本发明公开了一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，输入轴的前端固定有铁芯输入盘，输出轴的前端设有沿轴向滑动的衔铁输出盘，或者输入轴前端设有沿轴向滑动的衔铁输入盘，输出轴前端固定铁芯输出盘，铁芯输入盘与衔铁输出盘之间形成容腔，所述容腔内充入磁流变液，所述容腔的外周设有将磁流变液密封在容腔内的密封环，所述工作腔内还设有驱动衔铁输出盘向铁芯输入盘轴向移动的线圈，所述铁芯输入盘和衔铁输出盘之间还设有调节容腔体积大小的调节装置。本发明的优点是：在离合器工作状态时，利用线圈产生的磁场对衔铁输出盘的吸引，减小了容腔的体积，同时对磁流变液产生挤压和剪切力，可以传递更大的转矩，且体积小，性能可靠，结构紧凑，效果良好。
1.一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，包括壳体(1)，所述壳体(1)内设有工作腔(2)，所述壳体(1)上还设有伸入工作腔(2)的输入轴(3)、输出轴(4)，其特征在于：所述工作腔(2)内输入轴(3)的前端固定有铁芯输入盘(5)，所述工作腔(2)内输出轴(4)的前端设有沿轴向滑动的衔铁输出盘(6)，所述铁芯输入盘(5)与衔铁输出盘(6)之间形成容腔，所述容腔内充入磁流变液(7)，所述容腔的外周设有将磁流变液(7)密封在容腔内的密封环(8)，所述工作腔(2)内还设有驱动衔铁输出盘(6)向铁芯输入盘轴向移动的线圈(9)，所述铁芯输入盘(5)和衔铁输出盘(6)之间还设有调节容腔体积大小的调节装置。
2.如权利要求1所述的一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，其特征在于：所述调节装置包括设置在输出轴(4)或者输入轴(3)上与容腔相通的调节腔(10)，所述调节腔(10)内设有挡片(11)，所述挡片(11)与调节腔(10)底部之间设有压簧(12)。
3.如权利要求1所述的一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，其特征在于：所述衔铁输出盘(6)与工作腔(2)侧壁之间设有使衔铁输出盘(6)复位的拉簧(13)。
4.如权利要求1所述的一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，其特征在于：所述线圈(9)设置在铁芯输入盘(5)后方的工作腔(2)内。
5.如权利要求1所述的一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，其特征在于：所述衔铁输出盘(6)中心设有花键孔I(14)，所述工作腔(2)内输出轴(4)的前端设有与花键孔I(14)相适配的键槽。
6.如权利要求1至5中任一项所述的一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，其特征在于：所述衔铁输出盘(6)与铁芯输入盘(5)相对的面上开有至少两圈同心的梯形齿I(15)，所述梯形齿I(15)与衔铁输出盘(6)同心，所述梯形齿I(15)上开有供磁流变液(7)流动的溢流槽(16)，所述铁芯输入盘(5)与衔铁输出盘(6)相对的面上开有与梯形齿I(15)相适配的梯形齿II(17)，所述梯形齿II(17)上也开有供磁流变液(7)流动的溢流槽(16)。
7.一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，包括壳体(1)，所述壳体(1)内设有工作腔(2)，所述壳体(1)上还设有伸入工作腔(2)的输入轴(3)、输出轴(4)，其特征在于：所述工作腔(2)内输出轴(4)的前端固定有铁芯输出盘(18)，所述工作腔(2)内输入轴(3)的前端设有沿轴向滑动的衔铁输入盘(19)，所述铁芯输出盘(18)与衔铁输入盘(19)之间形成容腔，所述容腔内充入磁流变液，所述容腔的外周设有将磁流变液(7)密封在容腔内的密封环(8)，所述工作腔(2)内还设有驱动衔铁输入盘(19)向铁芯输出盘(18)轴向移动的线圈(9)，所述铁芯输出盘(18)与衔铁输入盘(19)之间还设有调节容腔体积大小的调节装置。
