一种磁流变惯容装置及其惯容系数的连续调节方法与流程

本发明涉及一种惯容装置，特别是一种磁流变惯容装置及其惯容系数的连续调节方法。

技术背景

缓解生产与生活中不必要的振动始终是研究人员不断努力的方向，惯容器作为一种新型的减振元件，于2003年被首次提出。惯容器是一种两端可移动的质量元件，产生的力与其两端的相对加速度成正比，比例系数称为惯容系数，单位是千克。惯容器可以以自身很小的质量来模拟较大的“虚质量”，较之于传统质量元件，更小的结构尺寸与质量让其更有利于工程应用。2005年，惯容器首先被应用在f1赛车上，提高了赛车的操纵性和轮胎抓地性能。2006年，一种包含惯容器的转向补偿装置被应用在高性能摩托车上，改善了摩托车的转向性能。此后，惯容器的应用研究还涉及列车悬架、汽车悬架、建筑与桥梁等领域。由于惯容系数无法调节，被动式惯容器的减振频带较窄，在一定程度上阻碍了惯容器性能的进一步提升。为实现惯容系数的调节，研究人员提出了一种机械式可调惯容器，通过调节质量块的位置来改变飞轮的转动惯量，从而实现惯容系数的调节。此外，一种液压式可调惯容器被提出，通过控制液压阀门来分级调节惯容系数。虽然二者都实现了惯容系数的调节，但前者的调节速度较慢，而后者无法实现连续调节，从而导致惯容器的性能有限。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种磁流变惯容装置及其惯容系数的连续调节方法，以期能实现惯容系数在大范围内的迅速调节，从而提升惯容器的性能。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种磁流变惯容装置的特点在于：是由磁流变惯容器和力补偿机构组成；

所述磁流变惯容器由滚珠丝杆、螺母、飞轮、飞轮外壳、第一线圈、第一密封圈、第二密封圈、第一轴承、第二轴承、上端盖、下端盖和第一磁流变液组成；

所述滚珠丝杆上通过所述螺母固定有所述飞轮，且所述飞轮和所述螺母为同轴固定；所述飞轮的上端面和下端面分别设置有所述第一轴承和第二轴承；且所述第一轴承和第二轴承分别与所述上端盖和下端盖同轴装配，用于对所述飞轮的轴向移动形成限位结构；在保证飞轮旋转的同时限制了飞轮的轴向移动；

在所述飞轮的外侧设置有所述飞轮外壳，在所述飞轮外壳的内侧t形槽中缠绕有所述第一线圈；在所述飞轮外壳与所述飞轮上端的外侧间隙中设置有所述第一密封圈，在所述飞轮外壳与所述下端盖之间设置有所述第二密封圈，以所述飞轮外壳与所述飞轮之间，以及所述第一密封圈和第二密封圈之间形成环形密闭腔，在所述环形密闭腔中充满有第一磁流变液；所述飞轮外壳与上端盖和下端盖同轴固定；

所述力补偿机构是由磁流变阻尼器和运动转换器组成；所述磁流变阻尼器是由活塞杆、活塞、第二线圈、活塞外壳、气囊、第一端盖、第二端盖、第二磁流变液、第一铜环、第二铜环、骨架油封和密封圈组成；

所述活塞杆与活塞同轴固定；所述第二线圈经过所述活塞杆的内部通孔并缠绕于所述活塞的环形槽中；

在所述活塞杆的外侧设置有所述活塞外壳；使活塞与活塞外壳始终保持同轴；在所述活塞外壳的底部设置有所述气囊；用于补偿活塞杆进出活塞外壳过程中产生的体积变化；

在所述活塞外壳的顶部设置有所述第一端盖；在所述活塞杆的顶部设置有所述第二端盖，且在所述第二端盖与所述活塞外壳之间设置有密封圈；保证活塞外壳内部的密封性；在所述第一端盖的的中心设置有所述第一铜环，在所述第二端盖的中心设置有所述第二铜环，且所述第一铜环和第二铜环分别与活塞杆同轴装配，在第一铜环与第二铜环之间设置有所述骨架油封；并与活塞杆同轴装配，避免磁流变液的泄露；在所述活塞外壳与所述活塞杆之间，以及所述第二端盖与所述气囊之间形成密封腔，并在所述密封腔中充满有第二磁流变液；

所述活塞杆的一端通过连接件与所述磁流变惯容器中滚珠丝杆的一端固连；

所述运动转换器是由第一齿条、第二齿条和齿轮组成；所述第一齿条的一端与磁流变阻尼器的活塞外壳的底部固连；所述第二齿条的一端与磁流变惯容器的下端盖的一侧固连，在第一齿条和第二齿条之间设置有所述齿轮。

