CN101249820A - 基于磁流变技术的汽车碰撞缓冲装置及缓冲吸能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于磁流变技术的汽车碰撞缓冲装置及缓冲吸能方法，缓冲装置包括汽车保险杠、通过法兰盘安装在保险杠与车架横梁之间的磁流变缓冲器以及反馈回路，其中磁流变缓冲器由螺旋弹簧、励磁铁心、活塞、活塞杆、缸筒、磁流变液、第一励磁线圈、磁流变弹性体以及第二励磁线圈组成，反馈回路由第一加速度传感器、第二加速度传感器以及控制器组成，控制器在汽车碰撞发生的瞬间，判断加速度传感器加速度信号差值是否超过设定阈值，并根据碰撞的速度不同，自适应调节输出至第一励磁线圈和第二励磁线圈的电流，改变汽车的碰撞缓冲系统的刚度和阻尼，从而降低碰撞对乘员损伤和汽车的损失。
Description
技术领域
本发明属于汽车被动安全的汽车防护装置，具体涉及一种汽车碰撞吸能装置及缓冲吸能方法。
背景技术
汽车安全是汽车发展的永恒课题，而汽车的被动安全保护又是其中最主要的一个方面。调查结果表明，汽车的主动安全性再好，也只能避免5％的事故，因此汽车的被动安全性对汽车安全水平影响比较大。目前的用于提高汽车被动安全性的碰撞缓冲装置根据其结构形式可分为三类：第一类为结构形式简单、成本低廉的简易非金属材料缓冲装置；第二类是由横杠、内衬加强件和树脂类的泡沫填料等组成；第三类则带有缓冲减振器，一般使用气体和液体混合的缓冲器。上述第一类的缓冲吸能特性最差，在碰撞时极易变形，起不到应有的保险作用，常用于低档经济型轿车以减轻重量和降低成本。第二类则通过增加泡沫填料提高吸能特性，这种缓冲装置具有一次性特点，碰撞变形后需要更换，多用于中档轿车上。第三类虽具有较好的缓冲吸能特性，但也只能针对特定的碰撞条件，不具有自适应。这些措施的本质都主要是在碰撞的瞬间降低对驾乘人员的冲击，但这些冲击力虽有一定程度的衰减，但绝大部分的冲击力仍然被传递到车架，因此对车辆与人身双保险的汽车碰撞防护装置是当今汽车被动安全的重点研究方向。美国专利(US6836717B2)提出了一种汽车针对低速碰撞的主动能量吸振系统，但只能变阻尼。国内也有专利(CN1222432C，CN1218851C，CN85204644U，CN1217267A)采用机械、液压或气压等方式对碰撞振动能量的吸收，但这些只能针对特定的碰撞强度设计，不能根据碰撞强度的不同自适应调节系统的特性参数。而近年来发展起来的磁流变液和磁流变弹性体，作为两种智能材料各有特点，磁流变液通常工作于屈服后的状态，改变阻尼，磁流变弹性体只能工作于屈服前的状态，调节刚度，因此如考虑两者的耦合效应，将其应用于汽车碰撞缓冲装置中，能够根据碰撞强度不同自适应调节系统的刚度和阻尼，从而降低由于碰撞造成的损失和伤害。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于磁流变技术的汽车碰撞缓冲装置，在汽车碰撞发生的瞬间，根据碰撞速度不同，自适应地调节碰撞缓冲系统刚度和阻尼，从而降低碰撞对乘员损伤和汽车造成的损失。
本发明的目的是采用下述方案来实现的：
一种基于磁流变技术的汽车碰撞缓冲装置，该装置包括螺旋弹簧、磁流变缓冲单元和反馈回路，所述磁流变缓冲单元包括磁流变液变阻尼单元和磁流变弹性体变刚度单元，所述磁流变液变阻尼单元和所述磁流变弹性体变刚度单元串联连接，该磁流变缓冲单元与所述螺旋弹簧平行置于汽车保险杠和车架横梁之间；
