CN106812859B - 双弹簧式磁流变减振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双弹簧式磁流变减振器。包括两个刚度不同的弹簧、同轴套设在活塞杆上的内缸体和外缸体，内缸体和外缸体内分别设有磁流变液；内缸体内的活塞杆上套设有内励磁线圈形成内活塞；外缸体内的内缸体外周上套设有外励磁线圈形成外活塞；外缸体的外周连接着被减振物放置件；两个不同刚度的弹簧根据被减振对象和振源特点，在有效减振范围内，实现所述外缸体相对内缸体静止或发生较小位移。本发明的双出杆结构，不会形成欠压或工作缸内压力不稳定等问题；本发明的加工工艺性良好；采用螺钉安装连接，易于装配和维护。

Description

双弹簧式磁流变减振器

技术领域

本发明属于振动控制技术领域，可用于物体的隔振与减振，本发明涉及一种磁流变减振器。

背景技术

磁流变液是一种流变特性随磁场变化而变化的功能材料，其基本特征是：在无外加磁场作用时，磁流变液呈现自由流动的牛顿流体状态；在受到外加磁场作用下，磁流变液在毫秒级时间内可由流动状态良好的液态转变成类固态，其粘度在极短时间内增大多个数量级，呈现出粘塑性流体特性，并表现出一定的抗剪切屈服能力，且剪切屈服应力随外加磁场强度的增大而增大。在撤去磁场后，磁流变液又由类固态转变成液态，这种转变连续、迅速、可逆、可控。

用磁流变减振器控制结构振动是近年来兴起的振动控制技术研究热点之一，它是一种阻尼可控器件，其内部的阻尼介质为磁流变液。传统形式的减振器阻尼不可变或者阻尼可变范围较小，而磁流变减振器的阻尼能够进行大范围可控变化，且结构和控制都较简单，所以磁流变减振器以其安全可靠且结构简单的特性，取代传统形式的减振器是一个新的发展趋势。

科学仪器和设备不断朝着高精尖方向发展，无论是用于加工的设备还是用于检测的仪器，它们对客观环境的要求都越来越高，其中对微振动的控制的要求达到了前所未有的高度。因此，在对这类仪器和设备进行设计和使用时，对微振动控制技术提出了苛刻的要求。微振动通常意义上是指低水平或低幅值的机械振动或扰动，其振动频率范围在1Hz到1kHz之间，在飞行器等敏感设备中，微振动的主要振动频率范围为0.1Hz到300Hz。一般将高于30Hz的微振动看作是高频干扰，低于30Hz的微振动看作是低频干扰。

目前，发明使用的磁流变减振器分为单出杆磁流变减振器和双出杆磁流变减振器，主要使用在汽车、轮船、建筑物等大型设备和大振幅振动场合中，此类磁流变减振器的尺寸大，阻尼通道截面积大，输出阻尼力大，不适用于小质量、小体积被减振对象以及微振动环境。双出杆磁流变阻尼器的活塞杆从磁流变液缸体两端伸出，结构简单，无需使用补偿气囊，但是由于工作时活塞杆的运动占用的轴向空间较大，在一定程度上减少了磁流变阻尼器工作行程。这类双出杆磁流变阻尼器和弹性元件一起组成的双出杆磁流变减振器在通过缩小尺寸以适应微振动环境时，由于微振动振动频率低，振动振幅小，加上阻尼通道截面积小，磁流变减振器无法提供足够的阻尼力达到对微振动进行控制的目的。而且，由于这类双出杆磁流变减振器模型为阻尼元件和弹性元件并联，不具有变刚度特性，固有频率不可以进行改变，在进行微振动控制时，适用范围受到振源频率的限制。本发明使用双弹簧结构，在磁流变阻尼器工作时，弹簧的形变可以提供线性变化的弹性力，而且两个不同刚度的弹簧的配合可以实现变刚度，达到改变双弹簧式磁流变减振器的固有频率的目的，可以实现很好的减振效果，特别是适用于微振动的控制。

