一种热致循环冷却多圆弧式磁流变制动器

本发明涉及制动器技术领域，尤其涉及一种热致循环冷却多圆弧式磁流变制动器。

背景技术：

磁流变液是一种形态和性能受外加磁场约束和控制的固液二相功能材料；其主要由磁性颗粒和基液构成，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，磁流变液的粘度会在极短时间内发生几个数量级的变化，表现出类似于固体的力学性质；整个变化过程迅速，连续可控可逆。

由于磁流变液的所具有的独特性质，使其在离合器、制动器领域具有广阔的应用前景：如cn107061558a公开的“一种壁冷式多筒磁流变液制动器”，通过对称结构增大制动面积，从而增加制动力矩，并且通过外壳筒水冷方式散热，改善制动性能。又如cn203702929u公开的“一种水冷式磁流变制动器”，通过左、右冷却端盖内部均设有环形流道，磁流变制动器产生的热量经过环形流道内的冷却液传出，以达到散热的效果。又如cn110792704b公开的“内啮合齿轮泵式循环冷却磁流变液制动器”，通过在制动轴末端增加了内啮合齿轮泵组件使磁流变液在高温下能够通过流道进入水箱中进行冷却，能够有效提高磁流变液的冷却效果，从而有效提高制动器的热稳定性和制动效果。

但是，磁流变液所产生的剪切屈服应力较小，使得磁流变液产生的制动转矩有限。为增大磁流变液制动器的制动转矩，研究人员一般通过增大结构尺寸或堆叠结构的方式增大转矩。但制动过程中滑差生热会导致磁流变液温度升高，而磁流变液的最大工作温度范围较窄，一般小于150℃；油基磁流变液的最大工作温度范围，也一般在小于100℃。在高温环境下，磁流变液的性能会随温度的升高逐渐衰减甚至失效，因此如何采取措施减小磁流变液温升，使磁流变液的剪切屈服应力稳定，增大其应用的场合，并保证磁流变液制动器高性能运转，已成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

技术实现要素：

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基于磁流变液的制动器受温度影响较大，稳定性差的问题，提供一种热致循环冷却多圆弧式磁流变制动器，能够对磁流变液进行冷却，从而减小温度对磁流变液的影响，提高制动器的稳定性，同时磁流变液的作用面积更大，从而能有效提升磁流变制动器的制动转矩。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种热致循环冷却多圆弧式磁流变制动器，包括制动轴、制动柱和制动壳体，所述制动壳体包括左端盖、内圆筒和右端盖，其特征在于：在左端盖和内圆筒之间还设有配流盘，所述左端盖、配流盘、内圆筒以及右端盖依次相连，且左端盖与配流盘之间具有间距；所述制动柱位于制动壳体内，其右端通过轴承与右端盖相连，其侧壁与内圆筒内壁之间具有间隙；其中，在制动柱的侧壁上沿其轴向开设有若干绕其一周的圆弧形槽，在内圆筒内壁上，对应圆弧形槽设有圆弧形凸起，使制动柱与内圆筒之间的间隙呈波浪形；在配流盘的右侧中部开设有一导流槽，所述导流槽内侧贯穿配流盘内侧，其外侧延伸至制动柱与内圆筒之间的间隙的外侧，使制动柱与内圆筒之间的间隙与该导流槽相连通；在导流槽内设有左过滤环，且所述左过滤环将制动柱与内圆筒之间的间隙封闭，通过左过滤环能够将磁流变液中的基础液与磁性粒子分离；所述制动轴的右端穿过左端盖和配流盘后与制动柱相连，且制动轴通过轴承与左端盖相连；其中，在制动柱的左端，对应制动轴的位置开设有一弹簧槽，所述弹簧槽的直径大于制动轴的直径，制动轴的右端伸入弹簧槽内，并延伸至槽底后与制动柱相连，且能带动制动柱同步转动；

在左端盖与配流盘之间设有离心式叶轮，所述叶轮通过中心孔套设在制动轴上，并与制动轴之间间隙配合，所述配流盘套设在叶轮的右盖体上，使叶轮的进液孔与导流槽相连通；在叶轮的右侧设有一推环，所述推环套设在制动轴上，并通过键与制动轴滑动配合相连；在推环与叶轮之间设有一摩擦环，所述摩擦环套设在制动轴上，并与制动轴间隙配合；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套在在制动轴上，其一端与弹簧槽的槽底相连，另一端与推环相连，初始状态，在形状记忆合金弹簧的作用下，叶轮、摩擦环以及推环之间具有间隙；

