阅读说明：本技术 一种基于磁流变脂的双向力和力矩传动装置 (Bidirectional force and moment transmission device based on magnetorheological grease ) 是由 汪辉兴 王炅 于 2019-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于磁流变脂的双向力和力矩传动装置,包括杆轴、壳体、转盘、电磁线圈、磁流变脂、隔离圈、套筒、端盖和压缩弹簧。壳体为圆筒形,其上下两端通过端盖密封,上下端盖中心轴分别设置套筒,上下端盖的套筒从上至下贯穿设置杆轴,杆轴位于壳体的中部设置转盘,所述转盘开有凹槽,电磁线圈缠绕在该凹槽内部；所述转盘上下空间设置弹簧,所述压缩弹簧一端固定在端盖上,另一端与转盘表面接触配合；所述端盖、壳体、套筒、杆轴及转盘形成一个密封腔室,所述磁流变脂充满于该密封腔室。本发明能够在两个方向同时具有传力特性。(The invention discloses a bidirectional force and moment transmission device based on magnetorheological grease, which comprises a rod shaft, a shell, a turntable, an electromagnetic coil, the magnetorheological grease, an isolation ring, a sleeve, an end cover and a compression spring. The shell is cylindrical, the upper end and the lower end of the shell are sealed through end covers, the central shafts of the upper end cover and the lower end cover are respectively provided with a sleeve, the sleeves of the upper end cover and the lower end cover penetrate through a rod shaft from top to bottom, the rod shaft is positioned in the middle of the shell and is provided with a turntable, the turntable is provided with a groove, and the electromagnetic coil is wound in the groove; springs are arranged in the upper space and the lower space of the rotary table, one end of each compression spring is fixed on the end cover, and the other end of each compression spring is in contact fit with the surface of the rotary table; the end cover, the shell, the sleeve, the rod shaft and the turntable form a sealed cavity, and the magnetorheological grease is filled in the sealed cavity. The invention can simultaneously have force transmission characteristics in two directions.)

一种基于磁流变脂的双向力和力矩传动装置

技术领域

本发明属于动力传递设备，具体涉及一种基于磁流变脂的双向力和力矩传动装置。

背景技术

磁流变脂是由微米级铁磁性颗粒、基液、添加剂组成。在零磁场强度条件下，磁流变脂表现为流动性好，黏度低的New ton流体，当有外加磁场的条件下，磁流变脂瞬时(毫秒量级)向高黏度、低流动性的Bingham流体过渡。研究表明磁流变脂的剪切屈服应力可达到50—100KP，工作温度范围在-40℃—150℃之间，磁流变脂的可逆循环变化次数大约为300万次,因此，磁流变装置具有寿命长、反应迅速、工作温度范围宽等特点。

磁流变脂以其优越的流变性能在减振抑振、机械传动、精密加工及密封等多个工程领域有着广阔的应用前景，其中以磁流变脂为传力介质研制磁流变传力器件是磁流变脂应用技术研究的一个重要分支。

目前，磁流变阻尼器按其工作方式可分为活塞式磁流变阻尼器和旋转式磁流变阻尼器。活塞式磁流变阻尼器研究较早，其结构设计、力学模型的研究较为成熟。但是，有些应用场合，如康复机器人，变速与制动/传动系统等，要求阻尼器能够提供连续旋转的可控阻尼力/力矩，因此，具有集成活塞式磁流变阻尼器传力和旋转式磁流变阻尼器传力矩功能的研究具有重要的应用意义。

工作在剪切模式下，磁流变脂的剪切力可以用Bingham模型描述，表达如下：

式中：τ为流体的剪切应力；τ_y为磁致剪切屈服应力；μ为和磁场强度无关的液体屈服后黏度(实测的屈服后剪切应力的斜率)；流体剪切速率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于磁流变脂的双向力和力矩传动装置，将力和力矩传递功能集成在一个装置中，并且在该装置中加入两个压缩弹簧，使得产生两个方向的回复力，因此该装置能够在两个方向同时具有传力特性，最终得到一个能够进行力或力矩传动装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于磁流变脂的双向力和力矩传动装置包括杆轴、壳体、转盘、电磁线圈、磁流变脂、隔离圈、两个套筒、两个端盖和两根压缩弹簧。

所述壳体为圆筒形，其上下两端分别通过端盖密封，端盖中心设有圆孔，两个套筒分别***两个端盖的圆孔中，并采用过盈配合。杆轴设置在壳体内，其两端分别自套筒伸出壳体，杆轴、壳体、两个套筒和两个端盖共同构成密封腔室。