发明内容

为了解决现有磁流变减振器在减振过程中减振效果差的问题及磁流变减振器在无磁场或恒定磁场强度情况下其输出力不能改变等问题，本发明提供一种双弹簧式磁流变减振器。

本发明的技术解决方案如下：

双弹簧式磁流变减振器包括两个刚度不同的弹簧、同轴套设在活塞杆12上的密闭的内缸体5和密闭的外缸体6，内缸体5和外缸体6内分别设有磁流变液；

所述两个刚度不同的弹簧为小刚度弹簧2和大刚度弹簧8；

所述内缸体5内的活塞杆12上套设有内励磁线圈15，形成内活塞；所述外缸体6内的内缸体5上套设有外励磁线圈14，形成外活塞；所述内励磁线圈15与所述内缸体5的内壁之间形成内环形节流通道，所述外励磁线圈14与所述外缸体6的内壁之间形成外环形节流通道；所述内缸体5的轴向两端位于所述外缸体6的轴向两端外部；

所述外缸体6的外周连接着被减振物放置件10的轴向的连接端，所述被减振物放置件10的轴向另一端为工作平台，所述工作平台位于外缸体6的轴向一端；

所述活塞杆12的一端连接着活塞杆连接件1，所述活塞杆连接件1与对应的外缸体6的轴向一端面之间的活塞杆12上套设有小刚度弹簧2；所述外缸体6的轴向另一端面连接着大刚度弹簧8的一端，所述大刚度弹簧8套设在对应的内缸体5的轴向外伸端上，大刚度弹簧8的另一端连接着内缸体5的轴向外伸端的端面；

所述两个不同刚度的弹簧根据被减振对象和振源特点，在有效减振范围内，实现所述外缸体6相对所述内缸体5静止或发生较小位移。

进一步限定的技术方案如下：

第一种减振方案：所述活塞杆连接件1为基础连接件；位于被减振物放置件10内的内缸体5的轴向外伸端上连接着延伸筒11的一端，延伸筒11的另一端为圆形的挡板9；所述大刚度弹簧8套设在延伸筒11上，大刚度弹簧8的一端连接着外缸体6的轴向一端面的第二密封端盖7，大刚度弹簧8的另一端连接着挡板9；所述小刚度弹簧2对应位于被减振物放置件10的安装端一侧；小刚度弹簧2的一端连接着活塞杆连接件1，另一端连接着外缸体6的轴向另一端面的第一密封端盖4。

第二种减振方案：位于被减振物放置件10外的内缸体5的轴向外伸端上连接着延伸筒11的一端，延伸筒11的另一端为圆形的挡板9；所述大刚度弹簧8套设在延伸筒11上，大刚度弹簧8的一端连接着外缸体6的轴向一端面的第一密封端盖4，大刚度弹簧8的另一端连接着挡板9；活塞杆12上的活塞杆连接件1和小刚度弹簧2对应位于被减振物放置件10内；小刚度弹簧2的一端连接着活塞杆连接件1，另一端连接着外缸体6的轴向另一端面的第二密封端盖7。

所述被减振物放置件10为圆柱筒状，其轴向的封闭端为工作平台，轴向另一端的连接端固定连接着所述外缸体6的外圆周。

所述内环形节流通道和所述外环形节流通道的径向宽度为0.5-5mm。

所述大刚度弹簧8的刚度大于小刚度弹簧2的刚度一倍以上。

所述内缸体5与外缸体6的轴向之间为滑动密封，所述活塞杆10与所述内缸体5的轴向之间为滑动密封。

所述内励磁线圈15和外励磁线圈14为单级线圈或多级线圈。

所述内励磁线圈15通过环状的内夹板13固定套设于活塞杆12上；所述外励磁线圈14通过环状的外夹板14固定套设于所述内缸体5的外圆周上。

所述内夹板13和外夹板14的材料均为软磁材料。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1、本发明整体呈圆柱形，加工经济型良好；采用螺钉安装连接，易于装配和维护。