8.如权利要求7所述的一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，其特征在于：所述调节装置包括设置在输出轴(4)或者输入轴(3)上与容腔相通的调节腔(10)，所述调节腔(10)内设有挡片(11)，所述挡片(11)与调节腔(10)底部之间设有压簧(12)。
9.如权利要求7所述的一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，其特征在于：所述衔铁输入盘(19)与工作腔(2)侧壁之间设有使衔铁输入盘(19)复位的拉簧(13)。
10.如权利要求7至9中任一项所述的一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，其特征在于：所述衔铁输入盘(19)中心设有花键孔II(20)，所述工作腔(2)内输入轴(3)的前端设有与花键孔II(20)相适配的键槽，所述衔铁输入盘(19)与铁芯输出盘(18)相对的面上开有至少两圈同心的梯形齿III(21)，所述梯形齿III(21)与衔铁输入盘(19)同心，所述梯形齿III(21)上开有供磁流变液(7)流动的溢流槽(16)，所述铁芯输出盘(18)与衔铁输入盘(19)相对的面上开有与梯形齿III(21)相适配的梯形齿IV(22)，所述梯形齿IV(22)上也开有供磁流变液(7)流动的溢流槽(16)。
一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器。
背景技术
[0002] 磁流变液以其响应快(毫秒级)、能耗低、易于控制、耐用性好、工作温度范围宽、使用寿命长等优势而被广泛用于航空航天/机械加工/精密工程/建筑/医疗等领域。 [0003] 磁流变离合器是通过对外加磁场强度的控制实现离合器结合、分离功能，甚至可以实现扭矩传递的无级变化控制。它克服了传统离合器易磨损，噪音大等缺点，以其结构简单、无机械磨损、低噪音、响应迅速(10毫秒内)、能耗不高、可实现无级调速以及更利于与计算机技术结合实现智能化控制等优点引起了国内外学者和工业界的广泛研究，近年来取得了显著进展。但磁流变液剪切屈服应力不足问题从磁流变技术诞辰时起就一直困扰着磁流变液材料和技术的发展，依据现有的磁流变液剪切屈服应力设计的磁流变离合器，因其传递转矩较小而体积庞大，无法满足工业需求。
[0004] 在以美国为首的磁流变液应用早、研究深入的国家，已有众多学者就提高磁流变离合器的传递转矩问题进行了针对性的研究。Gary等人研制了一种被动式磁流变离合器，采用热敏材料受热膨胀产生应力使控制系统推动法兰盘轴向 移动，减少磁流变液存在空间，提高其屈服强度，从而提高磁流变离合器传递的转矩。Lampe等人研制了圆盘式磁流变离合器，实验测得最大传递转矩为10N·m。Lee从理论上分析了磁流变离合器的转矩传递特性并进行实验验证，其理论结果与实验结果极为吻合，因而其分析方法可用于磁流变离合器的精确设计。Kavlicoglu等人研制了一种双盘磁流变离合器，可以实现以小的结构半径尺寸传递较大转矩。Vijay等人将吸满磁流变液的海绵状材料置于磁极之间设计了一种磁流变海绵离合器，改善了由离心力引起的密封问题。随后，Kavlieoglu等人又设计了一种多盘式磁流变离合器，通过增大磁流变液的工作面积来提高离合器的传递转矩。日本学者Kikuchi等人研制了一种微型磁流变离合器，并将其应用于大脑性麻痹病人人造膝关节的传动，在总体重量为237克时其传递转矩可达6N·m。韩国学者Kim研制了一种鼓式磁流变风扇离合器，通过改变圆盘形状和加大磁场的方法来提高磁流变离合器的传递转矩，并将其用在自动工程冷却系统中。
[0005] 近十年来，国内也相继开展了磁流变液离合器的研究工作。中国科技大学的徐国梁等人研制了一种径向自加压磁流变离合器，在不需要其它辅助装置的情况下能实现两轴的离合，实验转矩可达到7N·m；张先舟等人申报了离心式磁流变液离合器的发明专利，通过离心力的加压作用提高其工作转矩。浙江工业大学的蒋建东设计了一种圆筒式磁流变离合器，利用增大磁流变液的作用面积提高其传递转矩。重庆工学院的黄金等人和南京林业大学的徐晓美等人建立了圆筒式磁流变离合器转矩传递模型。