所述反馈回路由加速度传感器以及控制器组成，所述加速度传感器通过信号线与控制器相连，控制器通过控制线与所述磁流变缓冲单元相连；
本发明还提出一种根据上述磁流变技术的汽车碰撞缓冲装置实现的缓冲吸能方法，根据加速度传感器感知的加速度信号差值与阈值的比较结果，由控制器自适应调节向磁流变缓冲单元输出控制信号，改变汽车的磁流变缓冲单元的刚度和阻尼，从而降低碰撞对乘员损伤和汽车的损失。
本发明的优点如下：
1、通过改变励磁线圈中的电流可以控制穿过磁流变弹性体和磁流变液的磁场，从而可以根据碰撞强度的不同调节缓冲器的刚度和阻尼。
2、磁流变液变阻尼与磁流变弹性体变刚度串联布置，自适应补偿活塞拉伸和压缩时由于活塞杆造成的体积差。
3、当碰撞强度不大时，依靠螺旋弹簧吸收能量，控制器不输出电流，能量最后耗散于磁流变阻尼，当碰撞强度较大时，励磁铁心与保险杠接触，碰撞能量由磁流变弹性体和螺旋弹簧吸收，控制器根据碰撞速度不同，自适应地输出三种不同的电流，改变碰撞缓冲系统的刚度和阻尼。
4、由于磁流变效应明显，本发明结构比较紧凑，只需在通过改装现有的汽车保险杠即可，碰撞强度不大时可重复利用，因此具有比较高的性价比。
总之，这种装置能够实时调节系统的刚度和阻尼，充分发挥磁流变液与磁流变弹性体各自的特点，在较宽的频带下，耗散汽车的碰撞能量。
附图说明
图1是汽车碰撞缓冲装置与汽车之间的安装及结构示意图；
图中：1-汽车保险杠、2-第一法兰盘、3-螺旋弹簧、4-励磁铁心、5-活塞、6-活塞杆、7-缸筒、8-第二法兰盘、9-控制器、10-第一加速度传感器、11-磁流变液、12-第一励磁线圈、13-磁流变弹性体、14-第二励磁线圈、15-第二加速度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述：
本发明首先公开了一种基于磁流变技术的汽车碰撞缓冲装置，该装置包括螺旋弹簧3、磁流变缓冲单元和反馈回路，所述磁流变缓冲单元包括磁流变液变阻尼单元和磁流变弹性体变刚度单元，所述磁流变液变阻尼单元和所述磁流变弹性体变刚度单元串联连接，该磁流变缓冲单元与所述螺旋弹簧3平行置于汽车保险杠1和车架横梁之间；所述反馈回路由分别设置在磁流变液变阻尼单元前方和后方的第一加速度传感器15和第二加速度传感器10以及控制器9组成，所述第一加速度传感器15和第二加速度传感器10通过信号线与控制器9相连，控制器9通过控制线与所述磁流变缓冲单元相连；根据第一加速度传感器15和第二加速度传感器10感知的加速度信号差值与阈值的比较结果，由控制器自适应调节向磁流变缓冲单元输出控制信号，改变汽车的碰撞缓冲系统的刚度和阻尼，从而降低碰撞对乘员损伤和汽车的损失。
如图1所示，本发明所涉及的汽车碰撞缓冲器包括汽车保险杠1、通过法兰盘安装在保险杠与车架横梁之间螺旋弹簧3、磁流变缓冲器以及反馈回路，磁流变缓冲器由安装在磁流变液变阻尼单元前端的励磁铁心4、活塞5、活塞杆6、缸筒7、磁流变液11、绕制于活塞的第一励磁线圈12、磁流变弹性体13以及缠绕在励磁铁心4上的第二励磁线圈14组成，反馈回路由第一加速度传感器10、第二加速度传感器15以及控制器9组成。螺旋弹簧3固定在与保险杠连接的第一法兰盘2和与车架横梁连接的第二法兰盘8之间。
