CN108644297A - 一种基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器，伸缩轴上的两个极板与缸体外圈的弹簧通过调整板并联，极板在往复运动挤压腔体中的磁流变液的同时，弹簧也在压缩或伸长，进而共同产生阻尼力。调整板可以调节弹簧伸缩量，进而改变弹簧提供的阻尼力。缸体和隔离筒之间设有励磁线圈，通过调节电流改变磁场的大小，进而改变磁流变液的形态来调节阻尼力。本发明同时结合双极板和弹簧，实现阻尼器的刚度和阻尼可调，具有外形尺寸小、阻尼力大和可控性强的特点，特别适用于振幅较小的振动控制领域，比如切削加工过程的振动抑制等。

Description

一种基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器

技术领域

本发明属于磁流变阻尼器技术领域，涉及一种基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器。适用于用于小振幅的振动控制领域，比如切削加工过程中的颤振抑制等。

背景技术

磁流变液是一种具有磁场可控性的新型智能材料。在磁场作用下，该类材料能够以毫秒级的速度从固态转变为液态，且该过程具有可逆性，能较好的应用在机械结构、零件加工等行业。磁流变阻尼器是一种性能优良的缓冲减振器件，工作介质为磁流变液。区别于其它普通阻尼器，它的结构上绕有线圈，线圈中通电流时会产生磁场，使磁流变液发生磁流变效应，实时改变刚度和阻尼，实现阻尼器输出力的控制，达到抑制振动的目的。目前，磁流变阻尼器已经广泛应用于汽车、建筑、航天、机器人等领域中并展现了良好的应用前景。磁流变阻尼器可根据磁流变液的受力状态和流动特点的不同，分为阀式、剪切式、挤压式和剪切阀式四种工作模式。

目前来看，大部分的研究和发明集中于阀式、剪切式和剪切阀式，对挤压式的研究相对较少。研究表明，挤压式磁流变阻尼器相对而言能够产生更大的阻尼力。常见的挤压式磁流变阻尼器尺寸相对较大，而且由于磁流变液刚度相对较低，衰减性明显，使得阻尼器尚不能很好地抑制小位移振动，可控性较差。所以说，一般的挤压式磁流变阻尼器在保证阻尼力的情况下，尺寸大，不能精确控制小位移振动，隔振效果较差，优势不够明显。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器，解决现有挤压式磁流变阻尼器的尺寸较大、阻尼力不足，以及微小振幅振动情况下的可控性能较差的问题。

技术方案

一种基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器，其特征在于包括伸缩轴1、调整板3、上端盖6、上极板7、下极板13、隔离筒9、励磁线圈10、缸体11、下端盖16、弹簧5、连接轴18和磁流变液12；缸体11的上下两端通过螺钉固连上端盖6和下端盖16，上端盖6上装有调整板3，伸缩轴1穿过调整板3和上端盖6的中心通孔***缸体11内，由上螺母2紧固连接；弹簧5套在缸体11外壁，伸缩于调整板3与下端盖16之间；隔离筒9位于缸体11的内侧，励磁线圈10位于两者之间，并通过缸体11上的通孔与电源连接；隔离筒9的内圈凸起的圆环与上端盖形成上腔体，与下端盖形成下腔体；上极板7和下极板13分别安装在伸缩轴上，且上极板7位于上腔体内，下极板13位于下腔体内，使得两个极板与缸体外圈的弹簧通过调整板并联；所述隔离筒9中心的圆环与伸缩轴1之间设有使得缸体上、下腔体中磁流变液互相流动的间隙，整个腔体中充满磁流变液12；所述伸缩轴1与上端盖6密封连接；所述隔离筒9与下端盖16密封连接。