2、本发明由于采用双出杆结构，不会形成欠压或工作缸内压力不稳定等问题。

3、本发明可以实现磁流变减振器的变刚度、变阻尼减振功能，通过调节电流大小即可改变磁流变液的流变特性，从而改变磁流变减振器的阻尼，可对输出阻尼力大小进行无级连续控制，且输出阻尼力变化范围大，易于实现智能化控制。由于使用双弹簧结构，在磁流变阻尼器工作时，弹簧的形变可以提供线性变化的弹性力，而且两个不同刚度的弹簧的配合可以实现变刚度。设小刚度弹簧2的弹性系数为k₁，大刚度弹簧8的弹性系数为k₂，则变化前的等效刚度为k₁，变化后的等效刚度可近似于两弹簧串联，等效刚度为k₁*k₂/(k₁+k₂)，***刚度可以产生较大的的改变。当大刚度弹簧的刚度为2kN/m，小刚度弹簧的刚度弹簧的刚度为0.5kN/m时，相比较于单弹簧结构，***刚度可以产生1.6kN/m的变化，在负载为5kg，振源的振幅范围为±2mm内的情况下，采用扫频的激振形式，励磁线圈中通入一定大小电流，在激振频率为20-50Hz时，本发明可以达到很好的减振效果，被减振物放置件上的负载的振幅为±0.2mm左右。因此，本发明能够在较宽的频域范围内实现很好的减振效果，特别是适用于微振动的控制。

附图说明

图1为本发明立体示意图。

图2为本发明结构示意图。

图3为本发明立体结构剖视图。

图4为本发明立体结构剖视图。

图5为图3和图4中内缸体和外缸体装配状态示意图。

图6为本发明工作状态示意图。

图7为本发明另一种工作状态示意图。

图8为大刚度弹簧和小刚度弹簧改变位于的第二种结构示意图。

图9为图8的工作状态示意图。

上图中序号：1-活塞杆连接件、2-大刚度弹簧、4-第一密封端盖，5-内缸体、6-外缸体、7-第二密封端盖、8-小刚度弹簧、9-弹簧挡板、10-被减振物放置件，11-延伸筒、12-活塞杆、13-内夹板、14-外励磁线圈、15-内励磁线圈、16-外夹板。

具体实施例

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

参见图1和图2，双弹簧式磁流变减振器包括两个刚度不同的弹簧、同轴套设在活塞杆12上的密闭的内缸体5和密闭的外缸体6，内缸体5和外缸体6内分别设有磁流变液。

两个刚度不同的弹簧为小刚度弹簧2和大刚度弹簧8，大刚度弹簧8的刚度是小刚度弹簧2的一倍。

参见图2，内缸体5内的活塞杆12上通过内夹板13安装有内励磁线圈15，形成内活塞；外缸体6内的内缸体5上通过外夹板14安装有外励磁线圈14，形成外活塞。内励磁线圈15和外励磁线圈14均为单级线圈，内夹板13和外夹板14的材料均为软磁材料。内励磁线圈15与内缸体5的内壁之间形成内环形节流通道，外励磁线圈14与外缸体6的内壁之间形成外环形节流通道。内环形节流通道和外环形节流通道的径向宽度为2mm。内缸体5的轴向两端位于外缸体6的轴向两端外部。参见图5，内缸体5与外缸体6的轴向之间为滑动密封，活塞杆10与所述内缸体5的轴向之间为滑动密封。

外缸体6的外周连接着被减振物放置件10的轴向的连接端，被减振物放置件10为圆柱筒状，其轴向另一端为工作平台，工作平台位于位于外缸体6的轴向一端。

参见图3，外缸体6的外周连接着被减振物放置件10的安装端，被减振物放置件10的工作端位于所述外缸体6的轴向一端。

参见图3和图4，活塞杆12的一端连接着活塞杆连接件1，活塞杆连接件1为基础连接件；活塞杆连接件1与对应的外缸体6的轴向一端面之间的活塞杆12上套设有小刚度弹簧2；小刚度弹簧2的一端连接着活塞杆连接件1，另一端连接着外缸体6的轴向另一端面的第一密封端盖4。位于被减振物放置件10内的内缸体5的轴向外伸端上连接着延伸筒11的一端，延伸筒11的另一端为圆形的挡板9；大刚度弹簧8套设在延伸筒11上，大刚度弹簧8的一端连接着外缸体6的轴向一端面的第二密封端盖7，大刚度弹簧8的另一端连接着挡板9。

本实施例中，动密封使用U型圈，静密封使用O型圈。

本实施例的工作原理说明如下：

参见图6，活塞杆连接件1安装在振源基础上，被减振对象安装在被减振物放置件10上。当内励磁线圈15和外励磁线圈14产生的磁场作用于磁流变液时，内环形节流通道和外环形节流通道内的磁流变液会发生磁流变效应。

