一种自传感磁流变旋转阻尼器

技术领域

本发明涉及磁流变旋转阻尼器技术领域，具体涉及一种自传感磁流变旋转阻尼器。

背景技术

磁流变旋转阻尼器作为一种半主动器件，具有连续阻尼可调，响应时间短，能耗低等特点。磁流变旋转阻尼器广泛应用于车辆制动，机器人关节等。通常情况下，磁流变旋转阻尼器需要额外搭配外置传感器以获取阻尼器系统的状态信息。随着系统的发展，外置传感器的使用增加了阻尼器系统的复杂性。为了降低成本和提高系统的可靠性，设计出具有自传感功能的磁流变旋转阻尼器是一种解决方案。目前具有自传感功能的磁流变阻尼器主要以电磁感应原理和摩擦纳米发电原理设计的线性自传感磁流变阻尼器。

目前设计的具有自传感功能的磁流变阻尼器主要围绕电磁感应原理或摩擦纳米发电原理对线性运动产生的振动进行控制，达到减振的目的。因此这些具有自传感功能的磁流变阻尼器只适用于阻尼器的线性运动，并不适用于旋转类型的运动。因此针对旋转类型的运动，本发明设计出一种自传感磁流变旋转阻尼器。

发明内容

本发明提出的一种自传感磁流变旋转阻尼器，可解决磁流变旋转阻尼器需要外置传感器来获取阻尼器系统信息的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种自传感磁流变旋转阻尼器，包括磁流变阻尼部分和角速度自传感部分，

旋转阻尼器的旋转轴分为上转轴和下转轴两部分，上下转轴通过螺纹孔连接；

角速度自传感部分包括摩擦纳米发电单元和信号处理单元；

在下转轴上安装了摩擦纳米电结构，聚四氟乙烯套筒固定在下壳体上，铝箔贴在聚丙烯圆筒上，圆筒固定在下转轴上；上转轴与电机相连；

转轴位于壳体内，磁流变液填充在转盘与壳体之间的间隙内，并在壳体上部和下部分别放置一个轴承，使转子能够独立于壳体旋转；

当轴转动时，固定在轴上的铝箔与聚四氟乙烯摩擦，在铝电极上产生电信号，然后信号处理单元将电信号转换为与角速度相关的电流信号；

还包括励磁线圈缠绕在铝合金骨架上并固定在壳体内。

进一步的，还包括一对U型密封圈分别放置在上壳体和下壳体内，确保磁流变液的密封。

进一步的，为保证磁场在转轴、上下壳体、磁流变液之间形成闭合回路，上下壳体和上转轴采用高磁导率45钢。

进一步的，所述摩擦纳米发电单元包括一个光栅状的独立摩擦层和两组形状互补的叉指金属电极。

进一步的，铝箔为两组互补的叉指形状的铝箔附着于圆筒上组成两组金属电极。

进一步的，相邻铝电极的弧长距离为2.5mm，每个铝电极的宽度为5mm，两组互补的叉指电极共有16个电极单元。

进一步的，套筒的光栅状周期性与金属铝电极的周期性一致。

由上述技术方案可知，本发明的自传感磁流变旋转阻尼器，在本发明中，对于旋转阻尼器部分选用的是单盘式磁流变旋转阻尼器，因此可以设计成其他类型的磁流变旋转阻尼器与自传感结构进行连接。对于自传感结构部分，本发明选用的是以摩擦纳米发电原理设计的结构。在材料选择上，选用的是铝和PTFE。对于其他材料的选择作为摩擦纳米发电的材料，如铜，聚酰亚胺薄膜等也是可行的。在结构上，本发明采用的是光栅状独立摩擦层的圆柱型PTFE圆筒和两组形状互补的叉指电极，其中叉指电极随旋转轴旋转与PTFE独立摩擦层产生摩擦。如果PTFE独立摩擦层随着旋转轴旋转，叉指电极固定。两者摩擦产生电信号也是可行的。

目前已知的具有自传感功能的阻尼器都为线性阻尼器。本发明关键点主要在于基于摩擦纳米发电原理的自传感结构与磁流变旋转阻尼器的结合实现磁流变旋转阻尼器的角速度自传感功能。

目前具有自传感功能的磁流变阻尼器为线性运动的自传感磁流变阻尼器。只适用于线性运动而不满足于旋转类型的运动。本发明所设计的自传感磁流变旋转阻尼器适用于旋转运动所需的阻尼力。同时简化了系统的结构，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为下转轴上摩擦纳米发电单元的结构装配图；

