形状记忆合金控制的单变双筒式磁流变自动散热装置

技术领域

本发明涉及自动散热装置领域，尤其涉及一种形状记忆合金控制的单变双筒式磁流变自动散热装置。

背景技术

磁流变液是一种磁智能材料，其主要由磁性颗粒和基液（通常为硅油）构成，受外加磁场的控制，在无外加磁场时，表现出牛顿流体的性质；加入磁场后，磁流变液的粘度发生几个数量级的变化，表现出Bingham塑性流体的性质；整个变化过程迅速，可逆，操作简便。形状记忆合金(SMA)是新型智能材料，具有一定初始形状的形状记忆合金在一定条件下进行一定程度的变形之后，通过适当地改变温度又会发生逆变形，使材料恢复成初始形状，在形状恢复的过程中，形状记忆合金若受到约束就会产生很大的回复力，可利用其回复力可对外做功。

由于形状记忆合金和磁流变液这类智能材料所具有独特的特性与优异的性能，使其在机械领域中具有广泛的应有前景。如CN103603891A公开的“多片式磁流变液电磁离合器”，它采用多片式结构，利用磁流变液作为介质充满电磁离合器的多个主、从动摩擦片间的间隙，形成多个磁流变液工作环面，间隙磁场强度大，分布合理，传递力矩大。如CN103591234A公开的“基于磁流变液和形状记忆合金的楔形挤压软启动装置”，该装置利用了磁流变液的挤压强化效应，提高了软启动装置的传递功率；同时通过记忆合金协助传递转矩，使软启动装置的传递性能更加可靠。如CN105288876A公开的“一种永磁变长度磁流变液与摩擦复合软着陆装置”，利用永磁体产生磁场激励磁流变液产生磁流变效应，从而控制软着陆装置的制动力矩，同时还利用了弹簧与摩擦盘之间的摩擦力矩进行辅助减速着陆。如CN105650148A公开的“基于磁流变液的车轮初减速制动器”，它通过在制动工作仓内设置磁流变液，并通过电磁线盘对磁流变液施加驱动磁场改变磁流变液粘度，从而使磁流变液对制动轮造成阻力，为高速状态下的制动初始段进行无磨损的制动减速。又如CN102562874A公开的“一种双盘式挤压磁流变制动器”，不仅可通过提高励磁线圈电流来增加扭矩，还可增大电磁铁的电流，从而增大磁流变液在磁场方向产生正应力，极大的提高了制动转矩。又如CN107763109A公开的“一种温控变面磁流变传动装置”，通过形状记忆合金弹簧推动主动盘使磁流变液工作面由一个变为两个，能够传递更大的转矩，并且能够根据实时温度自动调节传递的转矩，并保证了传动过程的稳定性。

研究人员针对磁流变液在传动方面开展了广泛的应用，但磁流变液在传动方面也存在如下缺陷：磁流变液在通常条件下屈服应力较小，不能满足传递大功率动力的需要，通过提高磁流变液中磁性颗粒的体积分数可以显著提升磁流变液的剪切屈服应力，但磁流变液中磁性颗粒的体积分数过高会导致传动装置空载转矩较大，并且在磁场作用下转矩可控范围将会变小，因此如何提高磁流变液制动器制动性能以及降低空载转矩是目前磁流变传动亟待解决的问题；磁流变液随环境温度的升高性能会下降，不能满足在不同温度环境下的工作需求，而形状记忆合金的形状记忆效应可以用于弥补磁流变液在传动方面存在的缺陷，虽然研究人员对形状记忆合金和磁流变液在传动工程领域的单独应用作了大量研究，但是对于形状记忆合金和磁流变液在传动装置中的联合应用，特别在利用线圈发热激发形状记忆合金的形状记忆效应发明的研究还很少。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决现有磁流变自动散热装置传递的转矩较小，传递的效率低，高温下传动稳定性较差的问题，提供一种形状记忆合金控制的单变双筒式磁流变自动散热装置，能够通过线圈发热激发形状记忆合金弹簧形状记忆效应推动传动轴瓦，使单筒变为双筒的磁流变自动散热装置，从而使磁流变液自动散热装置传动性能显著提升，同时保证了较低的空载转矩以及高温时的传动性能能够显著增强。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种形状记忆合金控制的单变双筒式磁流变自动散热装置，包括主动轴、从动壳体和从动轴，所述从动壳体包括左端盖、从动外筒和右端盖，所述左端盖、从动外筒和右端盖依次固定连接，所述从动轴与右端盖固定连接；其特征在于：在从动圆筒内同轴设有一从动内筒，所述从动内筒的右端与右端盖固定连接，且从动内筒与从动外筒之间具有间距；所述主动轴穿过左端盖后伸入从动内筒内，并通过轴承与从动内筒相连；在主动轴上套设有一传动盘，该传动盘与主动轴固定连接，并能随主动轴同步转动，该传动盘通过轴承与左端盖相连；