所述下端盖16底部中心设有盲孔，盲孔上设有内螺纹，内螺纹与连接轴18连接。

所述调整板和下极板与伸缩轴为螺纹配合并通过螺母紧固，上极板与伸缩轴为过盈配合。

所述调整板、上极板和下极板均为圆环状结构。

所述励磁线圈10与隔离筒9高度相等，上端与上端盖接触，下端与下端盖接触。

所述上端盖的内环处设有放置O型橡胶密封圈的凹槽，上端盖的下端面设有环形凸环，环形凸环处设有放置O型橡胶密封圈凹槽。

所述下端盖的上端面设有环形凸环，环形凸环上设有放置O型密封圈的凹槽。

所述上端盖、上极板、下极板、缸体和下端盖采用工业纯铁DT4；所述伸缩轴采用铝，隔离筒采用铜；所述调整板和连接轴采用45号钢。

所述连接轴底端，伸缩轴上端均开有连接孔，通过销钉或钢丝与外界连接。

有益效果

本发明提出的一种基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器，所产生的有益效果在于：

1)伸缩轴在带动上、下极板向下挤压腔体内的磁流变液时，同时通过调整板压缩弹簧，增加阻尼力，改变***刚度和阻尼。当撤去外力后，极板会在弹簧恢复力的作用下回到原来的位置；伸缩轴在带动上、下极板向上挤压腔体内的磁流变液时，同时通过调整板拉伸弹簧，增加阻尼力，改变***刚度和阻尼。同理当撤去外力后，极板会在弹簧恢复力的作用下回到原来的位置。

2)本发明的伸缩轴上装有上下两个极板，由于挤压式磁流变阻尼器通过极板压缩磁流变液产生阻尼力，极板的截面积的大小直接影响阻尼力的大小。故在相同截面积的极板下，两个极板就能够产生两倍大的阻尼力。另外，加上弹簧提供的阻尼力，整个阻尼器的阻尼力就增加了不止一倍。

3)本发明的调整板与伸缩轴通过螺纹连接，通过调节调整板的高度可以调节弹簧的预压缩长度，以此来平衡调整板、伸缩轴和上下极板的重量，以及调节极板在腔体中的位置。进而改变弹簧弹力，改变整个阻尼器的刚度和阻尼。

4)本发明的弹簧下部与下端盖的上端面连接，上端与调整板连接。弹簧与缸体外壁不接触，避免摩擦力影响弹簧弹力和磨损弹簧。同时，弹簧与磁流变液不接触，防止磁流变液包覆弹簧，影响弹簧自由伸缩。由于弹簧置于缸体外壁，可随时根据要求更换适合劲度系数的弹簧来满足工作需求。

5)本发明的下极板通过螺纹与伸缩轴相连，当把下极板拆卸后，则可单极板工作，适用于所需阻尼力不大的情况。

6)本发明的伸缩轴设计为阶梯轴形状，几个轴段可以很好的在轴向固定调整板、上极板和下极板的位置。在伸缩轴末端开有连接孔，可通过销钉或钢丝与外界连接。

7)本发明的励磁线圈与磁流变液通过不导磁的隔离筒相隔，这样一来可以防止磁流变液污染励磁线圈，影响线圈质量；二来可以使整个磁流变液处于励磁线圈磁场之中，防止漏磁，最大化的发挥磁流变液的磁流变效应。另外，在上下端盖装有密封圈来防止磁流变液外漏和空气中的水汽流入影响磁流变液浓度。

8)本发明下端盖设有内螺纹孔，不安装连接轴时，阻尼器可直接置于平坦平面；安装有连接轴时，可通过旋转连接轴来调整高度，与试验机或者其他设备连接。在连接轴底端开有连接孔，可通过销钉或钢丝与外界连接。

9)本发明的缸体、上端盖和下端盖采用导磁性能较好的电工纯铁DT4，组成了完整的磁感应闭合回路，这样可使励磁线圈产生的磁场较好的传导到磁流变液中，防止磁感应线中断。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的缸体剖面图

