雙彈簧式磁流變減振器的製作方法

2023-05-06 09:33:01 1

本發明屬于振動控制技術領域，可用於物體的隔振與減振，本發明涉及一種磁流變減振器。

背景技術：

磁流變液是一種流變特性隨磁場變化而變化的功能材料，其基本特徵是：在無外加磁場作用時，磁流變液呈現自由流動的牛頓流體狀態；在受到外加磁場作用下，磁流變液在毫秒級時間內可由流動狀態良好的液態轉變成類固態，其粘度在極短時間內增大多個數量級，呈現出粘塑性流體特性，並表現出一定的抗剪切屈服能力，且剪切屈服應力隨外加磁場強度的增大而增大。在撤去磁場後，磁流變液又由類固態轉變成液態，這種轉變連續、迅速、可逆、可控。

用磁流變減振器控制結構振動是近年來興起的振動控制技術研究熱點之一，它是一種阻尼可控器件，其內部的阻尼介質為磁流變液。傳統形式的減振器阻尼不可變或者阻尼可變範圍較小，而磁流變減振器的阻尼能夠進行大範圍可控變化，且結構和控制都較簡單，所以磁流變減振器以其安全可靠且結構簡單的特性，取代傳統形式的減振器是一個新的發展趨勢。

科學儀器和設備不斷朝著高精尖方向發展，無論是用於加工的設備還是用於檢測的儀器，它們對客觀環境的要求都越來越高，其中對微振動的控制的要求達到了前所未有的高度。因此，在對這類儀器和設備進行設計和使用時，對微振動控制技術提出了苛刻的要求。微振動通常意義上是指低水平或低幅值的機械振動或擾動，其振動頻率範圍在1Hz到1kHz之間，在飛行器等敏感設備中，微振動的主要振動頻率範圍為0.1Hz到300Hz。一般將高於30Hz的微振動看作是高頻幹擾，低於30Hz的微振動看作是低頻幹擾。

目前，發明使用的磁流變減振器分為單出杆磁流變減振器和雙出杆磁流變減振器，主要使用在汽車、輪船、建築物等大型設備和大振幅振動場合中，此類磁流變減振器的尺寸大，阻尼通道截面積大，輸出阻尼力大，不適用於小質量、小體積被減振對象以及微振動環境。雙出杆磁流變阻尼器的活塞杆從磁流變液缸體兩端伸出，結構簡單，無需使用補償氣囊，但是由於工作時活塞杆的運動佔用的軸向空間較大，在一定程度上減少了磁流變阻尼器工作行程。這類雙出杆磁流變阻尼器和彈性元件一起組成的雙出杆磁流變減振器在通過縮小尺寸以適應微振動環境時，由於微振動振動頻率低，振動振幅小，加上阻尼通道截面積小，磁流變減振器無法提供足夠的阻尼力達到對微振動進行控制的目的。而且，由於這類雙出杆磁流變減振器模型為阻尼元件和彈性元件並聯，不具有變剛度特性，固有頻率不可以進行改變，在進行微振動控制時，適用範圍受到振源頻率的限制。本發明使用雙彈簧結構，在磁流變阻尼器工作時，彈簧的形變可以提供線性變化的彈性力，而且兩個不同剛度的彈簧的配合可以實現變剛度，達到改變雙彈簧式磁流變減振器的固有頻率的目的，可以實現很好的減振效果，特別是適用於微振動的控制。

技術實現要素：

為了解決現有磁流變減振器在減振過程中減振效果差的問題及磁流變減振器在無磁場或恆定磁場強度情況下其輸出力不能改變等問題，本發明提供一種雙彈簧式磁流變減振器。

本發明的技術解決方案如下：

雙彈簧式磁流變減振器包括兩個剛度不同的彈簧、同軸套設在活塞杆12上的密閉的內缸體5和密閉的外缸體6，內缸體5和外缸體6內分別設有磁流變液；

所述兩個剛度不同的彈簧為小剛度彈簧2和大剛度彈簧8；

所述內缸體5內的活塞杆12上套設有內勵磁線圈15，形成內活塞；所述外缸體6內的內缸體5上套設有外勵磁線圈14，形成外活塞；所述內勵磁線圈15與所述內缸體5的內壁之間形成內環形節流通道，所述外勵磁線圈14與所述外缸體6的內壁之間形成外環形節流通道；所述內缸體5的軸向兩端位於所述外缸體6的軸向兩端外部；

