阅读说明：本技术 一种对称多筒旋转式磁流变阻尼器 (Symmetrical multi-cylinder rotary magnetorheological damper ) 是由 李会军 欧阳云霞 宋爱国 陈大鹏 于 2019-11-07 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种对称多筒旋转式磁流变阻尼器,包括：外壳、分别设置在外壳顶部和底部的上下封盖、以及设置在外壳内的旋转轴,定子,内外动筒,静筒,线圈支架,线圈和间隔环。本发明设计的阻尼器剖面为轴对称截面,单侧为T型截面,在传统的单筒旋转式阻尼器的结构基础上,优化为对称多筒旋转式阻尼器。此结构在阻尼器内一共形成八条流体间隙,增加了流体间隙数量,远远多于传统的阻尼器,实验证明,能够大大增加切割磁流变液的有效面积,提高了扭矩-体积比,减小了转动惯量,满足一些需要大阻尼,小体积,低功耗的应用场合。(The invention provides a symmetrical multi-cylinder rotary magnetorheological damper, which comprises: the shell, set up upper and lower closing cap and the rotation axis that sets up in the shell, stator, interior outer movable cylinder, quiet section of thick bamboo, coil support, coil and spacer ring in shell top and bottom respectively. The section of the damper designed by the invention is an axisymmetric section, and a single side is a T-shaped section, so that the damper is optimized to be a symmetric multi-cylinder rotary damper on the basis of the structure of the traditional single-cylinder rotary damper. The structure forms eight fluid gaps in the damper, increases the quantity of the fluid gaps, is far more than that of the traditional damper, and experiments prove that the effective area for cutting the magnetorheological fluid can be greatly increased, the torque-volume ratio is improved, the rotational inertia is reduced, and the application occasions requiring large damping, small volume and low power consumption are met.)

一种对称多筒旋转式磁流变阻尼器

技术领域

本发明属于阻尼器技术领域，涉及一种采用磁流变液产生阻尼力矩的阻尼器，尤其涉及一种对称多筒旋转式磁流变阻尼器。

背景技术

磁流变液的流变效应使得其在外加磁场的作用下，状态会迅速由液态向类固态发生转化，并且具有一定的抗剪切能力，此时会向外输出阻尼力，阻尼力依赖于磁场强度，可以瞬间、连续和反向地改变。基于磁流变液，磁流变阻尼器以其优良的特性——固有无源性，响应时间快，转矩-体积比高，功率要求低，成为一种新型的半主动执行器。

不同结构形式的磁流变阻尼器适用于不同应用场合，现有的磁流变阻尼器结构分为直动式和旋转式，在一些场合，如康复机器人，柔性关节机器人需要磁流变阻尼器输出连续可旋转的阻尼力矩，因此研究旋转式磁流变阻尼器是有现实意义的。

设计磁流变阻尼器的难点在于在保证阻尼器体积小的前提下，还要能够足够大的输出阻尼力矩。

圆筒旋转式磁流变阻尼器的优点在于结构简单且易于加工装配，但是它的力矩-体积比非常小，已有研究做出了多筒式磁流变阻尼器，在获得大输出力矩的同时还减小了阻尼器的体积。但是目前存在的多筒式阻尼器并没有对装配的体积进行充分的利用，忽略了轴向压力、摩擦力对初始阻尼的影响，防漏液措施也还不够完善。