设本实施例的双弹簧式磁流变减振器受到的激振力为f，内缸体5两端的内密封端盖3与活塞杆12之间的滑动摩擦力为f _内动，内环形节流通道中磁流变液的剪切应力为f _内磁，外缸体6两端的第一密封端盖4和第二密封端盖7与内筒5外壁之间的静摩擦力为f _外静，滑动摩擦力为f _外动，外环形节流通道中磁流变液的剪切应力为f _外磁，小刚度弹簧2的弹性系数为k₁，小刚度弹簧2的变形量为x₁，大刚度弹簧8的弹性系数为k₂，大刚度弹簧8的变形量为x₂。

1）当振源振动较小时，f≥f _内磁+f _内动，活塞杆12相对内筒5运动，小刚度弹簧2的变形产生的力为：f ₁=k₁*x₁。当f ₁≤f _外静+f _外磁时，只有小刚度弹簧2被压缩，小刚度弹簧2不足以克服外工作缸的摩擦力和磁流变阻尼力推动外缸体6运动，此时***的等效刚度为k₁。当活塞杆连接件1随着振源基础一起振动时，会带动内励磁线圈15一起运动，此时内环形节流通道的运动需要克服磁流变液的剪切应力，消耗部分振动能量，使得内筒结构不发生振动或振动振幅很小。

2）当振源激励较大时，小刚度弹簧2被压缩，当f ₁≥f _外静+f _外磁时，小刚度弹簧2克服外工作缸的摩擦力和磁流变阻尼力推动外缸体6运动，继续压缩大刚度弹簧8，此时***的等效刚度为k₁*k₂/(k₁+k₂)。由于大刚度弹簧8的刚度大，其变形很小，所以外缸体6的运动位移也很小，同时外工作缸的摩擦力和磁流变液的剪切应力进一步消耗部分振动能量，双弹簧式磁流变减振器起到减振目的。

本实施例的双弹簧式磁流变减振器具有阻尼力可调、可实现被动控制和半主动控制等优点。在一定大小的振源振幅范围内时，被减振对象的振动振幅为零或很小，可以实现很好的减振效果，特别适用于微振动的控制。使用磁流变液产生阻尼力，使得减振器的变阻尼能力强，阻尼大小可以根据需求来设计，适用范围广。本发明的双弹簧式磁流变减振器整体为扁平结构，相对于现有的采用细长结构设计的减振器来说，具有更高的抗偏摆能力，可以使得减振器的一阶弯曲模态频率较高，有效地减少减振器的横向振动对减振性能的影响，提高了减振平台的减振效果。

本实施例的双弹簧式磁流变减振器，可应用于相机云台、微加工平台，也可应用于飞行器、航天器等的微振动控制平台的组建。

实施例2

参见图7，本实施例是将实施例1的双弹簧式磁流变减振器进行了180°调转。

活塞杆连接件1安装在振源基础上，振源基础位于上方，被减振对象被悬吊放置。本实施例的双弹簧式磁流变减振器可应用于需采用悬吊方式进减振的减振平台的组建。其工作原理类似于实施例1，其中小刚度弹簧2和大刚度弹簧8均为拉簧。本实施例也可以达到减振的目的。

实施例3

参见图8，位于被减振物放置件10外的内缸体5的轴向外伸端上连接着延伸筒11的一端，延伸筒11的另一端为圆形的挡板9。大刚度弹簧8套装在延伸筒11上，大刚度弹簧8的一端连接着外缸体6的轴向一端面的第一密封端盖4，大刚度弹簧8的另一端连接着挡板9。活塞杆12上的活塞杆连接件1和小刚度弹簧2对应位于被减振物放置件10内；小刚度弹簧2的一端连接着活塞杆连接件1，另一端连接着外缸体6的轴向另一端面的第二密封端盖7。小刚度弹簧2和大刚度弹簧8为拉压弹簧。

