CN104088953B - 一种活塞净横截面面积可调的磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种阻尼器，尤其涉及磁流变阻尼器，尤其是涉及一种活塞净横截面面积可调的磁流变阻尼器，包括两个重叠的同轴活塞‑主活塞和副活塞，通过两个活塞径向相对转动，调节净横截面积，改善阻尼性能；主活塞和副活塞之间的径向相对转动可以通过电机带动其中一方进行径向运动而限制另外一方相对径向运动，或者通过在活塞缸内壁设置与副活塞外周的凸耳/齿牙相配合的螺旋倾斜的导向槽，当副活塞随主活塞上下轴向运动时，由于凸耳/齿牙与导向槽之间的抵推作用而产生主活塞和从活塞的相对径向运动，上述阻尼器可以实现一器多用，可以实现同一阻尼器同时具备各种模式，例如流动阀模式、剪切模式、挤压模式及三者的组合模式等，降低生产成本。

Description

一种活塞净横截面面积可调的磁流变阻尼器

技术领域

本发明涉及一种阻尼器，尤其是磁流变（MR）阻尼器，尤其是涉及一种活塞净横截面面积可调的磁流变阻尼器，包括两个重叠的同轴活塞，通过两个活塞径向相对转动，调节净横截面积，拓展阻尼力调节手段，改善阻尼器性能。

背景技术

磁流变液（Magneto Rheological Fluid，MRF）是由微小金属颗粒（例如铁粉）、载体流体以及稳定剂等组成，随着外加磁场变化、具有可控流变特性的特定的非胶体性质的悬浮液体。在无磁场作用下，表现为一般流体的性质，在施加外加磁场时，磁流变液的流变学行为表现为屈服应力随着外加磁场强度线性的增加，利用该特性可以制成各种模式的阻尼器，例如流动阀模式、剪切模式、挤压模式及三者的组合模式等。以传统流动阀模式的阻尼器为例，活塞将活塞缸隔成上下两个缸室，磁流变液由活塞上的阻尼孔或单独旁路构成，磁流变液工作于半流动模式，通过调节线圈的电流或电压进而调节磁场强度来改变磁流变液的工作黏性，进而实现调节磁流变阻尼器的目的。

但是传统阻尼器的阻尼孔或单独旁路通路往往是固定结构，固定结构的阻尼孔或者旁路通路的净横截面积恒定，在相同磁场强度情况下，阻尼器的阻尼力调节范围固定，当磁场强度建立故障或者其他涉及阻尼性能可调需要时，导致出现阻尼性能不可控的技术问题，一旦阻尼器不可控容易延误正常生产甚至震坏生产设备，造成经济损失。另外传统阻尼器由于固定结构，不能实现多领域多功能的一器多用，导致振动控制成本过大。本发明旨在提供一种除磁场强度可控外，通过活塞净横截面面积可调的方式对阻尼力范围实现实时可控的装置，同时可以实现一器多用，满足多种场合领域的使用要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种活塞净横截面面积可调的磁流变阻尼器。

为达到上述目的，设置该阻尼器包括活塞与活塞缸，所述活塞与所述活塞缸装配、可无泄漏地沿轴向相对运动，其中所述活塞包括主活塞和副活塞，所述主活塞设置有主活塞杆，所述副活塞同轴地套在活塞杆上，并通过具有合适预紧力的弹簧压紧抵靠在主活塞上，使得主活塞与副活塞之间即可相对无障碍转动又不会造成磁流变液不必要的泄漏，其中，主活塞表面均匀周布设置有径向排列的阻尼孔，同时副活塞表面阻尼孔的设置（数量/形状/孔径/位置）与主活塞保持一致，基于以上结构，当主活塞在活塞缸内上下往复运动时，保持主活塞与副活塞径向相对运动，从而达到阻尼孔相对净横截面面积变化。

