一种具有低零场阻尼力与宽阻尼可调范围的磁流变阻尼器

1.本发明属于减振系统技术领域，具体涉及一种磁流变阻尼器。


背景技术：

2.磁流变液是一种新型智能材料，当环境中不存在磁场时，其为牛顿流体状态。而当对其施加磁场后，磁流变液能够在毫秒量级内从牛顿流体状态转变为半固体状态，并且这种变化是可逆的。磁流变阻尼器就是基于这种磁流变效应设计的半主动作动器，能够通过控制励磁电流的大小实现对输出阻尼力的调节。相较于传统的液压阻尼器，磁流变阻尼器具有阻尼连续可调、失效安全性高、响应迅速等突出优点，因而近年来成为研究热点，并且广泛应用于车辆悬架、土木建筑以及航空航天等领域。
3.阻尼力可调范围是评价磁流变阻尼器性能的关键指标。现有的磁流变阻尼器结构大都通过增加励磁线圈数量、增加磁场有效区域、增加节流通道长度等途径，增大磁流变阻尼器的最大输出阻尼力，进而实现拓宽阻尼力可调范围的目的。但是根据线性隔振理论可知，在高频隔振区，降低系统的阻尼系数才有利于提高系统的隔振性能，因此有必要提出一种零场阻尼力较小，且具有较宽阻尼可调范围的磁流变阻尼器。
4.磁流变阻尼器的阻尼力输出包含三部分，分别为粘滞阻尼力、库仑阻尼力、摩擦力。其中粘滞阻尼力是由于磁流变液粘性带来的阻尼力，属于不可控阻尼力，为了降低磁流变阻尼器的零场阻尼力，需要减小这部分阻尼力。而库仑阻尼力是由于磁流变效应产生的阻尼力，属于可控阻尼力，为了提高阻尼力可调范围，需要增大这部分阻尼力。摩擦力主要是指磁流变阻尼器内部密封件之间的摩擦，这部分属于不可控阻尼力，为减小摩擦带来的阻尼力，在结构设计中需要尽量减少滑动密封件的使用。
5.现有的磁流变阻尼器大都采用单一的环形节流通道结构，根据流体力学理论可知，为了降低粘滞阻尼力，需要增大节流通道间隙。但是在励磁线圈匝数一定的前提下，节流通道间隙的增大会使得节流通道内部的磁感应强度减小，进而减低库仑阻尼力，使得磁流变阻尼器的阻尼力可调范围减小。因此传统的单通道磁流变阻尼器难以同时实现低零场阻尼与宽阻尼可调范围这两个设计目标。
6.查阅文献发现，现有的双通道磁流变阻尼器结构大都采用单一线圈结构，两节流通道内的磁场强度同时受控于同一匝励磁线圈，线圈产生的磁感线需要同时垂直穿过两个节流通道间隙，使得磁回路中的磁阻大大增加。为了保证节流通道内的磁感应强度达到要求，就需要增加励磁线圈的匝数，这就导致现有的双通道磁流变阻尼器径向尺寸大大增加，活塞面积增大，进而增大了磁流变阻尼器的零场阻尼力。
7.综上，为了提高磁流变阻尼器的隔振性能，有必要对现有的磁流变阻尼器结构进行改进，设计一种具有低零场阻尼力与宽阻尼可调范围的磁流变阻尼器。这有利于提高磁流变阻尼器在高频激励下的隔振性能，拓宽磁流变阻尼器的应用场景。