发明内容

为解决上述问题，并为了得到更大的力矩-体积比，本发明在不增加装配难度的基础上，设计了对称多筒旋转式磁流变阻尼器，这种结构大大增加了阻尼器流体间隙的通道数量，增大输出的阻尼力矩。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种对称多筒旋转式磁流变阻尼器，包括：外壳，分别设置在外壳顶部和底部的上下封盖，以及设置在外壳内的旋转轴，定子，内外动筒，静筒，线圈支架，线圈和间隔环；所述旋转轴剖面为十字型，横向为径向传动轴，纵向为轴向传动轴，其轴向传动轴顶部和底部分别穿过上封盖和下封盖；所述定子包括设置在径向传动轴上方的上定子和设置在径向传动轴下方的下定子，上、下定子分别与上、下封盖固定连接；所述内外动筒包括固定在旋转轴上半部分的上内动筒和上外动筒，以及固定在旋转轴下半部分的下内动筒和下外动筒；所述静筒包括设置在上内外动筒之间的上静筒和设置在下内外动筒之间的下静筒，所述线圈支架包括设置在上内动筒上方的上线圈支架和设置在下内动筒下方的下线圈支架，上、下线圈分别缠绕在上、下线圈支架上，所述间隔环包括设置在上线圈与上外动筒之间的上间隔环以及设置在下线圈与下外动筒之间的下间隔环；上下静筒、上下线圈支架、上、下间隔环分别与上定子和下定子固定连接；在上内、上外动筒和上静筒之间形成两条流体间隙，在上内、上外动筒和上定子、外壳之间形成两条流体间隙，在下内、下外动筒和下静筒之间形成两条流体间隙，在下内、下外动筒和下定子、外壳之间形成两条流体间隙，一共形成八条流体间隙，所述八条流体间隙充满磁流变液。

进一步的，所述上定子、下定子与旋转轴的径向传动轴之间有较大间隙，间隙中充满磁流变液。

进一步的，所述上、下定子内侧设置有平面轴承和骨架油封，所述平面轴承和骨架油封套设在旋转轴外。

进一步的，所述传动轴前后分别具有两个圆环凹槽，上内动筒，下内动筒，上外动筒，下外动筒置于圆环凹槽内。

进一步的，所述外壳上开有两个上下对称的圆形通孔，圆形通孔与所述八条流体间隙连通，形成供液通道。

进一步的，各内外动筒通过机米螺丝固定在旋转轴上，上下静筒、上下线圈支架、上、下间隔环分别通过机米螺丝与上下定子固定连接，上下封盖通过圆头螺丝与上下定子固定连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.本发明设计的阻尼器剖面为轴对称截面，单侧为T型截面，在传统的单筒旋转式阻尼器的结构基础上，优化为对称多筒旋转式阻尼器。此结构在阻尼器内一共形成八条流体间隙，增加了流体间隙数量，远远多于传统的阻尼器，实验证明，能够大大增加切割磁流变液的有效面积，提高了扭矩-体积比，减小了转动惯量，满足一些需要大阻尼，小体积，低功耗的应用场合。

2.对称多筒旋转式磁流变阻尼器的两个线圈可以独立工作，产生的磁力线互不干扰，施加相同的外加电场，阻尼器可全阻尼力输出，也可半阻尼力输出，满足不同场合的需求。

3.平面轴承设置大大减小了轴向压力、摩擦力对初始阻尼力的影响。

4.上下定子与旋转轴之间充满磁流变液的间隙，减小旋转轴与固定件的接触面积，减小初始阻尼。

5.骨架油封设置减少了漏液现象。

附图说明

图1为本发明提供的对称多筒旋转式磁流变阻尼器结构示意图，其中(a)为整体图，(b)为(a)的A-A向剖面示意图。

图2为阻尼器中流体间隙分布图。

图3为阻尼器中注射孔通道示意图。

图4为有限元分析——磁力线分布图。

图5为有限元分析——磁场强度分布图。

图6为路径A-B具体磁场强度分布图。

图7为路径C-D具体磁场分布图。

附图标记说明：

1-旋转轴，2-上内动筒、3-下内动筒、4-上外动筒、5-下外动筒，6-上静筒，7-下静筒，8-上线圈支架，9-下线圈支架，10-上间隔环，11-下间隔环，12-上定子，13-下定子，14-上封盖，15-下封盖，16-外壳，17-平面轴承，18-骨架油封，19-上线圈，20-下线圈，21-第一条流体间隙，22-第二条流体间隙，23-第三条流体间隙，24-第四条流体间隙。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提供的对称多筒旋转式磁流变阻尼器，主要包括旋转轴，定子，内外动筒，静筒，线圈支架，间隔环，上下封盖，外壳。两个内动筒，两个外动筒通过机米螺丝固定于旋转轴上，构成上下对称的旋转机构；两个静筒，两个线圈支架，两个间隔环通过机米螺丝分别固定于两个定子上，线圈缠绕于线圈支架上，两个定子通过普通圆头螺丝和上、下封盖固定，形成整个固定件；旋转机构通过平面轴承和油封置于固定件内，保证在受到轴向力时，不会上下移动，且减小轴向摩擦力的影响。当施加外加电场后，线圈产生的磁力线垂直通过8条充满磁流变液的流体间隙，因磁流变液的流变效应而产生的剪切力，阻碍静筒和内外动筒的相互运动，旋转轴输出轴为D型切面轴，通过输出轴连接齿轮，向外输出阻尼力。阻尼力随外加电流的变化而瞬时变化，具有可控性。