图3是本发明的线圈通电示意图

图4是本发明的调整板移动示意图

图5是本发明的伸缩轴侧视图

图6是本发明的单轴模式工作图

图7是本发明的单极板模式工作图

图8是本发明的三维模型图

图中标记为：

1、伸缩轴；2、螺母；3、调整板；4、第一O型密封圈；5、弹簧；6、上端盖；7、上极板；8、螺钉；9、隔离筒；10、励磁线圈；11、缸体；12、磁流变液；13、下极板；14、螺母；15、O型密封圈；16、下端盖；17、螺钉；18、连接轴。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明所采取的技术方案是：基于挤压式磁流变阻尼器原理，设计一种基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器，包括伸缩轴、调整板、上端盖、上极板、下极板、隔离筒、励磁线圈、缸体、下端盖、弹簧、连接轴和磁流变液等。整个磁流变阻尼器从结构来看主要包括内部的双极板和外部的弹簧两大部分。伸缩轴上的两个极板与缸体外圈的弹簧通过调整板并联，极板在往复运动挤压腔体中的磁流变液的同时，弹簧也在压缩或伸长，进而共同产生阻尼力。缸体和隔离筒之间布置有励磁线圈，通过调节电流改变磁场的大小，进而改变磁流变液的形态来调节阻尼力。

所述伸缩轴有多个轴段，可用来分别安装调整板、上极板和下极板，而调整板、上极板和下极板均为圆环状结构。其中，调整板和下极板与伸缩轴为螺纹配合并通过螺母紧固，上极板与伸缩轴为过盈配合。所述隔离筒为环状，内圈凸起的圆环将上端盖、隔离筒和下端盖组成的腔体分为上下两个腔体。所述线圈固定于隔离筒和缸体之间，上端与上端盖接触，下端与下端盖接触。所述缸体为圆环状结构，安装在线圈外部，其通过内六角螺钉与上下端盖相连。缸体、线圈和隔离筒的上下端面分别对齐，处于同一水平高度上。所述上端盖置于缸体、励磁线圈和隔离筒之上，其下端面加工有环形凸环用来与隔离筒内圈配合。同理，所述下端盖置于缸体、隔离筒和隔离筒之下，其上端面加工有环形凸环用来与隔离筒内圈配合。

进一步的技术方案在于：弹簧置于缸体外圈、调整板与下端盖之间。由于调整板与伸缩轴固定，相当于弹簧与伸缩轴并联。伸缩轴在带动上、下极板往复运动的同时，弹簧也在调整板的作用下上下移动而伸缩，二者的运动是同步的。弹簧与缸体外壁不接触，防止二者之间的摩擦力影响弹簧刚度，对弹簧造成磨损，进而影响整体性能。弹簧下端与下端盖上端面连接，上端与调整板连接。通过拧动调整板调节调整板高度，可以调节弹簧的压缩或者伸长量，进而改变弹簧弹力，改变整个阻尼器的刚度。

进一步的技术方案在于：在上端盖的内环处和其下端面的环形凸环处开有凹槽，用来放置O型橡胶密封圈；同理，在下端盖上端面的环形凸环上也开有凹槽放置O型密封圈。这样一来可以防止磁流变液泄露到外以及外界空气及水汽流入腔体影响磁流变液质量。

进一步的技术方案在于：下端盖设有内螺纹孔，不安装连接轴时，阻尼器可直接置于平坦平面；安装有连接轴时，可通过旋转连接轴来调整高度，与试验机或者其他设备连接。

进一步的技术方案在于：上端盖、上极板、下极板、缸体和下端盖由于处在励磁线圈的磁感应线环路上，采用磁导率较高的工业纯铁DT4；伸缩轴、隔离筒、不需要导磁，所以分别采用铝和铜；调整板和连接轴只需满足刚度需要即可，故采用45钢即可。

进一步的技术方案在于：在缸体上开有通线孔，可将励磁线圈的线头引出，方便通电。在伸缩轴和连接轴上开有连接孔，可通过销钉或钢丝与外界连接。

具体实施例：

如图8所示：整个磁流变阻尼器从外观来看大体是呈圆柱形状，上下两端都有轴升出，最外端套有弹簧。整个阻尼器外形简单美观，尺寸较小。

如图1所示：本发明的一种小位移大阻尼力的挤压式磁流变阻尼器，包括伸缩轴1、调整板3、上端盖6、上极板7、下极板13、隔离筒9、励磁线圈10、缸体11、下端盖16、弹簧5、连接轴18和磁流变液12等。

