專利名稱：一種磁流變液流變特性的測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種可控流體材料的流變特性的測(cè)試系統(tǒng)，尤其是指一種磁流變
液的測(cè)試裝置。
背景技術(shù)：
磁流變液是一種新型的智能流體材料，流變特性通過(guò)磁場(chǎng)可控是其最基本的特 征。在外部磁場(chǎng)的作用下，其表觀粘度發(fā)生顯著的變化，由液體變?yōu)轭惞腆w，剪切屈服強(qiáng)度 發(fā)生數(shù)量級(jí)的變化，這種特性使得它成為近年來(lái)研究的熱門材料。對(duì)磁流變液的流變特性 進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)試和評(píng)估是應(yīng)用本材料的前提。 現(xiàn)有技術(shù)中磁流變液流變特性的測(cè)試裝置采用了平行的雙圓盤式的結(jié)構(gòu)，圓盤由 軟磁材料制造。勵(lì)磁線圈與圓盤同軸或軸線平行放置，當(dāng)電流通過(guò)勵(lì)磁線圈后，兩圓盤間產(chǎn) 生垂直穿透圓盤盤面的磁場(chǎng)，從而使其間的磁流變液產(chǎn)生磁流變效應(yīng)。上圓盤的作旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)，下圓盤固定，造成中間磁流變液的剪切流動(dòng)，通過(guò)測(cè)量傳遞的扭矩可獲得磁流變液的剪 切強(qiáng)度值。 這種結(jié)構(gòu)具有以下不足 1.由于兩個(gè)圓盤的直徑遠(yuǎn)大于其間隙的厚度，而且兩圓盤間存在較強(qiáng)的磁力吸引 作用，因此由于兩個(gè)圓平面加工精度的影響和在使用中受到不平衡磁力的作用，間隙的厚 度易發(fā)生波動(dòng)，造成磁流變液膜厚度的波動(dòng)。 2.用于調(diào)整圓盤間距的螺紋絲杠的配合間隙會(huì)造成圓盤間隙的實(shí)際值和設(shè)定值 的誤差。 3.在圓盤結(jié)構(gòu)中，剪切速率沿徑向分布是不均勻的。 4.空間開(kāi)放式的線圈易產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)泄露，造成圓盤處的磁場(chǎng)分布不均勻，如
圓盤邊緣處磁場(chǎng)方向與剪切方向不垂直，并可能影響扭矩傳感器。 5.圓盤旋轉(zhuǎn)會(huì)由于離心力造成磁流變液向圓周流動(dòng)，產(chǎn)生表面彎月效應(yīng)。 因此在剪切速率不均勻和磁場(chǎng)強(qiáng)度不均勻的情況下，對(duì)圓盤進(jìn)行面積分得到的扭
矩必然會(huì)存在較大誤差，所以這種結(jié)構(gòu)無(wú)法準(zhǔn)確和可靠地測(cè)試磁流變液的流變特性。
發(fā)明內(nèi)容 為克服平行的雙圓盤式結(jié)構(gòu)的缺陷，本實(shí)用新型提出了一種環(huán)狀液膜剪切式的磁 流變液測(cè)試裝置。該裝置包括驅(qū)動(dòng)組件、磁流變液剪切組件、電磁鐵組件、扭矩傳遞組件、扭 矩傳感器、支撐架和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)組件由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)盤和攪動(dòng)磁環(huán)組成，用于驅(qū)動(dòng)磁流變液剪切組件內(nèi)的 磁流變液膜產(chǎn)生剪切運(yùn)動(dòng)。 磁流變液剪切組件由磁流變液槽、兩個(gè)固定磁環(huán)和磁流變液組成，兩個(gè)磁環(huán)固定 在磁流變液槽的內(nèi)壁上，磁流變液填充在兩個(gè)固定磁環(huán)和攪動(dòng)磁環(huán)之間的縫隙里形成磁流 變液膜。攪動(dòng)磁環(huán)受步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)其兩側(cè)的磁流變液膜作剪切流動(dòng)并產(chǎn)生扭矩。[0014] 電磁鐵組件用于產(chǎn)生磁場(chǎng)并將磁流變液剪切組件的扭矩傳遞給扭矩傳遞組件，包 括電磁鐵殼、電磁鐵芯、線圈和線圈擋板。線圈纏繞在電磁鐵芯上，通過(guò)線圈擋板限定其位 置，電磁鐵芯和電磁鐵殼通過(guò)螺釘固定連接。 扭矩傳遞組件包括扭矩傳遞軸、軸承座、軸承蓋和兩個(gè)推力球軸承，兩個(gè)推力球軸 承上下夾緊扭矩傳遞軸，軸承座和軸承蓋通過(guò)螺釘壓緊推力球軸承。