在从动内筒的左端同轴设有一凸环，所述凸环与从动内筒固定连接，并与传动盘紧贴，使从动内筒与传动盘之间具有间隙；在从动内筒外侧绕其一周分布有数块弧形的传动轴瓦，当传动轴瓦贴合在从动内筒上时能够形成依次相连形成轴瓦筒；所述传动轴瓦的右端与右端盖之间具有间隙，其左端向从动内筒内侧方向弯折并延伸并与从动内筒的端面贴合，且传动轴瓦的弯折部分呈楔形；在传动盘的左侧设有环形槽，在环形槽内对应各传动轴瓦分别设有一复位弹簧，所述复位弹簧的轴向与传动盘的径向一致，其里端与传动盘固定连接；在传动盘上，对应复位弹簧的位置沿其径向开设有条形孔；所述复位弹簧的外端与一弹簧拉杆相连，该弹簧拉杆的一端与复位弹簧固定连接，另一端穿过条形孔后与传动轴瓦的弯折部分固定连接，在复位弹簧的作用下，传动轴瓦与从动内筒贴合在一起；

在从动内筒上，靠近其两端处对应各传动轴瓦分别设有一弹簧槽，所述弹簧槽的深度方向与从动内筒的径向一致；在弹簧槽内设有形状记忆合金弹簧，所述形状记忆合金弹簧的轴向与弹簧槽的深度方向一致，其一端与弹簧槽的槽底固定连接，另一端与一滑块固定连接，所述滑块与弹簧槽的侧壁滑动配合相连；

在从动内筒的中部，绕其一周设有一线圈槽，在该线圈槽内绕设有励磁线圈；所述传动轴瓦的中部对应励磁线圈的一段为低导磁材料块，传动轴瓦两端为高导磁材料块，低导磁材料块与两高导磁材料块焊接连接成为一个整体；在传动轴瓦与从动外筒之间的间隙内填充有磁流变液。

进一步地，在从动外筒的内侧中部，设有绕其一周的限位环，该限位环外侧与从动外筒固定连接，内侧与传动轴瓦之间具有间隙。

进一步地，在线圈槽和弹簧槽之间设有导热孔。

进一步地，在励磁线圈外侧还套设有隔热套，所述导热孔贯穿该隔热套。

进一步地，所述传动盘包括轴套和盘体，所述盘体位于从动壳体内侧，其外缘与从动外筒内侧之间设有密封圈；所述轴套套设在主动轴上，并通过轴承与左端盖相连。

进一步地，在左端盖的外侧设有透盖，该透盖套设在轴套上；在透盖与轴套之间还设有毛毡圈。

进一步地，在传动轴瓦的弯折部分与传动盘之间设有一传动块，在传动盘上，对应该传动块设有与滑槽，所述滑槽沿传动盘的径向设置，该传动块嵌入该滑槽内，并与滑槽滑动配合相连；所述传动块的两侧分别与弹簧拉杆和传动轴瓦的弯折部分固定连接。

