增加动态输出力可调范围的紧凑型轻量化的磁流变阻尼器

摘要

增加动态输出力可调范围的紧凑型轻量化的磁流变阻尼器，本发明涉及一种磁流变阻尼器。本发明为了解决现有的磁流变阻尼器结构尺寸大且自身重量大，无法增加阻尼器输出力的动态范围及扩展其适用范围的问题。第一动密封活塞和第二动密封活塞与外套管的内壁密封滑动连接，两个动密封活塞通过线圈活塞连接，线圈活塞上缠绕有励磁线圈，外套管、第一动密封活塞和第二动密封活塞之间形成磁流变腔室，磁流变液充满磁流变腔室，线圈活塞和励磁线圈的外圆柱面与内套管的内圆柱面之间形成环形节流通道，外套管和动密封活塞由轻质非导磁材料制成，外连接杆、内套管和线圈活塞由导磁材料制成。本发明特别适用于小负载质量隔振和轻质结构的振动半主动控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁流变阻尼器，具体涉及一种增加动态输出力可调范围的紧凑型轻量 化的磁流变阻尼器。

背景技术

磁流变液是一种在外加磁场作用下其黏性、塑性等流变学特性发生急剧变化的智能材 料。其基本特征是在外加磁场作用下能在几毫秒之内从自由流动的液体转变为半固体，呈 现可控的屈服强度，而且这种变化是可逆的。由于磁流变液的剪切屈服应力比电流变液大 一个数量级，且磁流变液具有良好动力学特性、供电压低及温度稳定性好等特点。

磁流变阻尼器是用磁流变液制成的一种性能优良的半主动控制装置，其结构简单、响 应快、动态范围大、耐久性好，即使在控制系统失效的情况下仍可充当被动控制器件，具 有很高的可靠性。磁流变阻尼控制作为一种半主动控制系统既具有被动控制系统的可靠 性，又具有主动控制系统的强适应性，通过一定的控制律可以达到与主动控制系统十分接 近的控制效果，是一种具有很好工程应用前景的控制技术。

但是现有的磁流变阻尼器有结构尺寸大，自身重量大的缺点。较大的结构尺寸使得传 统阻尼器不易跟被控质量或被控结构集成在一起。尤其当被控负载或结构质量较小时，磁 流变阻尼器作为半主动控制装置会给原系统带来较大的附加质量，改变原系统的动力学特 性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的磁流变阻尼器结构尺寸大且自身重量大，无法增加阻 尼器输出力的动态范围及扩展其适用范围的问题，进而提供一种增加动态输出力可调范围 的紧凑型轻量化的磁流变阻尼器。

本发明的技术方案是：增加动态输出力可调范围的紧凑型轻量化的磁流变阻尼器包括 外连接杆、第一动密封活塞、第二动密封活塞、外套管、内套管、磁流变液、线圈活塞和 励磁线圈；第一动密封活塞、第二动密封活塞、内套管、线圈活塞和励磁线圈均设置在外 套管内，且第一动密封活塞和第二动密封活塞分列在内套管的两侧，第一动密封活塞和第 二动密封活塞与外套管的内壁密封滑动连接，第一动密封活塞和第二动密封活塞通过线圈 活塞连接，且线圈活塞位于内套管内，线圈活塞上缠绕有励磁线圈，励磁线圈通过导线与 外部电源连接，导线由第二动密封活塞上的孔引出，孔与导线之间用树脂填充，进行密封， 导线由外套管壁上的孔穿出，外套管和内套管之间固定连接，外套管、第一动密封活塞和 第二动密封活塞之间形成磁流变腔室，磁流变液充满磁流变腔室，线圈活塞和励磁线圈的 外圆柱面与内套管的内圆柱面之间形成环形节流通道，外套管、第一动密封活塞和第二动 密封活塞均由轻质非导磁材料制成，外连接杆、内套管和线圈活塞均由导磁材料制成。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明的增加动态输出力可调范围的紧 凑型轻量化的磁流变阻尼器有较大的动态输出力可调范围，结构简单、自身质量小，阻尼 器外径可小于1厘米，达到了结构紧凑的要求。阻尼器中磁流变液的密封采用了两个活塞 的结构，具有较好的动密封效果。本发明的增加动态输出力可调范围的紧凑型轻量化的磁 流变阻尼器特别适用于小负载质量隔振和轻质结构的振动半主动控制。