扭矩傳遞組件用于將 電磁鐵組件的扭矩傳遞給扭矩傳感器，并消除電磁鐵組件的徑向擾動(dòng)。 支撐架包括上平臺(tái)、中平臺(tái)、底板和四根支柱，上述各組件及扭矩傳感器均固定連 接在支撐架上。 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)包括扭矩檢測(cè)、磁場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制和電流強(qiáng) 度控制裝置，用于采集扭矩傳感器的扭矩信號(hào)，還用于采集磁流變液剪切組件中的磁場(chǎng)強(qiáng) 度信號(hào)，還用于向驅(qū)動(dòng)組件提供控制信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還用于控制電磁鐵組件 內(nèi)線圈的電流強(qiáng)度。 本裝置的漏磁很小，裝夾方便，測(cè)試過(guò)程中磁流變液膜的厚度穩(wěn)定，測(cè)試精度較 高，無(wú)磁流變液離心現(xiàn)象，測(cè)試過(guò)程能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

圖1是本實(shí)用新型的機(jī)械裝置剖面示意圖； 圖2是本實(shí)用新型的電磁鐵殼的俯視圖，顯示霍爾片開(kāi)孔方式； 圖3是測(cè)試系統(tǒng)總成。
具體實(shí)施方式
本裝置適用于磁流變液的剪切強(qiáng)度測(cè)試，包括驅(qū)動(dòng)組件、磁流變液剪切組件、電磁
鐵組件、扭矩傳遞組件、扭矩傳感器、支撐架和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。 如附圖1所示，本實(shí)用新型具體結(jié)構(gòu)如下 驅(qū)動(dòng)組件由步進(jìn)電機(jī)1、驅(qū)動(dòng)盤3和攪動(dòng)磁環(huán)4組成，為整個(gè)測(cè)試裝置提供動(dòng)力。 驅(qū)動(dòng)盤3由非磁性材料鋁制成，通過(guò)螺釘固定連接在步進(jìn)電機(jī)1的輸出軸上，攪動(dòng)磁環(huán)4通 過(guò)過(guò)盈配合固定在驅(qū)動(dòng)盤3上，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)螺釘固定在上平臺(tái)2上。 磁流變液剪切組件包括液槽21、大磁環(huán)5、小磁環(huán)6及盛裝的磁流變液。液槽21 的兩個(gè)內(nèi)壁分別通過(guò)過(guò)盈配合固定了大磁環(huán)5和小磁環(huán)6，在兩個(gè)磁環(huán)5、6形成的空隙內(nèi)填 充待測(cè)的磁流變液。由于磁流變液的磁導(dǎo)率較小，液槽由非磁性材料鋁制造，原因是為了避 免磁力線優(yōu)先穿過(guò)液槽底面而造成磁流變液的磁場(chǎng)損失。磁環(huán)4、5、6均由軟磁材料(電工 純鐵)制成，三個(gè)磁環(huán)同心放置，將填充的磁流變液分割為兩個(gè)同心的液膜，攪動(dòng)磁環(huán)4的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和固定磁環(huán)5、6的固定使得兩個(gè)磁流變液膜均發(fā)生剪切運(yùn)動(dòng)。磁環(huán)5、6的作用是 防止測(cè)試過(guò)程中磁流變液發(fā)生"邊界滑移"現(xiàn)象。本磁流變液剪切組件的作用是盛裝磁流 變液并通過(guò)剪切運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生扭矩。 電磁鐵組件包括電磁鐵殼8、電磁鐵芯9、勵(lì)磁線圈7和線圈擋板19。勵(lì)磁線圈7 為銅質(zhì)導(dǎo)線，繞在電磁鐵芯9上，線圈擋板19用來(lái)固定線圈。電磁鐵芯9與電磁鐵殼8均 由電工純鐵制成，通過(guò)螺釘連接在一起，與液槽21及槽內(nèi)填充的磁流變液共同構(gòu)成了閉合 的磁回路。在電磁鐵殼8的邊緣處開(kāi)一個(gè)方孔放置用來(lái)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的霍爾片20。為防止線圈擋板19與電磁鐵殼8的徑向間隙過(guò)小發(fā)生磁場(chǎng)泄露，線圈擋板19由鋁制成。