具体地说，如图1所示，对称多筒旋转式磁流变阻尼器包括旋转轴1、上内动筒2、下内动筒3、上外动筒4、下外动筒5、上静筒6、下静筒7、上线圈支架8、下线圈支架9、上间隔环10、下间隔环11，上封盖14、下封盖15。

上封盖14、下封盖15分别位于阻尼器的顶部和底部。旋转轴1剖面为十字型，横向为径向传动轴，纵向为轴向传动轴，在阻尼器内旋转轴1整体纵向设置，轴向传动轴顶部和底部分别穿过上封盖和下封盖。旋转轴外周套设有两套平面轴承17和骨架油封18，旋转轴1通过平面轴承17和骨架油封18置于固定缸体结构内，保证在受到轴向力时，不会上下移动，且减小切向摩擦力的影响。上定子12设置在旋转轴1径向传动轴上方，下定子13设置在旋转轴1径向传动轴下方，上封盖14和下封盖15各通过6个螺丝与上定子12、下定子13固定，使其能够紧密配合，实现磁力线顺利穿过磁路的同时防止漏液，保证旋转轴旋转时，静筒能和外壳保持相对静止，构成固定件。上定子12、下定子13内侧加工有圆形凹槽，平面轴承和骨架油封置于凹槽内，定子、上下封盖、平面轴承与旋转轴间隙配合，定子和旋转轴的径向传动轴有间隙，减少旋转轴与固定件的接触面积，减小初始阻尼，骨架油封与旋转轴过渡配合，同时圆形凹槽的直径略小于骨架油封的直径，在装配时，骨架油封受到轴向和径向的挤压，防止磁流变液泄露。本发明用骨架油封18代替了传统的O型圈，大大缓解了旋转轴旋转时产生的漏液情况。当外壳和封盖紧密配合时，壳体内部的轴向压力会增大，作用到旋转轴1上后，会导致初始阻尼相当大，而平面轴承可以大大减小轴向压力对输出阻尼的影响，因此能够保证旋转轴径向传动轴在受到上下的压力时，不会上下移动，且减小轴向摩擦力的影响。

在旋转轴1径向传动轴前后分别切出了两个圆环凹槽，上内动筒，下内动筒，上外动筒，下外动筒置于圆环凹槽内，并通过机米螺丝固定于旋转轴上，当旋转轴旋转时带动它们转动，内、外动筒切割磁流变液。上内、外动筒位于上定子外，下内、外动筒位于下定子外。上静筒6设置在上内动筒、上外动筒之间，下静筒7设置在下内动筒、下外动筒之间。上线圈支架8设置在上内动筒上方，下线圈支架9设置在下内动筒下方，上线圈19和下线圈20分别绕置于上线圈支架8和下线圈支架9上，在外壳侧面开有两个通孔，作为出线孔。上间隔环10设置在上线圈19与上外动筒之间，下间隔环11设置在下线圈20与下外动筒之间。上静筒6，下静筒7，上线圈支架8，下线圈支架9，上间隔环10，下间隔环11通过机米螺丝分别固定于上定子12和下定子13上，保证旋转轴1旋转时，静筒能和外壳16保持相对静止，构成固定件。

图2是本发明的上半部分流体间隙分布图，下半部分与之相同。由图中可见，在上内动筒2、上外动筒4和上静筒6之间一共形成两条流体间隙，在上内动筒2、上外动筒4和上定子12、外壳16之间形成两条流体间隙，上半部分一共有四条流体间隙——第一条流体间隙21，第二条流体间隙22，第三条流体间隙23，第四条流体间隙24；同样的，在下内、下外动筒和下静筒之间一共形成两条流体间隙，在下内、下外动筒和下定子、外壳之间形成两条流体间隙，整个磁流变阻尼器一共形成八条流体间隙。