附图说明

图1是增加动态输出力可调范围的紧凑型轻量化的磁流变阻尼器的结构示意图；

图2是增加动态输出力可调范围的紧凑型轻量化的磁流变阻尼器无磁场情况下的输 出力组成示意图；

图3是增加动态输出力可调范围的紧凑型轻量化的磁流变阻尼器有磁场情况下的输 出力组成示意图；

图4是增加动态输出力可调范围的紧凑型轻量化的磁流变阻尼器的双线圈结构示意 图；

图5是增加动态输出力可调范围的紧凑型轻量化的磁流变阻尼器附加传感器的结构 示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的增加动态输出力可调范围 的紧凑型轻量化的磁流变阻尼器包括外连接杆1、第一动密封活塞2、第二动密封活塞7、 外套管4、内套管5、磁流变液6、线圈活塞9和励磁线圈10；第一动密封活塞2设置有 螺纹通孔，外连接杆1与第一动密封活塞2的螺纹通孔螺纹连接，第一动密封活塞2、第 二动密封活塞7、内套管5、线圈活塞9和励磁线圈10均设置在外套管4内，且第一动密 封活塞2和第二动密封活塞7分列在内套管5的两侧，第一动密封活塞2和第二动密封活 塞7与外套管4的内壁密封滑动连接，第一动密封活塞2和第二动密封活塞7通过线圈活 塞9连接，且线圈活塞9位于内套管5内，线圈活塞9上缠绕有励磁线圈10，励磁线圈 10通过导线8与外部电源连接，导线8由第二动密封活塞7上的孔引出，孔与导线8之 间用树脂填充，进行密封，导线8由外套管4壁上的孔穿出，外套管4和内套管5之间固 定连接，外套管4、第一动密封活塞2和第二动密封活塞7之间形成磁流变腔室，磁流变 液6充满磁流变腔室，线圈活塞8和励磁线圈7的外圆柱面与内套管5的内圆柱面之间形 成环形节流通道，外套管4、第一动密封活塞2和第二动密封活塞7均由轻质非导磁材料 制成，外连接杆1、内套管5和线圈活塞9均由导磁材料制成。

装配过程中，磁流变液6由外连接杆1与第一动密封活塞2的连接螺纹孔和第一动密 封活塞2上的径向孔注入，然后把外连接杆1旋入第一动密封活塞2上的螺纹孔中，起 到密封的作用。这种方式避免了另外专门开孔作为磁流变液6的注入孔，而且不需要对注 入孔作专门的密封，使得结构更加简化。

本实施方式的外套管4可以根据被控结构本身材料与构型，选用无缝管材或者液压系 统专用的管材，材料可以是铝合金、镁合金、钛、聚四氟乙烯等轻质非导磁材料，带来了 阻尼器的轻量化，同时更加容易得与被控结构进行集成。

本实施方式的线圈活塞9和励磁线圈10的外圆柱面与内套管5的内圆柱面之间形成 环形节流通道。线圈活塞9将磁流变腔室分为左磁流变腔室A和右磁流变腔室B两部分。 当磁流变液6通过此节流通道在左磁流变腔室A和右磁流变腔室B之间交换流动时，会 产生阻尼力。

第一动密封活塞2、第二动密封活塞7与外套管4之间采用了双活塞动密封结构，使 得磁流变阻尼器的轴向尺寸可以做到很小，达到结构紧凑的需要。

本实施方式的增加动态输出力可调范围的紧凑型轻量化的磁流变阻尼器的阻尼力主 要包括三部分：第一是活塞动密封产生的摩擦力；第二是磁流变液6通过环形节流通道产 生的黏性阻尼力；第三是由于外加磁场，磁流变液6获得了一定的剪切屈服强度，当相对 运动导致磁流变液6通过环形节流通道时，产生的与磁场相关的阻尼力。

1)当没有外加磁场时：此时磁流变液6为可自由流动的液体状态。线圈活塞9将磁 流变腔室分为两部分，定义线圈活塞9的左侧部分为左磁流变腔室A，定义线圈活塞9 的右侧部分为右磁流变腔室B，如图1所示，当外连接杆1相对外套管4向右发生相对运 动时，左磁流变腔室A的容量减小，迫使磁流变液6通过中间环形节流通道由左磁流变 腔室A流向右磁流变腔室B，由于环形节流通道的节流作用，产生黏性阻尼力。这个黏 性阻尼力最终作用于外连接杆1与外套管4之间。此时磁流变液6的特性和作用相当于传 统的流体阻尼器中的液压油。