缸筒7、活塞5、活塞杆6、第一励磁线圈12构成一个变阻尼单元，活塞杆的上端固定在第二法兰盘8上；在缸筒7内底部布置励磁铁心4和第二励磁线圈14，并在缸筒7和励磁铁心4之间布置磁流变弹性体13构成变刚度单元，磁流变液变阻尼单元与磁流变弹性体变刚度单元形成串联布置。
第一加速度传感器15设置在第一法兰盘2中心位置上；第二加速度传感器10设置在活塞杆7与车架的连接处。第一加速度传感器10和第二加速度传感器15的信号线，以及第一励磁线圈12和第二励磁线圈14的控制线分别连接控制器9。
本发明还提出一种根据上述磁流变技术的汽车碰撞缓冲装置实现的缓冲吸能方法，根据第一加速度15和第二加速度10感知的加速度信号差值与阈值的比较结果，由控制器自适应调节向磁流变缓冲单元输出控制信号，改变汽车的碰撞缓冲系统的刚度和阻尼，从而降低碰撞对乘员损伤和汽车的损失。下面通过列举具体数字对本方法进行说明。
控制器9在汽车碰撞发生的瞬间，计算置于保险杠的第二加速度传感器15与置于车架的第一加速度传感器10感知的加速度信号差值与控制器事先设置的最大值之比，如果加速度信号差值与阈值的比值介于0～1/9，依靠螺旋弹簧吸收能量，控制器不输出控制信号，如果比值介于1/9～1/3，控制器输出最大幅值电流的1/3至第一励磁线圈12和第二励磁线圈14，如果比值介于1/3～2/3，控制器输出最大幅值电流的2/3至第一励磁线圈12和第二励磁线圈14，如果比值介于2/3～1，控制器输出最大幅值电流至第一励磁线圈12和第二励磁线圈14，改变碰撞缓冲系统的刚度和阻尼，从而降低碰撞对乘员和汽车造成的损伤。碰撞结束后，控制器发出断电指令，磁流变弹性体和螺旋弹簧原形，活塞恢复到初始状态。
本发明按照较佳实施特例进行了说明，但是本发明并不仅限于上述实施例，凡是符合本申请的发明精神，采用等同替换或等效变换(如变刚度单元和变阻尼单元并联)的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1、一种基于磁流变技术的汽车碰撞缓冲装置，该装置包括螺旋弹簧(3)、磁流变缓冲单元和反馈回路，其特征为：
所述磁流变缓冲单元包括磁流变液变阻尼单元和磁流变弹性体变刚度单元，所述磁流变液变阻尼单元和所述磁流变弹性体变刚度单元串联连接，该磁流变缓冲单元与所述螺旋弹簧(3)平行置于汽车保险杠(1)和车架横梁之间；
所述反馈回路由第一加速度传感器(15)和第二加速度传感器(10)以及控制器(9)组成，所述第一加速度传感器(15)和第二加速度传感器(10)通过信号线与控制器(9)相连，控制器(9)通过控制线与所述磁流变缓冲单元相连；
根据第一加速度传感器(15)和第二加速度传感器(10)感知的加速度信号差值与阈值的比较结果，由控制器自适应调节向磁流变缓冲单元输出控制信号，改变汽车的磁流变缓冲单元的刚度和阻尼，从而降低碰撞对乘员损伤和汽车的损失。
2、根据权利要求1所述的汽车碰撞缓冲装置，其特征为：
所述磁流变液变阻尼单元由缸筒(7)、配置于缸筒(7)内的活塞(5)、连接于活塞(5)顶部的活塞杆(6)、缸筒(7)内的磁流变液(11)以及绕制于活塞上的第一励磁线圈(12)组成，活塞杆(6)的另一端与车架横梁连接，磁流变液变阻尼单元的缸筒(7)底部与保险杠之间留有距离；
所述磁流变弹性体变刚度单元设置于缸筒(7)底部，由布置于缸筒(7)和励磁铁心(4)之间的磁流变弹性体(13)以及缠绕在励磁铁心(4)上的第二励磁线圈(14)构成，所述励磁铁心(4)安装在磁流变液变阻尼单元的前端。