图3为本发明自传感结构的原理图；

1-上转轴；2-轴承；3-上壳体；4-磁流变液；5-下壳体；6-轴承；7-PTFE套筒；8-下压盖；9-铝电极；10-聚丙烯圆筒；11-下转轴；12-U型密封圈；13-励磁线圈；14-铝合金骨架；15-U型密封圈；16-上压盖。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为自传感磁流变旋转阻尼器的剖视图，如图1所示，提出了一种由磁流变阻尼部分和角速度自传感部分组成的自传感旋转磁流变阻尼器。旋转阻尼器的旋转轴分为上转轴1和下转轴11两部分。上下转轴通过螺纹孔连接，以确保旋转一致。角速度自传感部分包括摩擦纳米发电单元和信号处理单元。为了实现旋转器的角速度自传感，在下转轴上安装了摩擦纳米电结构。聚四氟乙烯套筒即PTFE套筒7固定在下壳体5上，铝箔贴在聚丙烯圆筒10上，圆筒固定在下转轴11上。上转轴1与电机相连，当轴转动时，固定在轴上的铝箔与聚四氟乙烯摩擦。此时，在铝电极上产生电信号。然后信号处理单元将电信号转换为与角速度相关的电流信号。分析了角速度与电流信号之间的关系，实现了具有角速度自感知的自传感旋转阻尼器。在在磁流变阻尼部分，设计了单盘磁流变阻尼器。转轴位于壳体内，磁流变液填充在转盘与壳体之间的间隙内，并在壳体上部和下部分别放置一个轴承，使转子能够独立于壳体旋转。一对U型密封圈15分别放置在上壳体3和下壳体5内，确保磁流变液的密封。励磁线圈缠绕在铝合金骨架上并固定在壳体内。当励磁线圈13通上直流电时，可在旋转阻尼器内产生感应磁场。对于旋转运动进行制动。为保证磁场在转轴、上下壳体、磁流变液之间形成闭合回路，上下壳体和上转轴采用高磁导率45钢，其余结构采用不导磁的铝合金或聚四氟乙烯。

图2为下转轴上摩擦纳米发电单元的结构装配图。主要包括一个光栅状的独立摩擦层和两组形状互补的叉指金属电极。根据摩擦电序列，选用聚四氟乙烯作为独立摩擦层的材料。选用铝作为金属电极的材料。聚丙烯圆筒固定在下转轴上，两组互补的叉指形状的铝箔附着于圆筒上组成两组金属电极。相邻铝电极的弧长距离为2.5mm.每个铝电极9的宽度为5mm。两组互补的叉指电极共有16个电极单元。PTFE套筒的光栅状周期性与金属铝电极的周期性一致。当旋转轴旋转时，将带动铝电极旋转，与PTFE套筒产生摩擦，进而产生与旋转速度有关的电信号。

图3为自传感结构的原理图；磁流变旋转阻尼器自传感结构的工作原理主要是接触式电荷与面内滑动诱导电荷传递的耦合，最初，聚四氟乙烯的光栅行与金属电极组的光栅完全重合。由于PTFE在两个表面接触时具有比铝更大的摩擦电负性，因此在PTFE表面产生负电荷，同时产生等量的正电荷在铝电极组2(AE

当铝电极层逆时针方向旋转时，PTFE独立摩擦层相对顺时针方向旋转。独立摩擦层的栅极层从AE

在本发明中，对于旋转阻尼器部分选用的是单盘式磁流变旋转阻尼器，因此可以设计成其他类型的磁流变旋转阻尼器与自传感结构进行连接。对于自传感结构部分，本发明选用的是以摩擦纳米发电原理设计的结构。在材料选择上，选用的是铝和PTFE。对于其他材料的选择作为摩擦纳米发电的材料，如铜，聚酰亚胺薄膜等也是可行的。在结构上，本发明采用的是光栅状独立摩擦层的圆柱型PTFE圆筒和两组形状互补的叉指电极，其中叉指电极随旋转轴旋转与PTFE独立摩擦层产生摩擦。如果PTFE独立摩擦层随着旋转轴旋转，叉指电极固定。两者摩擦产生电信号也是可行的。

则目前已知的具有自传感功能的阻尼器都为线性阻尼器。本发明关键点主要在于基于摩擦纳米发电原理的自传感结构与磁流变旋转阻尼器的结合实现磁流变旋转阻尼器的角速度自传感功能。

目前具有自传感功能的磁流变阻尼器为线性运动的自传感磁流变阻尼器。只适用于线性运动而不满足于旋转类型的运动。本发明所设计的自传感磁流变旋转阻尼器适用于旋转运动所需的阻尼力。同时简化了系统的结构，提高了系统的稳定性。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。