本電 磁鐵組件通過(guò)螺釘與磁流變液剪切組件固定連接，是整個(gè)測(cè)試裝置的磁場(chǎng)發(fā)生器，并負(fù)責(zé) 傳遞產(chǎn)生的扭矩。 扭矩傳遞組件包括扭矩傳遞軸10、軸承座15、軸承蓋16和兩個(gè)推力球軸承17、 18。 推力球軸承17、 18從上下兩個(gè)方向夾住扭矩傳遞軸10，放置在軸承座15上，軸承蓋16通過(guò) 螺釘壓緊兩個(gè)推力軸承17、18，并把整個(gè)軸承組件固定在中平臺(tái)11上，因此扭矩傳遞軸10 被限制只能作軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。電磁鐵芯9通過(guò)螺釘與扭矩傳遞軸10固定連接，因此電磁鐵組件 也被限制只能作軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而避免了電磁鐵組件在液槽位置因受徑向的磁力作用而發(fā)生 徑向擾動(dòng)，保證了磁流變液膜厚度的穩(wěn)定性。為防止電磁鐵的漏磁場(chǎng)干擾扭矩傳感器12，軸 承座15和軸承蓋16均由鋁制成，扭矩傳遞軸10由銅制成。 扭矩傳感器12與扭矩傳遞軸10為方槽直插連接，并通過(guò)螺釘固定在底板14上， 用來(lái)將扭矩傳遞軸10傳來(lái)的扭矩轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送入數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。 以上各組件互相連接，構(gòu)成了完整的扭矩發(fā)生與傳遞路徑。上平臺(tái)2、中平臺(tái)ll及 底板14通過(guò)四根立柱13組成了整個(gè)測(cè)試裝置的支撐架，用以固定各組件。 以上為磁流變液測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)械部分。 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的功能包括步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、磁場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)、電流強(qiáng)度 控制和扭矩測(cè)量通過(guò)向步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器提供不同頻率的脈沖信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速； 通過(guò)向數(shù)控恒流電源提供控制信號(hào)控制其向磁鐵線圈供電的電流強(qiáng)度；同步采集磁場(chǎng)強(qiáng)度 信號(hào)和扭矩信號(hào)，將扭矩值轉(zhuǎn)換成磁流變液的剪切強(qiáng)度值，并將磁場(chǎng)強(qiáng)度值、剪切速率與剪 切強(qiáng)度值同時(shí)保存。
磁流變液測(cè)試系統(tǒng)的工作過(guò)程 磁流變液填充在固定磁環(huán)5、6和攪動(dòng)磁環(huán)4之間的縫隙里，形成兩個(gè)很薄的磁流 變液膜，勵(lì)磁線圈7產(chǎn)生的磁場(chǎng)經(jīng)由閉合的磁回路沿徑向垂直穿過(guò)這兩個(gè)磁流變液膜。步 進(jìn)電機(jī)1受控旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)盤3帶動(dòng)攪動(dòng)磁環(huán)4在磁流變液里旋轉(zhuǎn)，使兩個(gè)磁流變液膜 作剪切運(yùn)動(dòng)。由于磁流變液在磁場(chǎng)作用下表觀粘度增大，因此能將電機(jī)的扭矩傳遞到電磁 鐵組件上。電磁鐵組件與扭矩傳遞組件相連，最終將扭矩傳遞到扭矩傳感器12上進(jìn)行采 集，采集到的扭矩信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算將扭矩值轉(zhuǎn)化為 剪切強(qiáng)度值?？刂葡到y(tǒng)還同時(shí)采集霍爾片20的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)，通過(guò)向步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器提 供不同頻率的脈沖信號(hào)來(lái)控制其轉(zhuǎn)速，通過(guò)向數(shù)控恒流電源提供控制信號(hào)來(lái)控制其供電電 流強(qiáng)度。