进一步地，在右端盖外侧设有导电滑环，所述导电滑环通过导线与励磁线圈相连。

进一步地，所述右端盖的中部向外侧凸出形成一安装座，所述导电滑环套设在该安装座上，并与右端盖固定连接。

进一步地，在从动外筒上开设有注液孔，并在注液孔内配合设有注液螺塞。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：利用形状记忆合金弹簧推挤传动轴瓦，使装置中磁流变液工作间隙由一个变为两个，降低了空载转矩，并且当装置温度升高到某一温度时，传递的转矩达到最大值，从动轴转速也达到最大值，从动轴所驱动的散热装置散热效果最显著；随着温度进一步升高，传递的转矩及从动轴转速也在较高范围；同时本发明将线圈产生的热量传导至形状记忆合金，通过形状记忆合金弹簧产生摩擦转矩，进一步增大了传动转矩；从而同时保证了较低的空载转矩以及高温时的传动性能能够显著增强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明单筒工作时从动内筒与传动轴瓦的状态图。

图3为本发明双筒工作时从动内筒与传动轴瓦的状态图。

图4为本发明单筒时内部磁感应强度分布云图。

图5为本发明变为双筒时内部磁感应强度分布云图。

图6为本发明在不同温度下的制动转矩关系图。

图7为本发明在不同温度下的极限转速关系图。

图中：1-主动轴，2-左端盖，3-从动外筒，4-右端盖，5-从动轴，6-从动内筒，7-传动盘，8-凸环，9-传动轴瓦，10-复位弹簧，11-弹簧拉杆，12-形状记忆合金弹簧，13-滑块，14-励磁线圈，15-磁流变液，16-限位环，17-导热孔，18-隔热套，19-透盖，20-传动块，21-导电滑环，22-注液螺塞。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1至图7，一种形状记忆合金控制的单变双筒式磁流变自动散热装置，包括主动轴1、从动壳体和从动轴5；所述从动壳体包括左端盖2、从动外筒3和右端盖4，所述左端盖2、从动外筒3和右端盖4依次固定连接，所述从动轴5与右端盖4固定连接。在从动圆筒内同轴设有一从动内筒6，该从动内筒6具有轴孔；所述从动内筒6的右端与右端盖4固定连接，且从动内筒6与从动外筒3之间具有间距，其左端与左端盖2之间也具有间距。所述主动轴1穿过左端盖2后伸入从动内筒6内，并伸入从动内筒6的轴孔内，且通过轴承与从动内筒6相连。在主动轴1上套设有一传动盘7，该传动盘7与主动轴1固定连接，并能随主动轴1同步转动，该传动盘7通过轴承与左端盖2相连。具体实施时，所述传动盘7包括轴套和盘体，所述盘体位于从动壳体内侧并位于从动内筒6左端与左端盖2之间，其外缘与从动外筒3内侧之间设有密封圈；所述轴套套设在主动轴1上，并通过轴承与左端盖2相连；其中，该轴套通过键与主动轴1相连，从而使传动盘7能够随主动轴1同步转动。为使整个从动壳体的密封效果更好，在左端盖2的外侧设有透盖19，该透盖19套设在轴套上；在透盖19与轴套之间还设有毛毡圈。