伸缩轴1有多个轴段，从上到下依次装有调整板3、上端盖6、上极板7和下极板13。其中，调整板3、上极板7和下极板13均为圆环状结构。调整板和3下极板13与伸缩轴1为螺纹配合并通过螺母2紧固，上极板7与伸缩轴1为过盈配合，上端盖6与伸缩轴1为间隙配合。上端盖6内环开有凹槽来放置第一O型密封圈4，另开有6个M3的螺纹孔便于与缸体11连接，其下端面加工有环形凸环用来与隔离筒9内圈配合。隔离筒9为环状，内圈凸起的圆环将上端盖6、隔离筒9和下端盖16组成的腔体分为上下两个腔体，两个腔体里装满配制好的磁流变液12。缠绕好的励磁线圈10固定于隔离筒9和缸体11之间，上端与上端盖6配合，下端与下端盖16配合。如图2，缸体11为圆环状结构，安装在线圈10外部，其端面开有上下12个螺纹孔，用来通过内六角螺钉8与上下端盖相连；两外，缸体11壁开有通线孔来引出线圈线头。缸体11、励磁线圈10和隔离筒9的上下端面分别对齐，处于同一水平高度上。同理，所述下端盖16置于缸体11、隔离筒9和线圈10之下，其上端面加工有环形凸环用来与隔离筒9内圈配合，同时加工有6个通孔用来安装内六角螺钉。在上下端盖装有密封圈来防止磁流变液外漏和空气中的水汽流入影响磁流变液浓度。弹簧5安装于缸体11外壁，其与缸体外壁不接触，弹簧下端与下端盖16上端面接触，上端与调整板3接触。

在具体操作磁流变阻尼器时，首先将装有上端盖6、极板的伸缩轴1升入腔体中。然后，将配制好的磁流变液12注入腔体内，使极板位于合适的高度位置。接着，将上下端盖固定，并将弹簧5安装在下端盖16和调整板3之间，通过调整调整板的高度来调节弹簧的预紧量，以此来平衡静载。励磁线圈10未通电时，腔体内的磁流变液呈粘稠流体，在被挤压的过程中流动性很强，这时的阻尼力特别小，阻尼器发挥的作用就比较小。

如图3，将励磁线圈10的线头从缸体的通线孔引出后，通过直流稳压电源通电后，通过旋转直流稳压电源的电流旋钮，就可以改变线圈在腔体内磁流变液处的磁场大小，进而使磁流变液的流动状态。电流越大、磁场越强、磁流变液也由液体向类固体转变，进而阻尼力越大。但是，磁流变液存在饱和性，当电流达到一定大小时，磁场强度不在增加。

伸缩轴1在带动上、下极板向下挤压腔体内的磁流变液12时，同时通过调整板压缩弹簧5，增加阻尼力，改变***刚度和阻尼。当撤去外力后，极板会在弹簧恢复力的作用下回到原来的位置；伸缩轴在带动上、下极板向上挤压腔体内的磁流变液时，同时通过调整板拉伸弹簧，增加阻尼力，改变***刚度和阻尼。同理当撤去外力后，极板会在弹簧恢复力的作用下回到原来的位置。由于挤压式磁流变阻尼器通过极板压缩磁流变液产生阻尼力，极板的截面积的大小直接影响阻尼力的大小。故在相同截面积的极板下，两个极板就能够产生两倍大的阻尼力。另外，加上弹簧提供的阻尼力，整个阻尼器的阻尼力就增加了不止一倍。