在制动壳体的外侧设有冷却箱，所述冷却箱包括左端板、外圆筒和右端板，所述左端板和右端板均呈环形，并对应与左端盖和右端盖固定连接，所述外圆筒套设在内圆筒上，并与内圆筒之间具有间距，其两端分别与左端板和右端板固定连接；在外圆筒和内圆筒之间设有冷却管道，所述冷却管道绕设在内圆筒上，其左端与左端盖和配流盘之间的间距相连通；在右端盖内侧设有一回流槽，所述制动柱与内圆筒之间的间隙与该回流槽相连通，所述冷却管道的右端也与该回流槽相连通；在右端板上还设有冷却液进液口和冷却液出液口；

在内圆筒的外壁中部，设有绕其一周的线圈槽，在该线圈槽内绕设有励磁线圈；在制动柱与内圆筒之间的间隙内填充有磁流变液，在冷却管道、左端盖与配流盘之间、导流槽以及回流槽内均填充有基础液。

进一步地，在回流槽内设有右过滤环，所述右过滤环将制动柱与内圆筒之间的间隙封闭，通过右过滤环能够将磁流变液中的基础液与磁性粒子分离。

进一步地，在外圆筒和制动柱相对应的位置分别设有一螺纹通孔，其中，制动柱上的螺纹通孔与制动柱与内圆筒之间的间隙相连通；在该螺纹通孔内螺纹配合连接有一螺纹注液导管，该螺纹注液导管的里端延伸至与制动柱上的螺纹通孔螺纹连接，外端与外圆筒上的螺纹通孔螺纹连接；在螺纹注液导管的外端螺纹连接有注液螺塞。

进一步地，所述叶轮包括左盖体、右盖体以及左盖体和右盖体之间的筋板，所述左盖体的内径小于右盖体的内径，形成叶轮中心孔，并使左盖体与右盖体之间形成进液孔；在右盖体的右侧设有凸台，所述配流盘套设在该凸台上，且配流盘与该凸台之间设有密封环；所述摩擦环的外径小于右盖体的内径，当推环推动摩擦环移动后，能够与叶轮的左盖体接触并产生摩擦。

进一步地，所述左盖体的左侧靠近内侧边缘处具有凸沿，在制动轴上，对应该凸沿的位置设有轴肩，当叶轮向左移动后，能够与该轴肩接触，并形成挤压；当凸沿与轴肩接触时，左盖体与左端盖之间具有间隙，在左盖体与左端盖之间设有密封环。

进一步地，在励磁线圈的外侧设有线圈卡环，通过该线圈卡环将励磁线圈封闭在线圈槽内，其中，该线圈卡环为导磁环。

进一步地，在左端盖的左侧设有一透盖，所述透盖套设在制动轴上，并与左端盖固定连接，在透盖与制动轴之间设有毛毡圈。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、制动筒外侧的内凹的多圆弧面与制动壳体内侧的外凸的多圆弧面形成的多圆弧式磁流变液工作间隙，相较于常用的圆筒式工作间隙，在同等轴向长度时，可显著增加磁流变液间隙有效工作面积，因此在多圆弧式磁流变液工作间隙能够有效提升磁流变制动器的制动转矩。

2、通过设置的离心叶轮泵组件，能够使多圆弧式磁流变液工作间隙内磁流变液进入水箱内的冷却管道以进行冷却，从而降低了制动过程中磁流变液由于滑差产生的温升，有效提高了磁流变液的稳定性。

3、制动器温度大于70℃，形状记忆合金弹簧推动推杆产生摩擦转矩带动叶轮转动，使基础液循环流动；同时制动器温度越高，形状记忆合金弹簧产生的摩擦转矩越大，叶轮转速越快，使基础液循环流动越快，能够保持磁流变液在性能基本稳定的环境下工作。

4、配流盘内侧设置的过滤环与冷却管道出口处设置的过滤塞，能够只让磁流变液中的基础液循环流动，既能降低工作时磁流变液的温度，又能节约贵重的磁流变液材料，也避免了磁流变液中的磁性颗粒对叶轮叶片的加速磨损。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明结构的侧视图。

图3为本发明中叶轮的结构示意图。

图中：1—制动轴，2—制动柱，3—左端盖，4—内圆筒，5—右端盖，6—配流盘，7—左过滤环，8—叶轮，81—左盖体，82—右盖体，83—凸台，9—推环，10—摩擦环，11—形状记忆合金弹簧，12—左端板，13—外圆筒，14—右端板，15—冷却管道，16—励磁线圈，17—磁流变液，18—右过滤环，19—螺纹注液导管，20—注液螺塞，21—线圈卡环，22—透盖。