本发明所述的磁流变惯容装置的惯容系数的连续调节方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、在所述磁流变惯容器两端的滚珠丝杆和下端盖上施加位移激励，使得所述滚珠丝杆带动飞轮旋转，并在所述磁流变惯容器的两端产生与相对加速度成正比的作用力，从而根据所述作用力得到相应的惯容系数；

步骤2、改变所述磁流变惯容器中第一线圈的电流，使得第一磁流变液的粘度发生变化，从而使得所述磁流变惯容器的两端产生与激励速度的正相关阻尼力；

步骤3、调节磁流变惯容器中第二线圈的电流，得第二磁流变液的粘度发生变化，从而使得所述磁流变惯容器的两端产生与速度相关的阻尼力；

步骤4、所述下端盖在位移激励的作用下，带动第二齿条移动并在齿轮的转动下使得第一齿条与第二齿条反向移动，从而使得所述活塞杆与活塞外壳之间相对移动，同时磁流变阻尼器产生与激励速度的反相关阻尼力，并通过连接件和第二齿条作用于所述磁流变惯容器的两端；

步骤5、通过调节所述正相关阻尼力和反相关阻尼力的大小，使得所述磁流变惯容器两端的作用力始终与其两端的相对加速度成正比，从而实现惯容系数的连续调节。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1.本发明利用磁流变效应，通过调节线圈中的电流，使惯容器两端所产生的力始终与其两端的相对加速度成正比，实现了惯容系数的大范围、连续调节，克服了传统惯容器由于惯容系数无法调节所导致的减振频带较窄的缺陷，进一步提升了惯容器的性能；

2.本发明基于磁流变效应来调节惯容器两端所产生的力，具有响应迅速的特点；

3.本发明中磁流变惯容器的磁流变液工作于纯剪切模式下，大大减少了磁流变液的使用量，使制造成本下降；

4.本发明结构相对简单、体积较小、耗能少，更有利于工程应用。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的总体结构示意图；

图2为本发明中磁流变惯容器的三维示意图；

图3为本发明中磁流变惯容器的纵截面示意图；

图4为本发明中磁流变惯容器的横截面示意图；

图5为本发明中磁流变阻尼器的三维示意图；

图6为本发明中磁流变阻尼器的纵截面示意图。

图7为本发明在相对正弦位移激励下的惯容系数调节实施例图；

图中标号：1滚珠丝杆，2第一轴承，3螺母，4飞轮外壳，5第一线圈，6第一密封圈，7上端盖，8第二密封圈，9飞轮，10第一磁流变液，11第二轴承，12下端盖，13第一端盖，14第二端盖，15活塞外壳，16活塞，17第二线圈，18气囊，19第一铜环，20骨架油封，21密封圈，22第二铜环，23活塞杆，24第一齿条，25第二齿条，26齿轮，27连接件，28第二磁流变液。

具体实施方式

如图1所示，一种磁流变惯容装置是由磁流变惯容器和力补偿机构组成；

如图2、图3和图4所示，磁流变惯容器由滚珠丝杆1、螺母3、飞轮9、飞轮外壳4、第一线圈5、第一密封圈6、第二密封圈8、第一轴承2、第二轴承11、上端盖7、下端盖12和第一磁流变液10组成；

滚珠丝杆1上通过螺母3固定有飞轮9，且飞轮9和螺母3为同轴固定；飞轮9的上端面和下端面分别设置有第一轴承2和第二轴承11；且第一轴承2和第二轴承11分别与上端盖7和下端盖12同轴装配，用于对飞轮9的轴向移动形成限位结构；在保证飞轮9旋转的同时限制了飞轮9的轴向移动；

在飞轮9的外侧设置有飞轮外壳4，在飞轮外壳4的内侧t形槽中缠绕有第一线圈5；在飞轮外壳4与飞轮9上端的外侧间隙中设置有第一密封圈6，在飞轮外壳4与下端盖12之间设置有第二密封圈8，以飞轮外壳4与飞轮9之间，以及第一密封圈6和第二密封圈8之间形成环形密闭腔，在环形密闭腔中充满有第一磁流变液10；飞轮外壳4与上端盖7和下端盖12同轴固定；

力补偿机构是由磁流变阻尼器和运动转换器组成；如图5和图6所示，磁流变阻尼器是由活塞杆23、活塞16、第二线圈17、活塞外壳15、气囊18、第一端盖13、第二端盖14、第二磁流变液28、第一铜环19、第二铜环22、骨架油封20和密封圈21组成；