因此剪切速率、磁場(chǎng)強(qiáng)度值和剪切強(qiáng)度值能同時(shí)被系統(tǒng)記錄?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)采集 與控制系統(tǒng)改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與數(shù)控恒流電源的供電強(qiáng)度，以在不同的剪切速率和磁場(chǎng) 強(qiáng)度下測(cè)量磁流變液的剪切強(qiáng)度。 較之平行雙圓盤式的結(jié)構(gòu)，本環(huán)狀液膜剪切式的結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn) 1.磁流變液在液槽內(nèi)形成兩個(gè)磁流變液膜，磁場(chǎng)沿徑向垂直穿過(guò)這兩個(gè)液膜，因
此磁場(chǎng)方向嚴(yán)格垂直于剪切運(yùn)動(dòng)方向，測(cè)得的數(shù)值即為嚴(yán)格意義上的剪切強(qiáng)度值。有效避
免了傳統(tǒng)的雙圓盤式結(jié)構(gòu)在圓盤邊緣處磁場(chǎng)方向與剪切運(yùn)動(dòng)方向不垂直的缺陷。 2.可通過(guò)增大液槽的直徑，在較低的轉(zhuǎn)速下獲得較高的剪切速率，并且能避免離
心力造成的"邊厚芯薄"的表面彎月現(xiàn)象；同時(shí)雙邊剪切模式使得磁流變液傳遞的扭矩增大
一倍，可有效提高扭矩的測(cè)試精度，進(jìn)而提高測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度。
5[0037] 3.磁流變液膜的厚度取決于相鄰磁環(huán)的內(nèi)外徑，其精度由磁環(huán)的機(jī)械加工精度保 證，且與測(cè)試操作過(guò)程中的裝卡無(wú)關(guān)。因此避免了在雙圓盤式結(jié)構(gòu)由于裝夾造成的磁流變 液厚度的誤差。 一般磁流變液材料測(cè)試時(shí)只需取幾個(gè)特征厚度值，因此可以通過(guò)加工不同 厚度的磁環(huán)來(lái)獲得不同的磁流變液膜特征厚度值。 4.剪切力集中產(chǎn)生在磁流變液剪切組件的液槽處，各磁環(huán)的半徑均為常數(shù)，因此 扭矩的計(jì)算大為簡(jiǎn)化，避免了雙圓盤式結(jié)構(gòu)需要采用面積分方法計(jì)算扭矩的缺陷，避免了 由于剪切速率不均勻和磁場(chǎng)不均勻?qū)Y(jié)果造成的誤差。 5.線圈采用封閉式的設(shè)計(jì)，磁路閉合，磁場(chǎng)均勻，漏磁極小。閉合的磁路大大降低 了漏磁對(duì)扭矩傳感器的影響。磁場(chǎng)強(qiáng)度可通過(guò)霍爾片進(jìn)行精確地測(cè)量。
權(quán)利要求一種磁流變液流變特性的測(cè)試裝置，包括驅(qū)動(dòng)組件、磁流變液剪切組件、電磁鐵組件、扭矩傳遞組件、扭矩傳感器、支撐架和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，其特征為所述驅(qū)動(dòng)組件由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)盤和攪動(dòng)磁環(huán)組成，攪動(dòng)磁環(huán)和驅(qū)動(dòng)盤通過(guò)過(guò)盈配合固定連接；所述磁流變液剪切組件由磁流變液槽、兩個(gè)固定磁環(huán)和磁流變液組成，兩個(gè)磁環(huán)固定在磁流變液槽的內(nèi)壁上，磁流變液填充在兩個(gè)固定磁環(huán)中間；所述電磁鐵組件由電磁鐵殼、電磁鐵芯、線圈和線圈擋板組成，線圈纏繞在電磁鐵芯上，通過(guò)線圈擋板限定位置，電磁鐵芯和電磁鐵殼通過(guò)螺釘固定連接；所述扭矩傳遞組件包括扭矩傳遞軸、軸承座、軸承蓋和兩個(gè)推力球軸承，兩個(gè)推力球軸承上下夾緊扭矩傳遞軸，軸承座和軸承蓋通過(guò)螺釘連接并壓緊推力球軸承；所述支撐架包括上平臺(tái)、中平臺(tái)、底板和四根支柱，上述各組件及所述扭矩傳感器均固定連接在支撐架上；所述數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)包括扭矩檢測(cè)、磁場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