为达到所述主活塞和所述副活塞径向相对转动，采用设置所述主活塞杆靠近上底座端通过键连接带有齿的齿盘，所述齿盘同轴地安装在所述主活塞杆上，主活塞杆可以是单头活塞杆也可以是双头活塞杆，并通过电机进行驱动，所述电机的主轴保持与所述主活塞杆轴垂直，并通过蜗轮蜗杆方式驱动所述齿盘，所述电机的运行/停止由电子控制单元（ECU）控制，当控制单元发出运转（正转或反转）指令，所述电机主轴旋转并带动所述齿盘运动，所述齿盘通过键将运动传递给所述主活塞杆，所述主活塞杆带动所述主活塞旋转，从而实现主活塞与副活塞的相对径向运动，其中，所述副活塞可以通过弹簧端部伸出端插入副活塞相应盲孔中限定径向运动（弹簧另外相对一端伸出端插入活塞缸缸盖相应盲孔中），所述副活塞的相对径向运动的限制亦可通过如下方式实现：所述副活塞外圆周均匀设置有若干个凸耳，所述活塞缸内壁设置有与活塞缸轴线平行的若干长条状导向槽，所述凸耳数量与所述导向槽数量对应，并无间隙地卡合在所述键槽内。

为达到所述主活塞和所述副活塞径向相对转动，亦可采用如下方式：所述副活塞外圆周均匀设置有若干个凸耳，所述活塞缸内壁螺旋地设置有若干长条状导向槽，所述凸耳与所述导向槽配合，当主活塞上下往复运动时，所述凸耳受到所述导向槽的径向力，推动所述副活塞相对所述主活塞作相对地径向运动。

另外，可以根据实际应用环境需要，所述活塞缸内壁导向槽按照实际所需运动曲线进行设置，例如主活塞从活塞缸下止点运动到上止点过程中副活塞相对主活塞径向运动半周、一周或者若干周，或者主活塞从活塞缸下止点运动到上止点过程中副活塞相对主活塞径向运动先顺时针旋转后逆时针旋转，或者只顺/逆时针旋转；另外，基于上述相对运动圈数（角度）以及相对运动方向的其他多种组合，亦即以副活塞对于主活塞的相对运动角度与活塞上下行程（位置）的函数曲线关系来设置活塞缸内壁导向槽的形状；另外，同时可配合阻尼孔的设置（数量/形状/孔径/位置）实现活塞净横截面面积变化的多种形式以满足实际情况的阻尼调节需要。

基于本发明可以达到如下积极效果：可以实现除磁场强度可控外，通过活塞净横截面面积可调的方式对阻尼力大小实现调节的阻尼器，优选是缸内液体介质为磁流变液的阻尼器。

基于以上结构设计及控制系统不仅可以使得该阻尼器只进行直动式往复运动，也可以进行直动式和剪切运动，另外也可以横截面全部封闭而进行较低强度或幅值的挤压模式运动，从而可以制成各种模式的阻尼器，例如流动模式、流动与剪切组合模式、挤压模式等，实现一器多用的功能。