[0006] 上述国内外研究中的磁流变离合器可以分为筒式和盘式两种结构，其转矩的传递都是依靠磁流变液的剪切模式进行工作的。因磁流变液的抗剪切能力较低(仅为50kPa-100kPa)，据此设计的磁流变离合器无法用于传递转矩较大及使用空间受限的场合，如汽车/运输机械/机床/冶金采矿等设备的机械传动系统和各种机械的精密性张力控制系统。因此，转矩高、体积小、结构紧凑、控制效果好的磁流变离合器依然是很多领域所急需的。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，能够有效解决现有磁流变液离合器只能采用剪切模式工作，传输转矩低的问题。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，包括壳体，所述壳体内设有工作腔，所述壳体上还设有伸入工作腔的输入轴、输出轴，所述工作腔内输入轴的前端固定有铁芯输入盘，所述工作腔内输出轴的前端设有沿轴向滑动的衔铁输出盘，所述铁芯输入盘与衔铁输出盘之间形成容腔，所述容腔内充入磁流变液，所述容腔的外周设有将磁流变液密封在容腔内的密封环，所述工作腔内还设有驱动衔铁输出盘向铁芯输入盘轴向移动的线圈，所述铁芯输入盘和衔铁输出盘之间还设有调节容腔体积大小的调节装置。
[0009] 优选的，所述调节装置包括设置在输出轴或者输入轴上与容腔相通的调节腔，所述调节腔内设有挡片，所述挡片与调节腔底部之间设有压簧；通过调节 腔容纳在离合器工作时因容腔体积变小而多出来的磁流变液，同时在离合器切换到非工作状态时，能将这部分磁流变液推回容腔内。
[0010] 优选的，所述衔铁输出盘与工作腔侧壁之间设有使衔铁输出盘复位的拉簧；在离合器从工作状态切换到非工作状态时，能使衔铁输出盘较好的回位。
[0011] 优选的，所述线圈设置在铁芯输入盘后方的工作腔内；利用线圈通电产生磁场，更好的对衔铁输出盘产生拉的作用力。
[0012] 优选的，所述衔铁输出盘中心设有花键孔I，所述工作腔内输出轴的前端设有与花键孔I相适配的键槽；保证衔铁输出盘在工作与非工作切换时稳定的工作。 [0013] 优选的，所述衔铁输出盘与铁芯输入盘相对的面上开有至少两圈同心的梯形齿I，所述梯形齿I与衔铁输出盘同心，所述梯形齿I上开有供磁流变液流动的溢流槽，所述铁芯输入盘与衔铁输出盘相对的面上开有与梯形齿I相适配的梯形齿II，所述梯形齿II上也开有供磁流变液流动的溢流槽；使得容腔内产生多个锥形的空间，对工作时的磁流变液产生锥形挤压，由于锥形挤压磁流变离合器是对固相磁流变液进行挤压，它克服了现有的片式磁流变液离合器中磁流变液颗粒因离心力作用甩向圆盘的外径边缘处，致使磁流变离合器易泄漏弊端，可实现频繁连续的离合动作。
[0014] 一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，包括壳体，所述壳体内设有工作腔，所述壳体上还设有伸入工作腔的输入轴、输出轴，所述工作腔内输出轴的前端固定有铁芯输出盘，所述工作腔内输入轴的前端设有沿轴向滑动的衔铁输入盘， 所述铁芯输出盘与衔铁输入盘之间形成容腔，所述容腔内充入磁流变液，所述容腔的外周设有将磁流变液密封在容腔内的密封环，所述工作腔内还设有驱动衔铁输入盘向铁芯输出盘轴向移动的线圈，所述铁芯输出盘与衔铁输入盘之间还设有调节容腔体积大小的调节装置。
[0015] 优选的，所述调节装置包括设置在输出轴或者输入轴上与容腔相通的调节腔，所述调节腔内设有挡片，所述挡片与调节腔底部之间设有压簧；通过调节腔容纳在离合器工作时因容腔体积变小而多出来的磁流变液，同时在离合器切换到非工作状态时，能将这部分磁流变液推回容腔内。
[0016] 优选的，所述衔铁输入盘与工作腔侧壁之间设有使衔铁输入盘复位的拉簧；在离合器从工作状态切换到非工作状态时，能使衔铁输出盘较好的回位。