在从动内筒6的左端同轴设有一凸环8，所述凸环8与从动内筒6固定连接，并与传动盘7紧贴，使从动内筒6与传动盘7之间具有间隙，在凸环8与传动盘7之间设有密封圈。在从动内筒6外侧绕其一周分布有数块断面呈弧形的传动轴瓦9，当传动轴瓦9贴合在从动内筒6上时能够形成依次相连形成轴瓦筒。所述传动轴瓦9的右端与右端盖4之间具有间隙，其左端向从动内筒6内侧方向弯折并延伸并与从动内筒6的端面贴合，且传动轴瓦9的弯折部分呈楔形；从而避免当传动轴瓦9贴合在从动内筒6上时，弯折部分之间形成干涉。在传动盘7的左侧设有环形槽，在环形槽内对应各传动轴瓦9分别设有一复位弹簧10，所述复位弹簧10的轴向与传动盘7的径向一致，其里端与传动盘7固定连接。在传动盘7上，对应复位弹簧10的位置沿其径向开设有条形孔。所述复位弹簧10的外端与一弹簧拉杆11相连，该弹簧拉杆11的一端与复位弹簧10固定连接，另一端穿过条形孔后与传动轴瓦9的弯折部分固定连接，在复位弹簧10的作用下，传动轴瓦9与从动内筒6贴合在一起；当传动盘7随主动轴1转动时，能够通过弹簧拉杆11带动传动轴瓦9同步转动。实际制作时，在传动轴瓦9的弯折部分与传动盘7之间设有一传动块20，在传动盘7上，对应该传动块20设有滑槽，所述滑槽沿传动盘7的径向设置，该传动块20嵌入该滑槽内，并与滑槽滑动配合相连。实施时，所述传动块20的横向断面呈楔形；对应的，所述滑槽的断面也呈楔形，从而使传动块与滑槽的配合稳定性更好。所述传动块20的两侧分别与弹簧拉杆11和传动轴瓦9的弯折部分固定连接。这样，传动盘7在转动过程中能够通过该传动块20将转矩传递至传动轴瓦9上，从而带动传动轴瓦9同步转动，能够更稳定地进行转矩的传递。加工时，该传动块20与弹簧拉杆11为一体结构，这样，能更好地提高弹簧拉杆11和传动块20的连接稳定性。

在从动内筒6上，靠近其两端处对应各传动轴瓦9分别设有一弹簧槽，所述弹簧槽的深度方向与从动内筒6的径向一致；在弹簧槽内设有形状记忆合金弹簧12，所述形状记忆合金弹簧12的轴向与弹簧槽的深度方向一致，其一端与弹簧槽的槽底固定连接，另一端与一滑块13固定连接，所述滑块13与弹簧槽的侧壁滑动配合相连，且滑块13与弹簧槽的侧壁之间设有密封圈。在从动外筒3的内侧中部，设有绕其一周的限位环16，该限位环16外侧与从动外筒3固定连接，内侧与传动轴瓦9之间具有间隙；从而避免传动轴瓦9与从动外筒3的内壁贴合，确保双筒模式工作时的稳定性。

在从动内筒6的中部，绕其一周设有一线圈槽，在该线圈槽内绕设有励磁线圈14；所述传动轴瓦9的中部对应励磁线圈14的一段为低导磁材料块，传动轴瓦9两端为高导磁材料块，低导磁材料块与两高导磁材料块焊接连接成为一个整体。在线圈外侧还套设有隔热套18，从而减少励磁线圈14工作过程中产生的热量传递到磁流变液15，提高磁流变液15的稳定性。在线圈槽和弹簧槽之间设有导热孔17，所述导热孔17贯穿该隔热套18；从而使励磁线圈14产生的热量快速传递到形状记忆合金弹簧12，便于形状记忆合金弹簧12快速产生动作。在右端盖4外侧设有导电滑环21，所述导电滑环21通过导线与励磁线圈14相连。其中，所述导线的一端与励磁线圈14相连，另一端穿过右端盖4、从动内筒6的内孔以及线圈槽的槽底后与励磁线圈14相连。制作时，所述右端盖4的中部向外侧凸出形成一安装座，所述导电滑环21套设在该安装座上，并与右端盖4固定连接，这样，更便于导电滑环21的安装。