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、图2以及图3，一种热致循环冷却多圆弧式磁流变制动器，包括制动轴1、制动柱2和制动壳体；所述制动壳体包括左端盖3、内圆筒4和右端盖5。在左端盖3和内圆筒4之间还设有配流盘6，所述左端盖3、配流盘6、内圆筒4以及右端盖5依次相连，且左端盖3与配流盘6之间具有间距。具体实施时，左端盖3边缘先向右弯折并延伸，然后再向内弯折并延伸形成连接环，该连接环与配流盘6紧贴在一起，从而使左端盖3与配流盘6之间形成间距。

所述制动柱2位于制动壳体内，其轴心线与内圆筒4的轴心线重合；该制动柱2的右端通过轴承与右端盖5相连，其侧壁与内圆筒4内壁之间具有间隙；制作时，制动柱2的右端具有一凸轮，所述轴承套设在该凸轮上；在右端盖5内侧，对应轴承设有轴承定位槽，所述轴承嵌设于该轴承定位槽内，并与右端盖5固定连接。其中，在制动柱2的侧壁上沿其轴向开设有若干绕其一周的圆弧形槽，在内圆筒4内壁上，对应圆弧形槽设有圆弧形凸起，使制动柱2与内圆筒4之间的间隙呈波浪形。所述配流盘6为环形结构，其轴心线与制动柱2的轴心线重合；在配流盘6的右侧中部开设有一导流槽，所述导流槽内侧贯穿配流盘6内侧，其外侧延伸至制动柱2与内圆筒4之间的间隙的外侧，使制动柱2与内圆筒4之间的间隙与该导流槽相连通。在导流槽内设有左过滤环7，且所述左过滤环7将制动柱2与内圆筒4之间的间隙封闭，通过左过滤环7能够将磁流变液17中的基础液与磁性粒子分离，即只有磁流变液17中的基础液能穿过左过滤环7，而磁性粒子无法穿过。所述制动轴1与内圆筒4同轴设置，其右端穿过左端盖3和配流盘6后与制动柱2相连，且制动轴1通过轴承与左端盖3相连。其中，在制动柱2的左端，对应制动轴1的位置开设有一弹簧槽，所述弹簧槽的直径大于制动轴1的直径，制动轴1的右端伸入弹簧槽内，并延伸至槽底后与制动柱2相连，且能带动制动柱2同步转动。在左端盖3的左侧设有一透盖22，所述透盖22套设在制动轴1上，并与左端盖3固定连接，在透盖22与制动轴1之间设有毛毡圈；从而使整个制动器的封闭效果更好。作为优选，在回流槽内设有右过滤环18，所述右过滤环18将制动柱2与内圆筒4之间的间隙封闭，通过右过滤环18能够将磁流变液17中的基础液与磁性粒子分离；当制动轴1反转时，也能够通过右过滤环18将磁性粒子与基础液分离，避免磁性粒子进入冷却管道15内，从而保证磁流变效应。

在左端盖3与配流盘6之间设有离心式叶轮8，所述叶轮8通过中心孔套设在制动轴1上，并与制动轴1之间间隙配合，在叶轮8与制动轴1之间的间隙内还填充有润滑油，从而使叶轮8移动更加顺畅，减少摩擦。所述配流盘6套设在叶轮8的右盖体82上，使叶轮8的进液孔与导流槽相连通；在叶轮8的右侧设有一推环9，所述推环9套设在制动轴1上，并通过键与制动轴1滑动配合相连。在推环9与叶轮8之间设有一摩擦环10，所述摩擦环10套设在制动轴1上，并与制动轴1间隙配合。具体实施时，所述叶轮8包括左盖体81、右盖体82以及左盖体81和右盖体82之间的筋板，所述左盖体81的内径小于右盖体82的内径，形成叶轮8中心孔，并使左盖体81与右盖体82之间形成进液孔。在右盖体82的右侧设有凸台83，所述配流盘6套设在该凸台83上，且配流盘6与该凸台83之间设有密封环。所述摩擦环10的外径小于右盖体82的内径，当推环9推动摩擦环10移动后，能够与叶轮8的左盖体81接触并产生摩擦。其中，所述左盖体81的左侧靠近内侧边缘处具有凸沿，在制动轴1上，对应该凸沿的位置设有轴肩，当叶轮8向左移动后，能够与该轴肩接触，并形成挤压；当凸沿与轴肩接触时，左盖体81与左端盖3之间具有间隙，在左盖体81与左端盖3之间设有密封环；这样能避免叶轮8与左端盖3产生摩擦，从而提高整个制动器的使用寿命。

在弹簧槽内设有形状记忆合金弹簧11，所述形状记忆合金弹簧11套在在制动轴1上，其一端与弹簧槽的槽底相连，另一端与推环9相连，初始状态，在形状记忆合金弹簧11的作用下，叶轮8、摩擦环10以及推环9之间具有间隙。