技术实现要素：

8.本发明为了解决背景技术中提到的问题，进而提供一种具有低零场阻尼力与宽阻尼可调范围的磁流变阻尼器。
9.本发明所采取的技术方案是：一种具有低零场阻尼力与宽阻尼可调范围的磁流变阻尼器，包括缸体、同轴安装在缸体内的活塞、可拆卸安装在缸体两端并用于支撑活塞往复运动的两个缸体端盖以及设置在活塞外壁中部的线圈；所述活塞中间设有凸起部，所述线圈安装在凸起部上，凸起部将缸体的腔室分隔为腔室ⅰ和腔室ⅱ，且腔室ⅰ和腔室ⅱ之间通过凸起部与缸体内壁之间的间隙连通。
10.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1.与现有的磁流变阻尼器相比，本发明所提出磁流变阻尼器能够提供更小的零场阻尼力。在励磁线圈不通电的工况下，磁流变液能够在内外两个环形节流通道中自由流动，相较于传统的单通道磁流变阻尼器，节流通道的截面积大大增加，能够降低阻尼器的最小阻尼力输出值，提升高频激励工况下的隔振效果。
11.2.本发明所提出的磁流变阻尼器在两个节流通道内侧均设有导磁环与隔磁环，导磁环与隔磁环的设计能够大大增加通电工况下磁场的有效覆盖面积，进而增大磁流变阻尼器的最大输出阻尼力，有利于提升磁流变阻尼器在低频共振区的抑振效果。
12.3.本发明所提出的磁流变阻尼器具有冲击过载保护功能。当内侧励磁线圈中的电流大于外侧励磁线圈中的电流时，内侧节流通道中的磁流变液剪切屈服应力更大。这种工况下当活塞移动速度较低时，外侧节流通道打开，内侧节流通道关闭，当磁流变阻尼器受到冲击型激励时，活塞移动速度迅速增加，此时外侧节流通道内的液体流速急剧增大，导致外侧节流通道产生的粘滞压力损失大于内侧节流通道产生的库伦压力损失，此时外侧节流通道与内侧节流通道同时打开，使得通道内液体流速显著降低，能够抑制阻尼力的急剧增大，进而减小冲击型激励传递至被隔振物体上的力，实现冲击过载保护功能。
附图说明
13.图1是本发明结构示意图；图2是本发明活塞端盖结构示意图；图3是本发明缸体端盖结构示意图；图4是本发明圆环磁极结构示意图；图5是图4的a-a剖切图；图6是本发明内侧励磁线圈通电时的磁感线分布图；图7是本发明外侧励磁线圈通电时的磁感线分布图；图8是本发明内、外侧励磁线圈同时通电时的磁感线分布图；其中：1、活塞杆密封圈；2、缸体端盖；3、螺栓；4、引线孔；5、活塞端盖；6、圆环磁极；7、外侧导磁环ⅰ；8、外侧隔磁环；9、外侧导磁环ⅱ；10、外侧励磁线圈；11、内侧励磁线圈；12、螺钉；13、缸体端盖密封圈；14、腔室ⅱ；15、内侧导磁环ⅰ；16、内侧隔磁环ⅰ；17、内侧导磁环ⅱ；18、缸体；19、腔室ⅰ；20、注液孔；21、活塞杆；22、圆环型凹槽；23、弧形通孔；24、螺钉孔；25、缸体端盖导线槽；26、螺栓孔；27、圆环型凸台。
具体实施方式
14.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的做进一步详细的描述。
15.参照图1所示，本发明的一种具有低零场阻尼力与宽阻尼可调范围的磁流变阻尼器，包括缸体18、同轴安装在缸体18内的活塞杆21、可拆卸安装在缸体18两端并用于支撑活塞杆21往复运动的两个缸体端盖2以及设置在活塞杆21外壁中部的线圈；活塞杆21中间设有凸起部，线圈安装在凸起部上，凸起部将缸体18的腔室分隔为腔室ⅰ19和腔室ⅱ14，且腔室ⅰ19和腔室ⅱ14之间通过凸起部与缸体18内壁之间的间隙连通。
16.磁流变液在腔室ⅰ19和腔室ⅱ14内。
17.其中：线圈由内侧励磁线圈11和外侧励磁线圈10组成；内侧励磁线圈11缠绕于活塞杆21凸台部设有的绕线槽中，内侧励磁线圈11的引线通过活塞杆21上设有的引线孔4引出；外侧励磁线圈10缠绕于圆环磁极6上设有的绕线槽中，外侧励磁线圈10的引线通过圆环磁极6的导线槽、缸体端盖导线槽25和引线孔4引出。
18.圆环磁极6套装在内侧励磁线圈11外侧，使圆环磁极6和内侧励磁线圈11之间设置间隙构成内侧节流通道，外侧励磁线圈10和缸体18内壁之间的间隙构成外侧节流通道，腔室ⅰ19和腔室ⅱ14内的磁流变液能够在内外两个节流通道中自由流动，相较于传统的单通道磁流变阻尼器，节流通道的截面积大大增加，能够降低阻尼器的最小阻尼力输出值，提升高频激励工况下的隔振效果。
19.且圆环磁极6由设置在活塞杆21凸台部两端的活塞端盖5夹紧固定。