在传动轴瓦9与从动外筒3之间的间隙内填充有磁流变液15。在从动外筒3上开设有注液孔，并在注液孔内配合设有注液螺塞22，从而便于磁流变液15的加注。

工作过程中：

1.初始状态，磁流变液15在传动轴瓦9与从动外筒3之间的工作间隙里，只与传动轴瓦9和从动外筒3接触；当主动轴1转动时，主动轴1通过传动盘7及弹簧拉杆11带动传动轴瓦9转动；但当温度低于某一温度（50℃）时，形状记忆合金弹簧12处于原位，无法推动滑块13，进而无法推动传动轴瓦9，并且由于复位弹簧10具有的初始拉力，传动轴瓦9在转动时产生的离心力无法克服复位弹簧10的初始拉力，传动轴瓦9与从动外筒3之间形成单筒式磁流变液15工作间隙，并且该间隙厚度约为2mm；同时，励磁线圈14未通电，依靠磁流变液15零磁场的粘性力传递的转矩，主动轴1无法将转矩与动力转递至从动轴5。

2.对励磁线圈14通电，磁场穿过传动轴瓦9与从动外筒3之间的磁流变液15，依靠磁流变液15在磁场作用下产生的剪切应力，使传动轴瓦9与从动外筒3之间产生作用，带动从动外筒3转动，进而带动从动轴5开始转动。

3.当整个散热装置长时间参与传动过程时，励磁线圈14通电产生的焦耳热会使装置内部温度上升，由于隔热套18的存在励磁线圈14产生的热量被约束在励磁线圈14容置槽内，并且通过导热孔17将热量传导至形状记忆合金弹簧12，当形状记忆合金弹簧12温度上升到奥氏体转变温度（50℃）后，形状记忆合金弹簧12伸长，并通过滑块13推动传动轴瓦9；此时传动轴瓦9在离心力与形状记忆合金弹簧12产生的推力的作用下，克服了复位弹簧10的拉力，传动轴瓦9沿从动内筒6向外滑动，当传动轴瓦9与限位环16接触时，磁流变液15工作间隙由单筒式变为双筒式（工作间隙厚度均为1mm），单筒式与双筒式磁流变液15工作间隙磁感应强度分布云图如图4和图5所示；传动轴瓦9与从动外筒3和从动内筒6形成的两个圆筒式磁流变液15工作间隙能够成倍的增加装置的传动性能，有效的弥补了高温下磁流变液15性能衰减。

4.随着温度继续升高，形状记忆合金弹簧12产生最大的挤压力，此时传动轴瓦9与限位环16摩擦产生的摩擦转矩达持续增大，通过该摩擦转矩进一步的弥补了高温下磁流变液15性能衰减，假设装置主动轴1的最大输入转速为=4000r/min，同时，装置从动轴5连接的风扇工作时受到的阻力矩与风扇运行速度可由经验公式表示为：=，由分析得出的装置最大工作转矩为=29.2 N·m，在装置温度变化过程中，装置所能传递的最大转矩在发生变化，其中，散热装置在不同温度下所能传递最大转速如图7所示，由于温度上升使单筒变为多筒，极限转速出现显著增大。当温度达到60℃时候，装置达到极限转速3680 r/min。由于温度持续上升，磁流变液15在高温下传动性能有所下降，当温度达到100℃时，装置传递的转速为3420 r/min，但在整个温升过程中极限转速处于较为稳定的区间内（3420-3680 r/min），所传递的转速仅下降了7.06%，保证了装置在全工作温度范围内的传动稳定性。

本发明利用形状记忆合金弹簧12推挤传动轴瓦9，使装置中磁流变液15工作间隙由一个变为两个，降低了空载转矩，并且当装置温度升高到某一温度时，传递的转矩达到最大值，从动轴5转速也达到最大值，从动轴5所驱动的散热装置散热效果最显著；随着温度进一步升高，传递的转矩及从动轴5转速也在较高范围；同时本发明将线圈产生的热量传导至形状记忆合金，通过形状记忆合金弹簧12产生摩擦转矩，进一步增大了传动转矩；从而同时保证了较低的空载转矩以及高温时的传动性能能够显著增强。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。