3套在凸轮转轴1的一侧，通过平头螺钉13与外壳5连接，固定整个阻尼器。凸轮转轴1、活塞4、外壳5之间的空隙内填充有磁流变液9。活塞4径向外表面的凹槽401内缠绕有线圈6。前封盖2的内部嵌入有密封圈10和滚动轴承12，密封圈10和滚动轴承12安装在凸轮转轴1外侧，密封圈10用于对磁流变液8进行密封，防止泄漏。滚动轴承12用于减少凸轮转轴1与前封盖2之间的摩擦阻力。中孔限位片9、限位片15分别设置在活塞4两侧，活塞4沿径向外表面缠绕有线圈6，线圈6与引出线11相连，引出线11贯穿前封盖2、密封封盖3、中孔限位片9、活塞4并伸出至前封盖外侧。
如图5，前封盖2上开有孔一201，用于将缠绕线圈6的导线11引出到旋转型磁流变液阻尼器的外部。前封盖2由非导磁金属材料制成。
如图6，密封封盖3上开有孔二301，用于将缠绕线圈6的导线11引出到旋转型磁流变液阻尼器的外部。密封封盖3由非导磁金属材料制成。
如图7～8，活塞4的一端开口，另一端密封。活塞4上设有凹槽401、孔四402和螺纹孔403。凹槽401沿活塞4的径向外表面设置，凹槽401内缠绕有线圈6。孔四402用于将缠绕线圈6的导线11引出到旋转型磁流变液阻尼器的外部。螺纹孔403与柱头螺钉7相匹配。活塞4由导磁金属材料电工纯铁(DT4C)制成。
如图9，中孔限位片9上设置凸起一901、凸起二902、凸起三903、孔三904、直孔一905、直孔二906和直孔三907。凸起一901、凸起二902和凸起三903之间间隔的角度为120°。孔三904用于将缠绕线圈6的导线11引出到旋转型磁流变液阻尼器的外部。直孔一905、直孔二906和直孔三907，通过平头螺钉13固定在活塞4的开口侧。中孔限位片9、平头螺钉13均由非导磁金属材料制成。
如图10，限位片15上设置凸起四1501、凸起五1502、凸起六1503、直孔四1504、直孔五1505和直孔六1506。凸起四1501、凸起五1502和凸起六1503之间间隔的角度为120°。直孔四1504、直孔五1505和直孔六1506通过平头螺钉13固定在活塞4的密封侧。限位片15由非导磁金属材料制成。
如图11，外壳5内的槽一501、槽二502和槽三503之间间隔的角度为120°，凸起一、凸起四插入槽一内，凸起二、凸起五插入槽二内，凸起三、凸起六插入槽三内。外壳5由导磁金属材料电工纯铁(DT4C)制成。
如图12，中孔限位片9中的凸起一901、凸起二902和凸起三903，以及限位片15中的凸起四1501、凸起五1502和凸起六1503分别插入外壳5的槽一501、槽二502和槽三503内。外壳5内的凹槽与中孔限位片9和限位片15中的凸起为间隙配合。中孔限位片9、限位片15限制了活塞4在磁流变液阻尼器内部的位置，使其仅能够沿外壳5内的凹槽做往复直线运动，且确保了活塞4的外壁与外壳5的内壁之间的工作间隙14的厚度保持在0.3mm。
如图13～14，凸轮转轴1包括凸起部分101和凸轮102，柱头螺钉7通过螺纹孔403固定在活塞4上。凸轮转轴1、柱头螺钉7均由非导磁金属材料制成。凸起部分101设置在前封盖2、密封封盖3之间。凸轮102被两个柱头螺钉7夹在中间，凸轮102和两个柱头螺钉7配合，形成一个桶形凸轮机构。凸轮102作为主动件，柱头螺钉7和活塞4作为从动件。
如图15～16，凸轮102匀速转动时，凸轮102通过柱头螺钉7带动活塞4、中孔限位片9和限位片15沿着外壳5的凹槽做匀速往复直线运动，从而将凸轮转轴1的旋转运动转化为活塞4的直线运动。凸轮转轴1沿某一方向匀速旋转且活塞4运动到行程末端时，凸轮102的平滑轮廓可通过柱头螺钉7带动活塞4调整直线运动的方向，实现匀速的往复直线运动。活塞4通过中孔限位片9和限位片15沿着外壳5内凹槽的轨迹做往复直线运动会挤压磁流变液8流过工作间隙14；当线圈通电后，工作间隙14内的磁流变液8发生相变，使阻尼器工作于阀模式。
如图17，根据磁流变液和DT4C的B-H曲线，具有优化结构的磁流变液阻尼器应使作用在工作间隙14中磁流变液的磁感应强度达到0.8T，作用在活塞和外壳上的磁感应强度达到1.6T。
当磁流变液阻尼器工作时，控制电路向线圈6输入励磁电流以产生磁场。磁场穿过磁流变液8、活塞4和外壳5形成闭合磁路，并使工作间隙14内的磁流变液8发生流变效应，由牛顿流体状态转化为Bingham半固态。凸轮转轴1转动时，凸轮102通过柱头螺钉7带动活塞4、中孔限位片9和限位片15沿外壳5内的槽一501、槽二502、槽三503做直线运动，同时挤压磁流变液8流过工作间隙14。此时，阻尼器工作于阀模式，操作者将会感受到磁流变液阻尼器提供的阻力。凸轮转轴1沿某一方向匀速旋转且活塞4运动到行程末端时，凸轮102的平滑轮廓可通过柱头螺钉7带动活塞4调整直线运动的方向，实现匀速的往复直线运动。根据交互对象属性信息的变化，控制电路向线圈6输入变化的励磁电流，从而使得阻尼器产生连续可调的阻尼力/力矩。
线圈6由漆包铜导线在活塞4径向外表面的凹槽401中绕制而成。磁流变液8为美国Lord公司生产的MRF-132DG型磁流变液，密封圈10为斯特封。