[0017] 优选的，所述衔铁输入盘中心设有花键孔II，所述工作腔内输入轴的前端设有与花键孔II相适配的键槽，所述衔铁输入盘与铁芯输出盘相对的面上开有至少两圈同心的梯形齿III，所述梯形齿III与衔铁输入盘同心，所述梯形齿III上开有供磁流变液流动的溢流槽，所述铁芯输出盘与衔铁输入盘相对的面上开有与梯形齿III相适配的梯形齿IV，所述梯形齿IV上也开有供磁流变液流动的溢流槽；使得容腔内产生多个锥形的空间，对工作时的磁流变液产生锥形挤压，由于锥形挤压磁流变离合器是对固相磁流变液进行挤压，它克服了现有的片式磁流变液离合器中磁流变液颗粒因离心力作用甩向圆盘的外径边缘处，致使磁流变离合器易泄漏弊端，可实现频繁连续的离合动作。
[0018] 与现有技术相比，本发明的优点是：在离合器工作状态时，利用线圈产生 的磁场对衔铁输出盘的吸引，减小了容腔的体积，同时对磁流变液产生挤压和剪切力，可以传递更大的转矩，且体积小，性能可靠，结构紧凑，效果良好。
附图说明
[0019] 图1为本发明一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器非工作状态时的结构示意图； [0020] 图2为图1中A处局部放大图；
[0021] 图3为本发明一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器工作状态时的结构示意图； [0022] 图4为本发明一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器中衔铁输出盘的轴测图； [0023] 图5为本发明一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器另一种结构的示意图； [0024] 图6为图5中B处局部放大图；
[0025] 图7为本发明一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器另一种结构中衔铁输入盘的轴测图。
具体实施方式
[0026] 参阅图1、图2、图3为本发明一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器的实施例，一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，包括壳体1，所述壳体1内设有工作腔2，所述壳体1上还设有伸入工作腔2的输入轴3、输出轴4，所述工作腔2内输入轴3的前端固定有铁芯输入盘5，所述工作腔2内输出轴4的前端设有沿轴向滑 动的衔铁输出盘6，所述铁芯输入盘5与衔铁输出盘6之间形成容腔，所述容腔内充入磁流变液7，所述容腔的外周设有将磁流变液
7密封在容腔内的密封环8，所述工作腔2内还设有驱动衔铁输出盘6向铁芯输入盘轴向移动的线圈9，所述铁芯输入盘5和衔铁输出盘6之间还设有调节容腔体积大小的调节装置，所述调节装置包括设置在输出轴4或者输入轴3上与容腔相通的调节腔10，所述调节腔10内设有挡片11，所述挡片11与调节腔10底部之间设有压簧12，所述衔铁输出盘6与工作腔2侧壁之间设有使衔铁输出盘6复位的拉簧13，所述线圈9设置在铁芯输入盘5后方的工作腔2内，如图4所示，所述衔铁输出盘6中心设有花键孔I14，所述工作腔2内输出轴4的前端设有与花键孔I14相适配的键槽，所述衔铁输出盘6与铁芯输入盘5相对的面上开有至少两圈同心的梯形齿I15，所述梯形齿I15与衔铁输出盘6同心，所述梯形齿I15上开有供磁流变液7流动的溢流槽16，所述铁芯输入盘5与衔铁输出盘6相对的面上开有与梯形齿I15相适配的梯形齿II17，所述梯形齿II17上也开有供磁流变液7流动的溢流槽16。 [0027] 离合器处于非工作状态时，输入轴3带动铁芯输入盘5转动，此时线圈9未通电，所以磁流变液7处于液体状态，衔铁输出盘6和输出轴4不转动；离合器处于工作状态时，给线圈9通电，磁流变液7收线圈9产生的磁场转变为固态，同时衔铁输出盘6收磁场作用向铁芯输入盘5靠近，这样就缩小了容腔的体积，此时对磁流变液7不仅有剪切还有挤压力，使得磁流变液7传递的扭矩大大提高，由于容腔体积变小，多余的磁流变液7将进入调节腔10并且推动 挡片11压缩压簧12；在离合器从工作状态切换到非工作状态时，线圈9失电，磁流变液7变回液体形态，同时衔铁输出盘6由于拉簧13的作用恢复到最初的状态，调节腔10内的压簧12也将挡片11向外顶，把磁流变液7推回到容腔内。