图3是本发明的注射孔通道图，在外壳处开两个上下对称的圆形螺纹孔，两个间隔环、两个静筒和两个线圈支架在这圆形通孔的同心轴处均开有∩型通孔，形成一条供液通道，使用者可以使用小型注射器，通过这条注射通道往这八条流体间隙中注液，直至八条流体间隙充满磁流变液。

上定子12、下定子13与旋转轴1之间有间隙，充满磁流变液，目的在于减小旋转轴1与固定件的接触面积，减小初始阻尼。

上线圈19和下线圈20分别绕置于上线圈支架8和下线圈支架9上，位于上封盖14下方和下封盖15上方，同时也置于流体间隙附近，以最大限度地增加活动剪切面积，最小化磁阻。当给上线圈19和下线圈20通上外部电流时，线圈产生的磁通先垂直经过流体间隙，然后流入外壳，再流入封盖，最后流入定子，形成一个封闭的闭合磁路。磁路中的磁力线分布图如图3所示，可以明显看出，磁力线几乎全部聚集在预期的闭合磁路中，表明磁路设计在原理上是完全正确的。且磁路上半部分和下半部分的磁力线分布情况对称，且互不干扰，磁力线能够充分垂直穿过八条流体间隙。说明两个线圈可单独工作，也可协同工作。使用者可以实现对称多筒旋转式阻尼器上下部分的独立工作或共同工作，既可以全阻尼力输出，也可以半阻尼力输出，满足不同场合的需求。

图4是本发明的有限元分析结果中的磁感应强度分布图，图4中路径A-B详细的磁感应强度如图5所示，路径C-D详细的磁感应强度如图6所示。本发明给定的激励为每个线圈260安匝，此时工作间隙中的磁流变液的磁感应强度大约为0.7T，而动、静阻尼盘以及外壳中的磁感应强度值大约为1.6T，闭合磁路的各部分可以同时达到磁饱和，这也说明了该磁流变阻尼器的各个零件的结构参数设计合理。

壳体内部所用的螺丝均为机米螺丝，减小装配时的难度和因装配而造成的材料、空间的浪费。设计磁流变阻尼器时选取的导磁材料应满足磁导率高、饱和磁感高、磁性稳定又无磁时效的特点。本发明选取的导磁材料是软磁材料电工纯铁DT4C，当外加磁场强度达到1.6T时，DT4C将会达到磁饱和。

设计磁流变阻尼器时选取的磁流变液的性能要同时满足以下要求：

(1)应具有非常明显的流变效应；

(2)应立即响应并可逆地响应磁场的变化；

(3)应允许宽范围的可控性；

(4)应提供高抗硬沉降性，容易再分散；

本发明磁流变液采用美国Lord公司生产的MRF-122EG，它能同时满足以上要求，当外加磁场强度达到0.7T时，MRF-122EG将会达到磁饱和。

本发明工作原理如下：

磁流变液阻尼器是一种基于磁流变液的流变效应所制成的半主动执行器，磁流变液的流变效应是指在没有外加磁场的时候，磁流变液的特性与牛顿流体类似。在有外加磁场存在时，磁流变液的状态会迅速由液态向类固态发生转化，并且就有一定的抗剪切能力；而当外加磁场撤去时，磁流变液的状态又会恢复成液态，这种转化实在毫秒级别的时间内完成的。流体通常被限制在两个磁极之间，在没有磁场的情况下，磁流变悬浮颗粒在载体流体中均匀分布，悬浮体表现为牛顿流体；当磁场作用时，粒子被磁化并受到磁力的作用，因此，它们形成链状结构或聚合体，大致与磁场方向平行，这种链状结构产生了抗剪切能力，对相对运动的两极或对流体流动产生阻碍。

当外部施加电流给线圈时，流体间隙中的磁流变液具有一定的抗剪切能力，阻碍了内外动筒的运动，从而阻碍了旋转轴的运动，从而向外输出阻尼力，且这个阻尼力是随着电流的增大而增大的，直至磁流变液达到磁饱和，可控性强。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。