一种齿轮齿条式磁流变液半主动惯容减振装置

本发明属于两端口传动控制与半主动减振，具体涉及一种齿轮齿条式磁流变液半主动惯容减振装置，可用于车辆悬架系统、轨道车辆减振、建筑结构减振以及其他需要两端口惯容与阻尼协同控制的工程场合。

背景技术：

1、惯容器是两端口的机械元件，其输出力与两端口之间的相对加速度呈正比。借助齿轮和齿条、滚珠丝杠或液压转换等机构，惯容器能够以极小的实体质量实现较大的等效惯质系数，因而在车辆悬架、建筑结构及其他机械振动控制系统中得到广泛应用。

2、磁流变液是一种响应迅速、可逆且连续可调的智能流体。其屈服应力和流动阻抗随外加磁场强度而变化，使磁流变阻尼器能够实现低功耗、快速响应以及失电安全的半主动阻尼调节。

3、现有技术中，一类方案将机械惯容元件与磁流变阻尼元件分别设置，另有方案尝试在单一装置中融合惯容与磁流变阻尼功能。虽可兼顾惯容力与可调阻尼力，但此类组合普遍存在以下缺陷：

4、1.结构体积较大、液压连接关系复杂，难以满足空间受限的车辆或建筑安装要求；

5、2.机械惯容作用与磁流变液压作用缺少由同一输入运动同步驱动的明确传动关系，限制了复合动力学作用的协调形成；

6、3.工作腔体的容积补偿关系不明确，往往出现负压、气蚀或压力冲击；

7、4.对流体压降的表征混淆了惯性、黏性和屈服三部分，使得调节策略难以区分阻尼变化与等效惯容的变化。

8、因此，亟需一种结构紧凑的两端口惯容减振装置，使机械惯容作用与磁流变液压作用能够由同一两端口相对运动同步产生，并使与磁流变液循环相关的工作液腔在运动过程中形成相互匹配的容积变化，以减少独立惯容元件和阻尼元件组合造成的结构冗余，并保证磁流变液能够在两个工作液腔之间稳定往复流动。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种齿轮齿条式磁流变液半主动惯容减振装置，以解决现有相关装置中机械惯容路径与磁流变液压路径协同不足、结构集成度有限以及工作液腔容积补偿关系不明确的问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种齿轮齿条式磁流变液半主动惯容减振装置，包括：

3、壳体，设有第一连接端和第二连接端，且第二连接端与所述壳体固定连接；

4、丝杠，相对于所述壳体轴向往复移动并被限制绕自身轴线转动；所述第一连接端与所述丝杠连接；

5、螺母，与所述丝杠螺旋配合并相对于所述壳体轴向限位；

6、左、右传动组件，由同一螺母同步驱动；每侧传动组件包括换向传动机构、第三齿轮以及与所述第三齿轮啮合的齿条；

7、左、右飞轮，分别与对应的第三齿轮同轴固连；

8、左、右活塞，分别与对应的齿条连接；

9、左、右液压腔体，分别容纳所述左、右活塞，并分别由对应活塞与液压腔体内壁限定形成第一有效液腔和第二有效液腔，所述第一有效液腔和第二有效液腔内填充磁流变液；所述左、右活塞的有效受压面积相等，并产生大小相等、方向相同的线性位移，使所述第一有效液腔和第二有效液腔的容积变化量大小相等且方向相反；

10、磁流变液流通通道，连通所述第一有效液腔和第二有效液腔，并包括至少一段磁控流道；

11、电磁控制组件，用于向所述磁控流道施加可调磁场，以改变流经所述磁控流道的磁流变液的屈服应力和流动阻抗。

12、在本发明一较佳实施例中，所述丝杠通过防转导向件限制其绕自身轴线转动，并通过导向密封组件与所述壳体滑动配合；所述螺母通过轴承组件可旋转地支承于所述壳体，并由所述壳体限制其沿所述丝杠轴线方向移动。

13、在本发明一较佳实施例中，左、右传动组件的第三齿轮的转轴分别可旋转地支承于所述壳体，所述左、右飞轮分别安装于对应第三齿轮转轴的轴向延伸端，所述左、右飞轮的转动惯量经对应左、右传动组件的传动关系折算形成第一连接端与第二连接端之间的基础机械惯容。