活塞杆23与活塞16同轴固定；第二线圈17经过活塞杆23的内部通孔并缠绕于活塞16的环形槽中；

在活塞杆23的外侧设置有活塞外壳15；使活塞16与活塞外壳15始终保持同轴；在活塞外壳15的底部设置有气囊18；用于补偿活塞杆23进出活塞外壳15过程中产生的体积变化；

在活塞外壳15的顶部设置有第一端盖13；在活塞杆23的顶部设置有第二端盖14，且在第二端盖14与活塞外壳15之间设置有密封圈21；保证活塞外壳15内部的密封性；在第一端盖13的的中心设置有第一铜环19，在第二端盖14的中心设置有第二铜环22，且第一铜环19和第二铜环22分别与活塞杆23同轴装配，在第一铜环19与第二铜环22之间设置有骨架油封20；并与活塞杆23同轴装配，避免磁流变液28的泄露；在活塞外壳15与活塞杆23之间，以及第二端盖14与气囊18之间形成密封腔，并在密封腔中充满有第二磁流变液28；

活塞杆23的一端通过连接件27与磁流变惯容器中滚珠丝杆1的一端固连；

如图1所示，运动转换器是由第一齿条24、第二齿条25和齿轮26组成；第一齿条24的一端与磁流变阻尼器的活塞外壳15的底部固连；第二齿条25的一端与磁流变惯容器的下端盖12的一侧固连，在第一齿条24和第二齿条25之间设置有齿轮26。

本实施例中，一种磁流变惯容装置的惯容系数的连续调节方法是按如下步骤进行：

步骤1、在磁流变惯容器两端的滚珠丝杆1和下端盖12上施加位移激励，使得滚珠丝杆1带动飞轮9旋转，并在磁流变惯容器的两端产生与相对加速度成正比的作用力，从而根据作用力得到相应的惯容系数；

步骤2、改变磁流变惯容器中第一线圈5的电流，使得第一磁流变液10的粘度发生变化，从而使得磁流变惯容器的两端产生与激励速度的正相关阻尼力；

步骤3、调节磁流变惯容器中第二线圈17的电流，得第二磁流变液28的粘度发生变化，从而使得磁流变惯容器的两端产生与速度相关的阻尼力；

步骤4、下端盖12在位移激励的作用下，带动第二齿条25移动并在齿轮26的转动下使得第一齿条24与第二齿条25反向移动，从而使得活塞杆23与活塞外壳15之间相对移动，同时磁流变阻尼器产生与激励速度的反相关阻尼力，并通过连接件27和第二齿条25作用于磁流变惯容器的两端；

步骤5、通过调节正相关阻尼力和反相关阻尼力的大小，使得磁流变惯容器两端的作用力始终与其两端的相对加速度成正比，从而实现惯容系数的连续调节。

图7示出了本发明在惯容器两端相对位移为正弦的情况下，实现惯容系数连续调节的一种实施例，其工作过程为：当磁流变惯容器两端施加正弦位移激励时，磁流变惯容器中的飞轮9由于自身惯性，会通过滚珠丝杆1使惯容器两端产生与相对加速度成正比的力，此时的比例系数即为此时的惯容系数。当需要改变惯容系数时，必须改变磁流变惯容器的第一线圈5中的电流，使第一磁流变液10的粘度发生变化，进而改变磁流变惯容器两端所产生的力，使其与惯容器两端的相对加速度成一定的比例。由第一磁流变液10浓度变化产生的力可以看做是一种与速度相关的阻尼力，而同一位移激励下的加速度与速度存在一定的相位差，这意味着当加速度与速度的相位相反时，调节磁流变惯容器的第一线圈5的电流将无法使与相对加速度相关的力增大，即无法增大惯容系数；同样，当加速度与速度的相位相同时，无法使磁流变惯容器与相对加速度相关的力减小，即无法减小惯容系数。此时，可以通过力补偿机构实现惯容系数的连续调节。由于运动转换器的作用，使磁流变阻尼器产生的力始终与磁流变惯容器由于磁流变液粘度变化产生的力的方向相反，这就补偿了原本磁流变惯容器由于相位差无法达到的那部分力，使磁流变惯容器两端产生的力始终可以成比例的增加或减小，即实现了惯容系数的连续调节。如图7所示，在1hz、25mm的相对正弦位移激励下，磁流变惯容系实现了0-6000kg的惯容系数的连续调节。