其它结构同实施例1。

参见图9，挡板9安装在振源基础上，被减振对象安装在被减振物放置件10上。本实施例工作原理如下：工作时，振源的激振力会直接通过大刚度弹簧8作用于外缸体6，但是由于外工作缸的摩擦力和磁流变液的剪切应力消耗部分振动能量，外缸体6的振幅减小；同时，外缸体6受小刚度弹簧2的作用，小刚度弹簧2通过活塞杆连接件1会带动活塞杆12运动，由于内缸体5的摩擦力和磁流变液的剪切应力进一步消耗部分振动能量，所以外缸体6的振幅进一步减小。本实施例也可以达到减振的目的。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.双弹簧式磁流变减振器，其特征在于：包括两个刚度不同的弹簧、同轴套设在活塞杆上的密闭的内缸体和密闭的外缸体，内缸体和外缸体内分别设有磁流变液；

所述两个刚度不同的弹簧为小刚度弹簧和大刚度弹簧；

所述内缸体内的活塞杆上套设有内励磁线圈，形成内活塞；所述外缸体内的内缸体上套设有外励磁线圈，形成外活塞；所述内励磁线圈与所述内缸体的内壁之间形成内环形节流通道，所述外励磁线圈与所述外缸体的内壁之间形成外环形节流通道；所述内缸体的轴向两端位于所述外缸体的轴向两端外部；

所述外缸体的外周连接着被减振物放置件的轴向的连接端，所述被减振物放置件的轴向另一端为工作平台，所述工作平台位于外缸体的轴向一端；

所述活塞杆的一端连接着活塞杆连接件，所述活塞杆连接件与对应的外缸体的轴向一端面之间的活塞杆上套设有小刚度弹簧；所述外缸体的轴向另一端面连接着大刚度弹簧的一端，所述大刚度弹簧套设在对应的内缸体的轴向外伸端上，大刚度弹簧的另一端连接着内缸体的轴向外伸端的端面；

所述两个刚度不同的弹簧根据被减振对象和振源特点，在有效减振范围内，实现所述外缸体相对所述内缸体静止或发生较小位移。

2.根据权利要求1所述的双弹簧式磁流变减振器，其特征在于：所述活塞杆连接件为基础连接件；位于被减振物放置件内的内缸体的轴向外伸端上连接着延伸筒的一端，延伸筒的另一端为圆形的挡板；所述大刚度弹簧套设在延伸筒上，大刚度弹簧的一端连接着外缸体的轴向一端面的第二密封端盖，大刚度弹簧的另一端连接着挡板；

所述小刚度弹簧对应位于被减振物放置件的安装端一侧；小刚度弹簧的一端连接着活塞杆连接件，另一端连接着外缸体的轴向另一端面的第一密封端盖。

3.根据权利要求1所述的双弹簧式磁流变减振器，其特征在于：位于被减振物放置件外的内缸体的轴向外伸端上连接着延伸筒的一端，延伸筒的另一端为圆形的挡板；所述大刚度弹簧套设在延伸筒上，大刚度弹簧的一端连接着外缸体的轴向一端面的第一密封端盖，大刚度弹簧的另一端连接着挡板；

活塞杆上的活塞杆连接件和小刚度弹簧对应位于被减振物放置件内；小刚度弹簧的一端连接着活塞杆连接件，另一端连接着外缸体的轴向另一端面的第二密封端盖。

4.根据权利要求1或2或3所述的双弹簧式磁流变减振器，其特征在于：所述被减振物放置件为圆柱筒状，其轴向的封闭端为工作平台，轴向另一端的连接端固定连接着所述外缸体的外圆周。

5.根据权利要求1所述的双弹簧式磁流变减振器，其特征在于：所述内环形节流通道和所述外环形节流通道的径向宽度为0.5-5mm。

6.根据权利要求1所述的双弹簧式磁流变减振器，其特征在于：所述大刚度弹簧的刚度大于小刚度弹簧的刚度一倍。

7.根据权利要求1所述的双弹簧式磁流变减振器，其特征在于：所述内缸体与外缸体的轴向之间为滑动密封，所述活塞杆与所述内缸体的轴向之间为滑动密封。

8.根据权利要求1所述的双弹簧式磁流变减振器，其特征在于：所述内励磁线圈和外励磁线圈为单级线圈或多级线圈。

9.根据权利要求1所述的双弹簧式磁流变减振器，其特征在于：所述内励磁线圈通过环状的内夹板固定套设于活塞杆上；所述外励磁线圈通过环状的外夹板固定套设于所述内缸体的外圆周上。

10.根据权利要求9所述的双弹簧式磁流变减振器，其特征在于：所述内夹板和外夹板的材料均为软磁材料。