所述外缸體6的外周連接著被減振物放置件10的軸向的連接端，所述被減振物放置件10的軸向另一端為工作平臺，所述工作平臺位於外缸體6的軸向一端；

所述活塞杆12的一端連接著活塞杆連接件1，所述活塞杆連接件1與對應的外缸體6的軸向一端面之間的活塞杆12上套設有小剛度彈簧2；所述外缸體6的軸向另一端面連接著大剛度彈簧8的一端，所述大剛度彈簧8套設在對應的內缸體5的軸向外伸端上，大剛度彈簧8的另一端連接著內缸體5的軸向外伸端的端面；

所述兩個不同剛度的彈簧根據被減振對象和振源特點，在有效減振範圍內，實現所述外缸體6相對所述內缸體5靜止或發生較小位移。

進一步限定的技術方案如下：

第一種減振方案：所述活塞杆連接件1為基礎連接件；位於被減振物放置件10內的內缸體5的軸向外伸端上連接著延伸筒11的一端，延伸筒11的另一端為圓形的擋板9；所述大剛度彈簧8套設在延伸筒11上，大剛度彈簧8的一端連接著外缸體6的軸向一端面的第二密封端蓋7，大剛度彈簧8的另一端連接著擋板9；所述小剛度彈簧2對應位於被減振物放置件10的安裝端一側；小剛度彈簧2的一端連接著活塞杆連接件1，另一端連接著外缸體6的軸向另一端面的第一密封端蓋4。

第二種減振方案：位於被減振物放置件10外的內缸體5的軸向外伸端上連接著延伸筒11的一端，延伸筒11的另一端為圓形的擋板9；所述大剛度彈簧8套設在延伸筒11上，大剛度彈簧8的一端連接著外缸體6的軸向一端面的第一密封端蓋4，大剛度彈簧8的另一端連接著擋板9；活塞杆12上的活塞杆連接件1和小剛度彈簧2對應位於被減振物放置件10內；小剛度彈簧2的一端連接著活塞杆連接件1，另一端連接著外缸體6的軸向另一端面的第二密封端蓋7。

所述被減振物放置件10為圓柱筒狀，其軸向的封閉端為工作平臺，軸向另一端的連接端固定連接著所述外缸體6的外圓周。

所述內環形節流通道和所述外環形節流通道的徑向寬度為0.5-5mm。

所述大剛度彈簧8的剛度大於小剛度彈簧2的剛度一倍以上。

所述內缸體5與外缸體6的軸向之間為滑動密封，所述活塞杆10與所述內缸體5的軸向之間為滑動密封。

所述內勵磁線圈15和外勵磁線圈14為單級線圈或多級線圈。

所述內勵磁線圈15通過環狀的內夾板13固定套設於活塞杆12上；所述外勵磁線圈14通過環狀的外夾板14固定套設於所述內缸體5的外圓周上。

所述內夾板13和外夾板14的材料均為軟磁材料。

本發明的有益技術效果體現在以下方面：

1、本發明整體呈圓柱形，加工經濟型良好；採用螺釘安裝連接，易於裝配和維護。

2、本發明由於採用雙出杆結構，不會形成欠壓或工作缸內壓力不穩定等問題。

3、本發明可以實現磁流變減振器的變剛度、變阻尼減振功能，通過調節電流大小即可改變磁流變液的流變特性，從而改變磁流變減振器的阻尼，可對輸出阻尼力大小進行無級連續控制，且輸出阻尼力變化範圍大，易於實現智能化控制。由於使用雙彈簧結構，在磁流變阻尼器工作時，彈簧的形變可以提供線性變化的彈性力，而且兩個不同剛度的彈簧的配合可以實現變剛度。設小剛度彈簧2的彈性係數為k1，大剛度彈簧8的彈性係數為k2，則變化前的等效剛度為k1，變化後的等效剛度可近似於兩彈簧串聯，等效剛度為k1*k2/(k1+k2)，系統剛度可以產生較大的的改變。當大剛度彈簧的剛度為2kN/m，小剛度彈簧的剛度彈簧的剛度為0.5kN/m時，相比較於單彈簧結構，系統剛度可以產生1.6kN/m的變化，在負載為5kg，振源的振幅範圍為±2mm內的情況下，採用掃頻的激振形式，勵磁線圈中通入一定大小電流，在激振頻率為20-50Hz時，本發明可以達到很好的減振效果，被減振物放置件上的負載的振幅為±0.2mm左右。因此，本發明能夠在較寬的頻域範圍內實現很好的減振效果，特別是適用於微振動的控制。