本实施例中的凸桶形凸轮机构可以替换为槽桶形凸轮机构。

Claims (10)

1.一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器，其特征在于：包括凸轮转轴(1)、前封盖(2)、密封封盖(3)、活塞(4)和外壳(5)；所述前封盖(2)和密封封盖(3)套在凸轮转轴(1)的一侧，通过平头螺钉(13)与外壳(5)相连；所述凸轮转轴(1)、活塞(4)、外壳(5)之间的空隙内填充有磁流变液(8)，所述活塞(4)的外壁与外壳(5)的内壁之间的工作间隙(14)恒定；所述外壳(5)与中孔限位片(9)、限位片(15)间隙配合，所述中孔限位片(9)、限位片(15)分别设置在活塞(4)两侧；所述活塞(4)沿径向外表面缠绕有线圈(6)，所述线圈(6)与引出线(11)相连，所述引出线(11)贯穿前封盖(2)、密封封盖(3)、中孔限位片(9)、活塞(4)并伸出至前封盖(2)外侧；所述凸轮转轴(1)包括凸起部分(101)和凸轮(102)，所述凸起部分(101)设置在前封盖(2)、密封封盖(3)之间，所述凸轮(102)两侧设置柱头螺钉(7)，所述柱头螺钉(7)与活塞(4)相连。
2.根据权利要求1所述的一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器，其特征在于：所述前封盖(2)的内部嵌入密封圈(10)、滚动轴承(12)，所述密封圈(10)和滚动轴承(12)均安装在凸轮转轴(1)的外侧。
3.根据权利要求2所述的一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器，其特征在于：所述密封圈(10)为斯特封。
4.根据权利要求1所述的一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器，其特征在于：所述凸起部分(101)与前封盖(2)、密封封盖(3)之间设置间隙，用于对凸轮转轴(1)进行限位并且减少摩擦阻力。
5.根据权利要求1所述的一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器，其特征在于：所述活塞(4)的一端开口，另一端密封。
6.根据权利要求5所述的一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器，其特征在于：所述中孔限位片(9)上设置凸起一(901)、凸起二(902)、凸起三(903)、孔三(904)、直孔一(905)、直孔二(906)和直孔三(907)，所述凸起一(901)、凸起二(902)、凸起三(903)沿中孔限位片(9)的外表面均匀间隔设置，所述孔三(904)内穿过引出线(11)，所述直孔一(905)、直孔二(906)和直孔三(907)通过平头螺钉(13)固定在活塞(4)的开口侧。
7.根据权利要求5所述的一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器，其特征在于：所述限位片(15)上设置凸起四(1501)、凸起五(1502)、凸起六(1503)、直孔四(1504)、直孔五(1505)和直孔六(1506)，所述凸起四(1501)、凸起五(1502)、凸起六(1503)沿限位片(15)的外表面均匀间隔设置，所述直孔四(1504)、直孔五(1505)和直孔六(1506)通过平头螺钉(13)固定在活塞(4)的密封侧。
8.根据权利要求6或7所述的一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器，其特征在于：所述外壳(5)沿其内表面均匀间隔设置槽一(501)、槽二(502)和槽三(503)，所述凸起一(901)、凸起四(1501)插入槽一(501)内，所述凸起二(902)、凸起五(1502)插入槽二(502)内，所述凸起三(903)、凸起六(1503)插入槽三(503)内。
9.根据权利要求1所述的一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器，其特征在于：所述活塞(4)上设置凹槽(401)、孔四(402)和螺纹孔(403)，所述凹槽(401)沿活塞(4)的径向外表面设置，所述凹槽(401)内缠绕有线圈(6)，所述孔四(402)内穿过引出线(11)，所述螺纹孔(403)与柱头螺钉(7)相匹配。
10.根据权利要求1所述的一种工作在阀模式的旋转型磁流变液阻尼器，其特征在于：所述活塞(4)、外壳(5)均由DT4C电工纯铁制成，所述凸轮转轴(1)、前封盖(2)、密封封盖(3)、柱头螺钉(7)、中孔限位片(9)、平头螺钉(13)、限位片(15)均由非导磁金属材料制成，所述线圈(6)由漆包铜导线制成。
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