所述杆轴中部设有一圈环形凸台，转盘内圈自底面向上开有一圈第一凹槽，第一凹槽卡在杆轴的环形凸台上，并通过螺钉紧固，采用第一凹槽和环形凸台的设计减少了转轴磁路截面积，进而增加转盘内部的磁通密度，从而提高整个传动装置的扭矩和力。转盘的圆周壁上开一圈第二凹槽，电磁线圈缠绕在第二凹槽内，电磁线圈的接线端通过导线孔沿转盘、杆轴伸出所述基于磁流变脂的双向力和力矩传动装置，连接外部直流电源，隔离圈套在第二凹槽的开口处，对第二凹槽的开口进行密封。

两根压缩弹簧均设置在密封腔室内，压缩弹簧一端固定在端盖上，另一端抵住与转盘，磁流变脂充满于所述密封腔室；所述端盖、壳体、套筒、杆轴及转盘形成一个密封腔室，所述磁流变脂充满于该密封腔室，隔离圈将磁流变脂与电磁线圈隔离。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)转盘能够随着轴杆上下移动以及周向转动，因此该装置能够将力和力矩传递功能集成在一起，既能够传递轴向力也能够传递力矩。

(2)采用两个压缩弹簧，使得产生两个方向的回复力，因此本发明能够在两个方向同时具有传力特性，最终得到一个能够进行力或力矩传动装置。

附图说明

图1为本发明一种基于磁流变脂的双向力和力矩传动装置的整体结构示意图。

图2为本发明动态旋转示意图。

图3为本发明屈服应力与磁感应强度的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，本发明所述的一种基于磁流变脂的双向力和力矩传动装置包括杆轴1、壳体4、转盘5、电磁线圈6、磁流变脂7、隔离圈10、两个套筒2、两个端盖3和两根压缩弹簧8。

所述壳体4为圆筒形，其上下两端分别通过端盖3密封，端盖3中心设有圆孔，两个套筒2分别***两个端盖3的圆孔中，并采用过盈配合。杆轴1设置在壳体4内，其两端分别自套筒2伸出壳体4，杆轴1、壳体4、两个套筒2和两个端盖3共同构成密封腔室。

所述杆轴1中部设有一圈环形凸台，转盘5内圈自底面向上开有一圈第一凹槽，第一凹槽卡在杆轴1的环形凸台上，并通过螺钉紧固，采用第一凹槽和环形凸台的设计减少了转轴磁路截面积，进而增加转盘5内部的磁通密度，从而提高整个传动装置的扭矩和力。转盘5的圆周壁上开一圈第二凹槽，电磁线圈6缠绕在第二凹槽内，电磁线圈6的接线端通过导线孔沿转盘5、杆轴1伸出所述基于磁流变脂的双向力和力矩传动装置，连接外部直流电源，隔离圈10套在第二凹槽的开口处，对第二凹槽的开口进行密封。

两根压缩弹簧8均设置在密封腔室内，压缩弹簧8一端固定在端盖3上，另一端抵住与转盘5，磁流变脂7充满于所述密封腔室；所述端盖3、壳体4、套筒2、杆轴1及转盘5形成一个密封腔室，所述磁流变脂7充满于该密封腔室，隔离圈10将磁流变脂7与电磁线圈6隔离。

所述基于磁流变脂的双向力和力矩传动装置还包括若干环形密封圈9，端盖3与壳体4之间嵌入密封圈9，并且端盖3与壳体4通过螺栓11固连。端盖3与套筒2之间嵌入密封圈9，并且套筒2外壁与端盖3内壁通过过盈配合。套筒2与杆轴1之间嵌入密封圈9，并且杆轴1外壁与套筒2内壁形成间隙配合。

转盘5和壳体4采用低碳钢顺磁材料，端盖3、套筒2及杆轴1采用高硬度铝合金材料。

屈服应力与磁感应强度的关系如下：

τ_y＝αH^β

τ_y为剪切屈服应力，H为磁场强度，α、β为系数。

工作过程：

结合图1和图2，根据用户需要控制流入电磁线圈6的电流大小，在转盘5、磁流变脂7、壳体4内产生一定强度的磁通量，磁流变脂7发生流变现象从而具有一定的屈服应力，当有外力或力矩作用在杆轴1，杆轴1在力或力矩的作用下发生移动或旋转，进而带动转盘5移动或旋转，具有一定屈服应力的磁流变脂7对力或力矩产生阻碍作用，进而进行力或力矩的传递。由图3屈服应力与磁感应强度的关系成指数关系，如图3所示，随着电流增大磁通量越大后趋于饱和。

本发明用于如下类似场合，如康复机器人，变速与制动/传动系统等，要求阻尼器能够提供连续旋转的可控阻尼力/力矩，因此，具有集成活塞式磁流变阻尼器传力和旋转式磁流变阻尼器传力矩功能的研究具有重要的应用意义。