附圖說明

圖1為本發明立體示意圖。

圖2為本發明結構示意圖。

圖3為本發明立體結構剖視圖。

圖4為本發明立體結構剖視圖。

圖5為圖3和圖4中內缸體和外缸體裝配狀態示意圖。

圖6為本發明工作狀態示意圖。

圖7為本發明另一種工作狀態示意圖。

圖8為大剛度彈簧和小剛度彈簧改變位於的第二種結構示意圖。

圖9為圖8的工作狀態示意圖。

上圖中序號：1-活塞杆連接件、2-大剛度彈簧、4-第一密封端蓋，5-內缸體、6-外缸體、7-第二密封端蓋、8-小剛度彈簧、9-彈簧擋板、10-被減振物放置件，11-延伸筒、12-活塞杆、13-內夾板、14-外勵磁線圈、15-內勵磁線圈、16-外夾板。

具體實施例

下面結合附圖，通過實施例對本發明作進一步地描述。

實施例1

參見圖1和圖2，雙彈簧式磁流變減振器包括兩個剛度不同的彈簧、同軸套設在活塞杆12上的密閉的內缸體5和密閉的外缸體6，內缸體5和外缸體6內分別設有磁流變液。

兩個剛度不同的彈簧為小剛度彈簧2和大剛度彈簧8，大剛度彈簧8的剛度是小剛度彈簧2的一倍。

參見圖2，內缸體5內的活塞杆12上通過內夾板13安裝有內勵磁線圈15，形成內活塞；外缸體6內的內缸體5上通過外夾板14安裝有外勵磁線圈14，形成外活塞。內勵磁線圈15和外勵磁線圈14均為單級線圈，內夾板13和外夾板14的材料均為軟磁材料。內勵磁線圈15與內缸體5的內壁之間形成內環形節流通道，外勵磁線圈14與外缸體6的內壁之間形成外環形節流通道。內環形節流通道和外環形節流通道的徑向寬度為2mm。內缸體5的軸向兩端位於外缸體6的軸向兩端外部。參見圖5，內缸體5與外缸體6的軸向之間為滑動密封，活塞杆10與所述內缸體5的軸向之間為滑動密封。

外缸體6的外周連接著被減振物放置件10的軸向的連接端，被減振物放置件10為圓柱筒狀，其軸向另一端為工作平臺，工作平臺位於位於外缸體6的軸向一端。

參見圖3，外缸體6的外周連接著被減振物放置件10的安裝端，被減振物放置件10的工作端位於所述外缸體6的軸向一端。

參見圖3和圖4，活塞杆12的一端連接著活塞杆連接件1，活塞杆連接件1為基礎連接件；活塞杆連接件1與對應的外缸體6的軸向一端面之間的活塞杆12上套設有小剛度彈簧2；小剛度彈簧2的一端連接著活塞杆連接件1，另一端連接著外缸體6的軸向另一端面的第一密封端蓋4。位於被減振物放置件10內的內缸體5的軸向外伸端上連接著延伸筒11的一端，延伸筒11的另一端為圓形的擋板9；大剛度彈簧8套設在延伸筒11上，大剛度彈簧8的一端連接著外缸體6的軸向一端面的第二密封端蓋7，大剛度彈簧8的另一端連接著擋板9。

本實施例中，動密封使用U型圈，靜密封使用O型圈。

本實施例的工作原理說明如下：

參見圖6，活塞杆連接件1安裝在振源基礎上，被減振對象安裝在被減振物放置件10上。當內勵磁線圈15和外勵磁線圈14產生的磁場作用於磁流變液時，內環形節流通道和外環形節流通道內的磁流變液會發生磁流變效應。

設本實施例的雙彈簧式磁流變減振器受到的激振力為f，內缸體5兩端的內密封端蓋3與活塞杆12之間的滑動摩擦力為f內動，內環形節流通道中磁流變液的剪切應力為f內磁，外缸體6兩端的第一密封端蓋4和第二密封端蓋7與內筒5外壁之間的靜摩擦力為f外靜，滑動摩擦力為f外動，外環形節流通道中磁流變液的剪切應力為f外磁，小剛度彈簧2的彈性係數為k1，小剛度彈簧2的變形量為x1，大剛度彈簧8的彈性係數為k2，大剛度彈簧8的變形量為x2。