[0028] 参阅图5、图6，一种锥形挤压-剪切式磁流变离合器，包括壳体1，所述壳体1内设有工作腔2，所述壳体1上还设有伸入工作腔2的输入轴3、输出轴4，所述工作腔2内输出轴4的前端固定有铁芯输出盘18，所述工作腔2内输入轴3的前端设有沿轴向滑动的衔铁输入盘19，所述铁芯输出盘18与衔铁输入盘19之间形成容腔，所述容腔内充入磁流变液，所述容腔的外周设有将磁流变液7密封在容腔内的密封环8，所述工作腔2内还设有驱动衔铁输入盘19向铁芯输出盘18轴向移动的线圈9，所述铁芯输出盘18与衔铁输入盘19之间还设有调节容腔体积大小的调节装置，所述调节装置包括设置在输出轴4或者输入轴3上与容腔相通的调节腔10，所述调节腔10内设有挡片11，所述挡片11与调节腔10底部之间设有压簧12，所述衔铁输入盘19与工作腔2侧壁之间设有使衔铁输入盘19复位的拉簧13，参阅图7，所述衔铁输入盘19中心设有花键孔II20，所述工作腔2内输入轴3的前端设有与花键孔II20相适配的键槽，所述衔铁输入盘19与铁芯输出盘18相对的面上开有至少两圈同心的梯形齿III21，所述梯形齿III21与衔铁输入盘19同心，所述梯形齿III21上开有供磁流变液7流动的溢流槽16，所述铁芯输出盘18与衔铁输入盘19相对的面上开有与梯形齿III21相适配的梯形齿IV22，所述梯形齿IV22上也开有供磁流变液7流动的溢流槽16，所述线圈9设置在铁芯输出盘18后方的工作腔2内。
[0029] 离合器处于非工作状态时，输入轴3带动衔铁输入盘19转动，此时线圈9未通电，所以磁流变液7处于液体状态，铁芯输出盘18和输出轴4不转动；离合器处于工作状态时，给线圈9通电，磁流变液7收线圈9产生的磁场转变为固态，同时衔铁输入盘19收磁场作用向铁芯输出盘18靠近，这样就缩小了容腔的体积，此时对磁流变液7不仅有剪切还有挤压力，使得磁流变液7传递的扭矩大大提高，由于容腔体积变小，多余的磁流变液7将进入调节腔10并且推动挡片11压缩压簧12；在离合器从工作状态切换到非工作状态时，线圈9失电，磁流变液7变回液体形态，同时衔铁输入盘19由于拉簧13的作用恢复到最初的状态，调节腔10内的压簧12也将挡片11向外顶，把磁流变液7推回到容腔内。 [0030] 挤压模式与剪切模式都是磁流变器件不同的工作模式，单纯的依靠剪切模式很难提高磁流变液的剪切屈服应力。研究发现，磁场作用下磁流变液中磁性颗粒可形成通链、支链、孤立链、束链或柱等微结构，但其弱点在于链的末端最容易断裂。挤压可使磁流变液链的末端与极板的作用力大大增强，形成稳健的粗柱状结构，从而提高其屈服应力。当磁流变液被挤压后颗粒之间距离较小时，必须考虑到摩擦效应。在3.8MPa的挤压应力和500mT的磁感应强度下，磁流变液的剪切屈服应力可达到1510kPa，比单纯剪切模式时提高30倍，即磁流变液挤压强化技术。本发明的离合器在工作时对磁流变液同时进行挤压和剪切，由离合器主动件和从动件之间构成锥形空间，在磁场作用下实现离合器接合时，利用离合器旋转的主动轴与加压机构共同作用对主动件和从动件锥形空 间中的固相磁流变液进行挤压-剪切，离合器的主动件和从动件被锥状的固相磁流变液挤紧而接合，由此提高磁流变液的强度。
[0031] 与现有的磁流变液离合器相比，由于锥形挤压磁流变离合器不单纯的是在剪切模式下工作，不完全依赖于磁流变液剪切屈服应力，可以传递更大转矩，且体积小；由于锥形挤压磁流变离合器是对固相磁流变液进行挤压，它克服了现有的片式磁流变液离合器中磁流变液颗粒因离心力作用甩向圆盘(片)的外径边缘处，致使磁流变离合器易泄漏弊端，可实现频繁连续的离合动作。因此，锥形挤压-剪切磁流变离合器更适于重载车辆、智能结构及行走机械等需要经常启动、制动或经常改变速度大小和方向的机械微小系统，而且还可以使汽车制动防抱死装置(ABS)和牵引力控制系统(TCS)结构简化，控制也更加方便、快捷。锥形挤压-剪切磁流变离合器是通过改变离合器自身结构，使磁流变液在挤压-剪切模式下工作以提高其传动性能。
[0032] 以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。