制和電流強(qiáng)度控制裝置，用于采集所述扭矩傳感器的扭矩信號(hào)，還用于采集所述磁流變液剪切組件中的磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)，還用于向所述驅(qū)動(dòng)組件的步進(jìn)電機(jī)提供控制信號(hào)來(lái)控制其轉(zhuǎn)速，還用于控制所述電磁鐵組件內(nèi)線圈的電流強(qiáng)度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁流變液測(cè)試裝置，其特征為所述驅(qū)動(dòng)組件的攪動(dòng)磁環(huán)和所述磁流變液剪切組件的兩個(gè)固定磁環(huán)同心放置，在其間隙中填充磁流變液形成磁流變液膜，所述攪動(dòng)磁環(huán)旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)其兩側(cè)的磁流變液膜作剪切流動(dòng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1及權(quán)利要求2所述的磁流變液測(cè)試裝置，其特征為磁流變液槽由非磁性材料制造，兩個(gè)固定磁環(huán)和攪動(dòng)磁環(huán)由軟磁材料制造。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁流變液測(cè)試裝置，其特征為磁流變液剪切組件通過(guò)螺釘固定連接在電磁鐵組件上，磁力線通過(guò)電磁鐵芯、電磁鐵殼和磁流變液剪切組件形成閉合的回路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁流變液測(cè)試裝置，其特征為扭矩傳遞組件的軸承座和軸承蓋均由非磁性材料鋁制造，扭矩傳遞軸由非磁性材料銅制造，扭矩傳遞軸與扭矩傳感器通過(guò)方槽直插連接，扭矩傳感器放置在裝置的最下端。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁流變液測(cè)試裝置，其特征為所述驅(qū)動(dòng)組件的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和所述電磁鐵組件的線圈的電流強(qiáng)度均通過(guò)所述數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)自動(dòng)控制。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種環(huán)狀液膜剪切式的磁流變液測(cè)試裝置。它通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)磁環(huán)旋轉(zhuǎn)，使磁環(huán)兩側(cè)的環(huán)狀磁流變液膜作剪切運(yùn)動(dòng)，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿徑向垂直穿過(guò)磁流變液膜。在磁場(chǎng)作用下，磁流變液的表觀粘度增大，將電機(jī)的扭矩最終傳遞到扭矩傳感器上，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量傳遞的扭矩值計(jì)算磁流變液的剪切強(qiáng)度值，同時(shí)通過(guò)霍爾片采集磁場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)，并通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制剪切速率。本實(shí)用新型對(duì)平行圓盤式的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)做了較大的改進(jìn)，避免了離心力的影響，使得磁流變液膜的剪切運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，并減小了漏磁，提高了磁場(chǎng)均勻度，提高了測(cè)試的精度。
文檔編號(hào)G01N11/14GK201517988SQ20092015828
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日
發(fā)明者余黎明, 夏云玲, 趙海濤 申請(qǐng)人:趙海濤