1）當振源振動較小時，f≥f內磁+f內動，活塞杆12相對內筒5運動，小剛度彈簧2的變形產生的力為：f1=k1*x1。當f1≤f外靜+f外磁時，只有小剛度彈簧2被壓縮，小剛度彈簧2不足以克服外工作缸的摩擦力和磁流變阻尼力推動外缸體6運動，此時系統的等效剛度為k1。當活塞杆連接件1隨著振源基礎一起振動時，會帶動內勵磁線圈15一起運動，此時內環形節流通道的運動需要克服磁流變液的剪切應力，消耗部分振動能量，使得內筒結構不發生振動或振動振幅很小。

2）當振源激勵較大時，小剛度彈簧2被壓縮，當f1≥f外靜+f外磁時，小剛度彈簧2克服外工作缸的摩擦力和磁流變阻尼力推動外缸體6運動，繼續壓縮大剛度彈簧8，此時系統的等效剛度為k1*k2/(k1+k2)。由於大剛度彈簧8的剛度大，其變形很小，所以外缸體6的運動位移也很小，同時外工作缸的摩擦力和磁流變液的剪切應力進一步消耗部分振動能量，雙彈簧式磁流變減振器起到減振目的。

本實施例的雙彈簧式磁流變減振器具有阻尼力可調、可實現被動控制和半主動控制等優點。在一定大小的振源振幅範圍內時，被減振對象的振動振幅為零或很小，可以實現很好的減振效果，特別適用於微振動的控制。使用磁流變液產生阻尼力，使得減振器的變阻尼能力強，阻尼大小可以根據需求來設計，適用範圍廣。本發明的雙彈簧式磁流變減振器整體為扁平結構，相對於現有的採用細長結構設計的減振器來說，具有更高的抗偏擺能力，可以使得減振器的一階彎曲模態頻率較高，有效地減少減振器的橫向振動對減振性能的影響，提高了減振平臺的減振效果。

本實施例的雙彈簧式磁流變減振器，可應用於相機雲臺、微加工平臺，也可應用於飛行器、太空飛行器等的微振動控制平臺的組建。

實施例2

參見圖7，本實施例是將實施例1的雙彈簧式磁流變減振器進行了180°調轉。

活塞杆連接件1安裝在振源基礎上，振源基礎位於上方，被減振對象被懸吊放置。本實施例的雙彈簧式磁流變減振器可應用於需採用懸吊方式進減振的減振平臺的組建。其工作原理類似於實施例1，其中小剛度彈簧2和大剛度彈簧8均為拉簧。本實施例也可以達到減振的目的。

實施例3

參見圖8，位於被減振物放置件10外的內缸體5的軸向外伸端上連接著延伸筒11的一端，延伸筒11的另一端為圓形的擋板9。大剛度彈簧8套裝在延伸筒11上，大剛度彈簧8的一端連接著外缸體6的軸向一端面的第一密封端蓋4，大剛度彈簧8的另一端連接著擋板9。活塞杆12上的活塞杆連接件1和小剛度彈簧2對應位於被減振物放置件10內；小剛度彈簧2的一端連接著活塞杆連接件1，另一端連接著外缸體6的軸向另一端面的第二密封端蓋7。小剛度彈簧2和大剛度彈簧8為拉壓彈簧。

其它結構同實施例1。

參見圖9，擋板9安裝在振源基礎上，被減振對象安裝在被減振物放置件10上。本實施例工作原理如下：工作時，振源的激振力會直接通過大剛度彈簧8作用於外缸體6，但是由於外工作缸的摩擦力和磁流變液的剪切應力消耗部分振動能量，外缸體6的振幅減小；同時，外缸體6受小剛度彈簧2的作用，小剛度彈簧2通過活塞杆連接件1會帶動活塞杆12運動，由於內缸體5的摩擦力和磁流變液的剪切應力進一步消耗部分振動能量，所以外缸體6的振幅進一步減小。本實施例也可以達到減振的目的。

此處公開的僅為本發明的優選實施例，本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，並不是對本發明的限定。任何本領域技術人員在說明書範圍內所做的修改和變化，均應落在本發明所保護的範圍內。