在制动壳体的外侧设有冷却箱，所述冷却箱包括左端板12、外圆筒13和右端板14，加工时，所述外圆筒13与一固定底座相连。所述左端板12和右端板14均呈环形，并对应与左端盖3和右端盖5固定连接，所述外圆筒13套设在内圆筒4上，并与内圆筒4之间具有间距，其两端分别与左端板12和右端板14固定连接。在外圆筒13和内圆筒4之间设有冷却管道15，所述冷却管道15绕设在内圆筒4上，其左端与左端盖3和配流盘6之间的间距相连通；在右端盖5内侧设有一回流槽，所述制动柱2与内圆筒4之间的间隙与该回流槽相连通，所述冷却管道15的右端也与该回流槽相连通。在右端板14上还设有冷却液进液口和冷却液出液口。在冷却箱内填充有冷却液，该冷却液优选采用水。

在内圆筒4的外壁中部，设有绕其一周的线圈槽，在该线圈槽内绕设有励磁线圈16；在励磁线圈16的外侧设有线圈卡环21，通过该线圈卡环21将励磁线圈16封闭在线圈槽内；其中，该线圈卡环21为导磁环。在制动柱2与内圆筒4之间的间隙内填充有磁流变液17，在冷却管道15、左端盖3与配流盘6之间、导流槽以及回流槽内均填充有基础液。具体实施时，在外圆筒13和制动柱2相对应的位置分别设有一螺纹通孔，其中，制动柱2上的螺纹通孔与制动柱2与内圆筒4之间的间隙相连通；在该螺纹通孔内螺纹配合连接有一螺纹注液导管19，该螺纹注液导管19的里端延伸至与制动柱2上的螺纹通孔螺纹连接，外端与外圆筒13上的螺纹通孔螺纹连接；在螺纹注液导管19的外端螺纹连接有注液螺塞20；这样能够有效地将磁流变液17注入间隙内。实施时，在右端盖5上还设有基础液注液孔，该基础液注液孔与回流槽相连通，在基础也注液孔上也螺纹配合设有注液螺塞20。

工作过程中，1、当励磁线圈未通电时，制动轴转动，依靠磁流变液的零磁场粘性剪切应力传递的转矩不能对制动轴产生制动转矩，制动轴空转。

2、当励磁线圈通电后，磁流变液中的磁性颗粒沿磁通方向排列成链状结构，增大了磁流变液的剪切应力，依靠此剪切应力产生的制动转矩能对制动柱进行制动，从而对制动轴起制动作用，并且电流越大，磁场强度越强，所产生的制动转矩越大，制动效果越显著。例如，当圆筒半径50mm，长度50mm,电流2a，磁流变液屈服应力46kpa，转速1200rpm，圆筒mr制动转矩=35.4n·m；圆筒半径50mm，长度50mm,圆弧半径5mm，圆弧数5，多圆弧mr制动转矩=45.7n·m；圆弧mr制动转矩比圆筒mr制动转矩提高了29.4%。

3、当制动器温度低于70℃时，形状记忆合金弹簧未达到相变临界温度，形状记忆合金弹簧无法推动推环，制动轴无法带动叶轮转动；当制动器温度超过70℃时，形状记忆合金弹簧伸长推动推环，推环在推动摩擦环，使摩擦环与叶轮之间摩擦产生摩擦转矩，通过该摩擦转矩能够驱动叶轮转动，并且随着温度继续升高，形状记忆合金弹簧产生的挤压力越大，当形状记忆合金弹簧温度达到100℃时产生最大挤压力，同时驱动叶轮达到最大转速。

4、高温条件下，叶轮转动，转动过程中叶轮进液口处形成负压，将磁流变液工作间隙内的基础液透过过滤环吸入，同时由于叶轮末端产生的离心力将基础液甩入冷却管道内；基础液在冷却管道流动过程中与冷却液进行热交换实现散热后，基础液再进入右壳体上的回流槽内，并透过右过滤环后，使基础液回流至磁流变液工作间隙内，由此完成了循环冷却的过程。

制动筒外侧的内凹的多圆弧面与制动壳体内侧的外凸的多圆弧面形成的多圆弧式磁流变液工作间隙，相较于常用的圆筒式工作间隙，在同等轴向长度时，可显著增加磁流变液间隙有效工作面积，因此在多圆弧式磁流变液工作间隙能够有效提升磁流变制动器的制动转矩。并且，通过设置的离心式叶轮泵，能够使多圆弧式磁流变液工作间隙内磁流变液进入水箱内的冷却管道以进行冷却，从而降低了制动过程中磁流变液由于滑差产生的温升，有效提高了磁流变液的稳定性。

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。