在没有外加磁场的条件下，增加动态输出力可调范围的紧凑型轻量化的磁流变阻尼器 的力来自两部分，如图2所示，动密封摩擦力F₁和黏性阻尼力F₂。此时，增加动态输出 力可调范围的紧凑型轻量化的磁流变阻尼器相当于传统流体阻尼器，阻尼器的输出力是不 可控的。

2)有外加磁场时：在励磁线圈10中通电时，会在环形节流通道中产生轴对称的磁场， 通道中磁力线的方向为阻尼器径向。在磁场的作用下，环形节流通道中的磁流变液6会发 生相变，由能自由流动的液体变成半固体，且其剪切屈服强度与所加的磁场在未饱和之前 成正比例关系。当外连接杆1相对外套管4向右运动时，磁流变液6通过环形节流通道由 左磁流变腔室A流入右磁流变腔室B，产生黏性阻尼力，方向与相对运动方向相反；此 外，由于磁流变液6在外加磁场作用下的特性，产生阻碍磁流变液6流动与线圈活塞9 和内套管5内壁之间的相对运动的趋势，此时就需要外加力消除这种阻碍，对整个阻尼器 来说表现为与外加磁场相关的阻尼力，方向与相对运动方向相反，称为场致阻尼力。

在有外加磁场的条件下，阻尼器的输出力，如图3所示，主要由三部分组成：动密封 摩擦力F₁、黏性阻尼力F₂和场致阻尼力F₃，且它们的方向相同，都与阻尼器相对运动方 向相反。其中，场致阻尼力F₃包括使磁流变液6流动的力和阻碍环形节流通道内外壁相 对运动的力两部分，这两部分都可以通过控制外加磁场的强度加以控制。

不管是无磁场条件下，还是有磁场条件下，增加动态输出力可调范围的紧凑型轻量化 的磁流变阻尼器活塞的有效面积是第一动密封活塞2的面积减去线圈活塞9面积，这与传 统磁流变阻尼器的有效活塞面积就等于活塞面积不同。有效活塞面积的减小意味着在相同 活塞和外套管4相对速度V₀的情况下，有较少的磁流变液6通过环形节流通道，或者说 磁流变液6以较低的速度通过环形节流通道。这虽然会同时降低黏性阻尼力F₂和场致阻 尼力F₃，但是黏性阻尼力F₂降低更加显著，这就使得受控的场致阻尼力F₃在磁流变阻尼 器输出力所占的比例增加，也就是阻尼器动态输出力的可调范围增加了。

外加磁场的大小由通过励磁线圈10的电流大小控制。在实际应用中，此部分功能由 一个可控的供电电路或者供电电源完成。这样作为半主动控制执行装置的磁流变阻尼器就 可以通过控制系统给出的控制信号，实时控制阻尼器的输出力的大小。

具体实施方式二：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的励磁线圈10为单 级线圈、两级线圈或多级线圈。这样可以增加环形节流通道中的磁场强度，从而增大阻尼 器的输出力。相邻线圈产生的磁场在两线圈之间的导磁材料处相互叠加。其它组成和连接 关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的轻质非导磁材料为铝合金、 镁合金、钛或聚四氟乙烯。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的导磁材料为工程纯铁、导 磁不锈钢、低碳钢或硅钢。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的增加动态输出力可调范围 的紧凑型轻量化的磁流变阻尼器还包括两个O型密封圈3，第一动密封活塞2和第二动密 封活塞7与外套管4的内壁均采用O型密封圈3密封滑动连接。其它组成和连接关系与 具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的外套管4和内套管5之间 采用过盈配合固定连接。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的外套管4和内套管5之间 采用间隙配合，并通过螺钉进行固定连接。这样可以降低对零件的加工和装配的精度要求。 其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式八：结合图5说明本实施方式，本实施方式的增加动态输出力可调范围 的紧凑型轻量化的磁流变阻尼器还包括力传感器11和位移传感器12，在外连接杆1与第 一动密封活塞2之间串联一个力传感器11，在第二动密封活塞7的右侧串联一个位移传 感器12。力传感器11用于检测阻尼器的输出力的大小，位移传感器12检测阻尼器的相 对位移，检测到的输出力和相对位移信号，作为后续半主动控制的输入信号。其它组成和 连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。