调整板3与伸缩轴1通过螺纹连接，通过调节调整板3的高度可以调节弹簧5的预压缩长度，以此来平衡调整板3、伸缩轴1和上下极板的重量，以及调节极板在腔体中的位置。如图4，调整板被拧到最高位置，弹簧也跟着伸缩，进而改变弹簧弹力，改变整个阻尼器的刚度和阻尼。弹簧5与缸体11外壁不接触，避免摩擦力影响弹簧弹力和磨损弹簧。同时，弹簧与磁流变液12不接触，防止磁流变液包覆弹簧，影响弹簧自由伸缩。由于弹簧置于缸体外壁，可随时根据要求更换适合劲度系数的弹簧来满足工作需求。

如图5，伸缩轴1上端开有连接孔，可通过销轴或钢丝与外界连接。连接轴下端与伸缩轴结构类似，不附图说明。

如图6，当需要磁流变阻尼器放置于平面做支撑时，可将下端盖16处的连接轴18拆卸，或通过下端盖底部的螺纹与地面连接,这样就成为单轴模式工作。

如图7，当应用场合不需要较大的阻尼力时，由于下极板和伸缩轴通过螺纹连接，可将下极板13拆卸，这样就变成了单极板模式工作。

Claims (9)

1.一种基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器，其特征在于包括伸缩轴(1)、调整板(3)、上端盖(6)、上极板(7)、下极板(13)、隔离筒(9)、励磁线圈(10)、缸体(11)、下端盖(16)、弹簧(5)、连接轴(18)和磁流变液(12)；缸体(11)的上下两端通过螺钉固连上端盖(6)和下端盖(16)，上端盖(6)上装有调整板(3)，伸缩轴(1)穿过调整板(3)和上端盖(6)的中心通孔***缸体(11)内，由上螺母(2紧固连接；弹簧(5)套在缸体(11)外壁，伸缩于调整板(3)与下端盖(16)之间；隔离筒(9)位于缸体(11)的内侧，励磁线圈(10)位于两者之间，并通过缸体(11)上的通孔与电源连接；隔离筒(9)的内圈凸起的圆环与上端盖形成上腔体，与下端盖形成下腔体；上极板(7)和下极板(13)分别安装在伸缩轴上，且上极板(7)位于上腔体内，下极板(13)位于下腔体内，使得两个极板与缸体外圈的弹簧通过调整板并联；所述隔离筒(9)中心的圆环与伸缩轴(1)之间设有使得缸体上、下腔体中磁流变液互相流动的间隙，整个腔体中充满磁流变液(12)；所述伸缩轴(1)与上端盖(6)密封连接；所述隔离筒(9)与下端盖(16)密封连接。

2.根据权利要求1所述基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器，其特征在于：所述下端盖(16)底部中心设有盲孔，盲孔上设有内螺纹，内螺纹与连接轴(18)连接。

3.根据权利要求1或2所述基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器，其特征在于：所述调整板和下极板与伸缩轴为螺纹配合并通过螺母紧固，上极板与伸缩轴为过盈配合。

4.根据权利要求1或2所述基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器，其特征在于：所述调整板、上极板和下极板均为圆环状结构。

5.根据权利要求1或2所述基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器，其特征在于：所述励磁线圈(10)与隔离筒(9)高度相等，上端与上端盖接触，下端与下端盖接触。

6.根据权利要求1或2所述基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器，其特征在于：所述上端盖的内环处设有放置O型橡胶密封圈的凹槽，上端盖的下端面设有环形凸环，环形凸环处设有放置O型橡胶密封圈凹槽。

7.根据权利要求1或2所述基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器，其特征在于：所述下端盖的上端面设有环形凸环，环形凸环上设有放置O型密封圈的凹槽。

8.根据权利要求1或2所述基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器，其特征在于：所述上端盖、上极板、下极板、缸体和下端盖采用工业纯铁DT4；所述伸缩轴采用铝，隔离筒采用铜；所述调整板和连接轴采用45号钢。

9.根据权利要求1或2所述基于双极板的小振幅并联式磁流变阻尼器，其特征在于：所述连接轴底端，伸缩轴上端均开有连接孔，通过销钉或钢丝与外界连接。