14、在本发明一较佳实施例中，所述换向传动机构包括主动换向齿轮和从动换向齿轮；所述主动换向齿轮与所述螺母传动连接，所述从动换向齿轮与对应主动换向齿轮啮合，所述第三齿轮与对应从动换向齿轮同轴固连。

15、在本发明一较佳实施例中，所述左、右活塞分别通过各自的连接杆与对应齿条相连，所述齿条由导向件进行直线导向，所述连接杆在穿过左、右液压腔体端盖处设有滑动密封件。

16、在本发明一较佳实施例中，所述磁流变液流通通道包括设置于所述壳体外侧的圆管、设置于所述壳体壁内的环形通道、蛇形管或扁平通道中的至少一种。

17、在本发明一较佳实施例中，所述磁流变液流通通道包括两条或以上相互并联的磁控流道，各磁控流道的一端均与所述第一有效液腔连通，另一端均与所述第二有效液腔连通，各磁控流道分别配备可独立调节激励电流的电磁线圈，各电磁线圈采用彼此独立或共用的导磁结构。

18、在本发明一较佳实施例中，磁控流道具有预设的流道长度、等效过流截面面积和磁场作用长度，在所采用的等效动力学模型中，其压降由流体惯性压降、黏性压降和屈服压降三部分组成。

19、在本发明一较佳实施例中，所述左、右液压腔体在所述左、右活塞背离对应有效液腔的一侧分别形成非有效腔；所述左、右液压腔体的非有效腔分别与各自的补偿腔或低压腔连通，或分别经呼吸阀与外部大气连通，并可选配柔性隔膜腔、蓄能器或限压旁通阀，限压旁通阀在液压回路压力超过预设阈值时开启，以补偿磁流变液热膨胀并限制峰值压力。

20、在本发明一较佳实施例中，所述电磁控制组件包括电磁线圈和导磁件，所述导磁件包括套设于所述电磁线圈外周的导磁套管以及与所述导磁套管磁连接并靠近所述磁控流道设置的导磁端部，所述导磁端部与所述导磁套管共同形成面向所述磁控流道的磁路开口。

21、在本发明一较佳实施例中，还包括传感器组件、控制器和电流驱动器；

22、所述传感器组件用于采集第一连接端与第二连接端之间的相对位移、相对速度或相对加速度的状态量；

23、所述控制器依据所述状态量计算目标输出力或目标阻尼参数，并根据预先标定的激励电流与装置输出特性之间的映射关系确定激励电流指令；

24、所述电流驱动器根据所述激励电流指令向所述电磁控制组件输出激励电流，实现闭环半主动控制；

25、在失电状态下，所述电磁控制组件不接收激励电流，所述装置依靠所述左、右飞轮产生的基础机械惯容以及磁流变液的本征流动阻抗形成被动输出。

26、本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

27、（1）同链同步耦合。第一连接端与第二连接端之间的相对运动经丝杠—螺母转换后，同时驱动左右飞轮旋转及左右活塞往复运动，使机械飞轮惯容作用和磁流变液的液压作用由同一两端口运动输入同步产生，而非采用相互独立的惯容器和阻尼器进行简单串联或并联。

28、（2）有效液腔体积互补。左、右活塞具有相等的有效受压面积，并在左右传动组件作用下产生大小相等、方向相同的线性位移；通过第一、第二有效液腔相对于活塞运动方向的对应布置，使两个有效液腔形成等量反向的容积变化，从而建立闭合的磁流变液往复循环，可降低由于腔体容积不匹配造成的负压、气穴和压力脉动风险。

29、（3）机械惯容与磁控流道的液压输出同时形成。左、右飞轮提供基础机械惯容，磁流变液在连通两个有效液腔的流通通道中产生流体惯性和流动阻力作用；通过调节磁控流道的磁场强度，可改变磁流变液的屈服应力和流动阻抗，从而调节装置的复合动力学输出。

30、（4）磁流变液与机械啮合区域相互隔离。齿条通过连接杆或连接臂驱动对应活塞，并在液压腔体端盖处密封，使齿轮齿条啮合区域与磁流变液工作腔分离，从而降低机械磨屑进入磁流变液工作回路的风险。