3、根据权利要求1或2所述的汽车碰撞缓冲装置，其特征为：所述磁流变缓冲单元以及所述螺旋弹簧(3)安装于汽车保险杠(1)和车架横梁之间，该磁流变缓冲单元通过活塞杆(6)固定在车架横梁上的第二法兰盘(8)与车架横梁连接，所述螺旋弹簧(3)通过固定在汽车保险杠(1)上第一法兰盘(2)和固定在车架横梁上的第二法兰盘(8)分别与汽车保险杠(1)和车架横梁连接，所述磁流变缓冲单元平行置于螺旋弹簧(3)内。
4、根据权利要求3所述的汽车碰撞缓冲装置，其特征为：所述第一加速度传感器(15)设置在第一法兰盘(2)中心位置上，第二加速度传感器(10)设置在活塞杆(6)与第二法兰盘(8)连接的位置处，所述的加速度信号差值为第一加速度传感器(15)所感知的加速度信号与第二加速度传感器(10)所感知的加速度信号差值的绝对值。
5、根据权利要求1或2所述的汽车碰撞缓冲装置，其特征为：由控制器(9)向磁流变缓冲单元输出的所述控制信号为输入至第一励磁线圈(12)以及第二励磁线圈(14)的励磁电流信号。
6、根据权利要求5所述的汽车碰撞缓冲装置，其特征为：控制器(9)分大、中、小三级自适应调节输入给第一励磁线圈(12)、第二励磁线圈(14)的励磁电流信号。
7、一种基于磁流变技术的汽车碰撞缓冲吸能方法，该方法通过螺旋弹簧(3)、磁流变缓冲单元和反馈回路实现，其特征为：
所述磁流变缓冲单元包括磁流变液变阻尼单元和磁流变弹性体变刚度单元，所述磁流变液变阻尼单元和所述磁流变弹性体变刚度单元串联连接，该磁流变缓冲单元与所述螺旋弹簧(3)平行置于汽车保险杠(1)和车架横梁之间，螺旋弹簧(3)连接于汽车保险杠(1)和车架横梁之间，磁流变缓冲单元只与车架横梁，并与汽车保险杠(1)之间留有距离；
所述反馈回路由分别设置在磁流变液变阻尼单元前方和后方的第一加速度传感器(15)和第二加速度传感器(10)以及控制器(9)组成，所述第一加速度传感器(15)和第二加速度传感器(10)通过信号线与控制器(9)相连，控制器(9)通过控制线与所述磁流变缓冲单元相连；
根据第一加速度传感器(15)和第二加速度传感器(10)感知的加速度信号差值与阈值的比较结果，由控制器(9)自适应调节向磁流变缓冲单元输出控制信号，改变汽车的磁流变缓冲单元的刚度和阻尼，从而降低碰撞对乘员损伤和汽车的损失。
8、根据权利要求7所述的方法，其特征为：所述的加速度信号差值为第一加速度传感器(15)所感知的加速度信号与第二加速度传感器(10)所感知的加速度信号差值的绝对值；由控制器(9)向磁流变缓冲单元输出所述控制信号为输入至第一励磁线圈(12)以及第二励磁线圈(14)的励磁电流信号。
9、根据权利要求8所述的方法，其特征为：
当加速度信号差值与阈值的比值介于0～1/9，属于碰撞强度不大的情况，依靠螺旋弹簧吸收能量，控制器不输出控制信号；
当加速度信号差值与阈值的比值介于1/9～1/3，控制器(9)输出最大幅值电流的1/3至第一励磁线圈(12)和第二励磁线圈(14)；
当加速度信号差值与阈值的比值介于1/3～2/3，控制器(9)输出最大幅值电流的2/3至第一励磁线圈(12)和第二励磁线圈(14)；
当加速度信号差值与阈值的比值介于2/3～1，控制器(9)输出最大幅值电流至第一励磁线圈(12)和第二励磁线圈(14)。
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