20.此外，磁流变阻尼器还包括内侧导磁环ⅰ15、内侧导磁环ⅱ17、内侧隔磁环16、外侧导磁环ⅰ7、外侧导磁环ⅱ9及外侧隔磁环8；内侧导磁环ⅰ15与内侧导磁环ⅱ17均套装在活塞杆21凸起部的外表面，通过两个活塞端盖5实现夹紧固定在活塞杆21上，内侧隔磁环16设置在内侧导磁环ⅰ15与内侧导磁环ⅱ17之间，且套装于内侧励磁线圈11的外表面；外侧导磁环ⅰ7与外侧导磁环ⅱ9均套装于圆环磁极6的外表面，通过两个活塞端盖5实现夹紧固定在活塞杆21上；外侧隔磁环8设置在外侧导磁环ⅰ7与外侧导磁环ⅱ9之间，且套装于外侧励磁线圈10外表面；内侧导磁环ⅰ15的外壁、内侧隔磁环16的外壁、内侧导磁环ⅱ17的外壁与圆环磁极6的内壁形成内侧节流通道；外侧导磁环ⅰ7、外侧隔磁环8、外侧导磁环ⅱ9的外壁与缸体18的内壁形成外侧节流通道。
21.导磁环与隔磁环的设计能够大大增加通电工况下磁场的有效覆盖面积，进而增大磁流变阻尼器的最大输出阻尼力，有利于提升磁流变阻尼器在低频共振区的抑振效果。
22.具体为：如图3所示，两个活塞杆21和缸体端盖2之间均通过活塞杆密封圈1密封。
23.两个缸体端盖2的端面上设计有六个周向均匀分布的螺栓孔26，用于安装螺栓3，两个缸体端盖2与缸体18均通过螺栓3连接，并且在缸体端盖2上和缸体18相接处的端面设计有缸体端盖密封圈13，防止缸体18内部磁流变液溢出，
在两个缸体端盖2中位于上方的缸体端盖2端面上设计有一处注液孔20，磁流变阻尼器装配完成后，磁流变液从注液孔20中注入。
24.如图2所示，两个活塞端盖5分别套装在活塞杆21的凸起部上下两侧，并且通过螺钉12固定在活塞杆21上，两个活塞端盖5的端面上均布设置多个弧形通孔23，优选为四个，与内侧节流通道连通用于磁流变液的导通，两个活塞端盖5的端面上均布设置多个螺钉孔24，用于安装螺钉12。
25.两个活塞端盖5的端面上设置一个圆环型凹槽22，与圆环磁极6的外壁上设有圆环型凸台27配合，用于圆环磁极6的定位与夹紧。
26.位于上方的活塞端盖5的端面上设置一个径向的缸体端盖导线槽25，用于外侧励磁线圈10导线的引出。
27.如图4、图5所示，圆环磁极6在外圆周面上设计有绕线槽，用于外侧励磁线圈10导线的引出；在圆环磁极6的两端处设计有圆环型凸台27，该圆环型凸台27与两个活塞端盖5上的圆环型凹槽22配合，用于圆环磁极6的定位。
28.缸体端盖2、活塞端盖5、内侧隔磁环16、外侧隔磁环8均采用不导磁材料制成；其余零件均由导磁材料制成。
29.本发明的工作原理如下：内侧励磁线圈11与外侧励磁线圈10均不通电时，内侧节流通道与外侧节流通道内均没有磁场，当活塞杆21移动时，会使得腔室ⅰ19与腔室ⅱ14中的磁流变液通过内侧节流通道与外侧节流通道流动，由于液体存在粘性，会使得活塞杆21的两端面产生压力差，进而产生阻尼力。
30.内侧励磁线圈11通电、外侧励磁线圈10不通电时，磁流变阻尼器内部的磁感线分布如图6所示。此时在内侧节流通道产生垂直穿过通道的磁场，而外侧节流通道内部不存在磁场，内侧节流通道内的磁流变液受磁场作用剪切屈服应力显著增大。当活塞杆21低速移动时，磁流变液仅通过外侧节流通道内流动，此时增加内侧励磁线圈11的励磁电流对阻尼力输出值没有影响；当活塞杆21受到冲击型激励时，活塞杆21移动速度增大导致磁流变液流速增加，进而导致外侧节流通道产生的粘滞压降显著增大，当外侧节流通道产生的粘滞压降大于内侧节流通道的库伦压降时，内侧节流通道内的磁流变液开始流动，此时通道内磁流变液流速相较于仅有外侧节流通道流动时大大降低，可以抑制阻尼力的陡增，减小冲击型激励工况下的力传递率。
31.内侧励磁线圈11不通电、外侧励磁线圈10通电时，磁流变阻尼器内部的磁感线分布如图7所示。此时在外侧节流通道产生垂直穿过通道的磁场，而内侧节流通道内部不存在磁场，外侧节流通道内的磁流变液受磁场作用剪切屈服应力显著增大。此时磁流变液在低速工况下仅在内侧节流通道内流动，当活塞杆21移动速度增大时，内侧节流通道与外侧节流通道内的磁流变液同时流动，能够抑制冲击型激励工况下阻尼力的陡增，减小冲击型激励工况下的力传递率。
32.内侧励磁线圈11与外侧励磁线圈10同时通电时，磁流变阻尼器内部的磁感线分布
如图8所示。此时内侧节流通道与外侧节流通道内均产生垂直穿过通道的磁场，此时磁流变阻尼器输出的阻尼力最大。
33.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。