附图说明

图1为本发明优选实施例的横截面可调的磁流变阻尼器的剖面图；

图2A为本发明优选实施例的横截面可调的磁流变阻尼器的剖面图的A-A向视图；

图2B为本发明优选实施例的横截面可调的磁流变阻尼器的主活塞和副活塞的截面图；

图2C为本发明优选实施例的横截面可调的磁流变阻尼器的主活塞和副活塞的截面图；

图2D为本发明优选实施例的横截面可调的磁流变阻尼器的主活塞和副活塞的截面图；

图3A、3B为本发明优选实施例的横截面可调的磁流变阻尼器的活塞缸的一种顺时针/逆时针展开图；

图3C、3D为本发明优选实施例的横截面可调的磁流变阻尼器的活塞缸的另外一种顺时针/逆时针展开图；

图3E为本发明优选实施例的横截面可调的磁流变阻尼器的活塞缸的图3A、图3B展开图对应的净横截面面积S与活塞升程H之间的关系曲线；

图3F为本发明优选实施例的横截面可调的磁流变阻尼器的活塞缸的图3C、图3D展开图对应的净横截面面积S与活塞升程H之间的关系曲线；

图4为本发明优选实施例的横截面可调的磁流变阻尼器的一种实施例；

图5为为本发明优选实施例的横截面可调的磁流变阻尼器的电机工作图；

在图1-图5中，1a-主活塞杆，1b-主活塞，2-副活塞，3-活塞缸，3a-上缸室，3b-下缸室，3c-下底座，4-线圈，5-电机，6-齿盘，7-轴承，8-卡环，9-键，10-止板，11-弹簧，12-导向槽，13-凸耳，14-缸盖，15-键槽，16-上底座，17-阻尼孔，a-键槽倾斜角，W-键槽宽度，D-键槽转程，H-键槽升程，ECU-电子控制单元，S、ΔS、S1、S2、S3、S4-净横截面面积。

具体实施方式

本发明公开了一种阻尼器，优先是磁流变阻尼器，尤其适合用于需要阻尼控制的应用，在以下优选实施例中，采用改变活塞阻尼孔净横截面面积的方式实现本发明的构思，与本发明构思相关的各个部件的不同表达形式不拘泥于本实施例的具体形式。

实施例1。

图1、2A、4、5所示阻尼系统，包括电子控制单元（ECU）、阻尼器、安装底座、驱动系统。

参见图5，所述阻尼器，优选为磁流变（MR）阻尼器，包括活塞缸3、主活塞1b、副活塞2、线圈4、弹簧11、缸盖14，其中所述副活塞2同轴地套在主活塞1b 的主活塞杆1a上，并借由弹簧11预紧地抵靠在主活塞1b上，弹簧11另外一端预紧地抵靠在缸盖14上，缸盖14通过螺栓（未示出）等连接方式密封所述活塞缸3，所述主活塞1b和副活塞2安装在由活塞缸3和缸盖14组成的密闭空间里，同时把活塞缸3的缸室隔成上缸室3a和下缸室3b，缸室内设有阻尼介质，优选是磁流变液，所述线圈4缠绕在活塞缸3的外壁上，通过上述控制单元控制建立磁场，其中所述主活塞1b和副活塞2上均匀周布有沿径向排列的阻尼孔17，阻尼孔17的形状可以是圆形孔、方孔、椭圆孔、三角孔、扇形孔，径向阻尼孔列可以按照扇形、散射形等同轴周向均布，阻尼孔17的孔径大小可变化，径向阻尼孔列之间的间隔角度可以为π/12、π/6、π/3、π/2、2π/3等，具体实施例示意图参见图2B、2C、2D。

参见图4、5，其中所述安装底座包括上底座16和下底座3c，所述下底座3c与活塞缸3一体，也可以为分离式，由螺栓（未示出）等方式固连，所述上底座16通过轴承7与主活塞杆1a连接，并通过止板10限定轴向窜动，所述主活塞杆1a在靠近所述上底座16处设置有键槽15，齿盘6基于与键槽15配合的键9与所述主活塞杆1a连接，齿盘6基于蜗轮蜗杆结构与电机5主轴连接，所述电机5以电机主轴与主活塞杆1a轴线垂直的方式安装在上底座16上，所述电机5优选是步进电机，所述电机5同样由所述控制单元（ECU）控制，当所述ECU发出运转指令（正转/反转）后，电机5相应动作，电机主轴通过蜗轮蜗杆结构推动齿盘6转动，齿盘6借助键9和位于主活塞杆1a上的键槽15推动主活塞杆1a径向旋转，从而推动副活塞2相对于主活塞1b做径向相对运动（最大相对周向转动过程为转程D，活塞最大升程为H，倾斜角a=arctan(D/H)），实现活塞净横截面面积变化。

另外，为限定副活塞2的径向跳动，可以设置弹簧11的伸出端（未示出）插入副活塞2的盲孔中，同理，弹簧11的另外一端伸出端（未示出）插入活塞缸盖14的盲孔中，另外也可以合理设置弹簧预紧力，使用预紧力抵靠限制副活塞2的相对径向运动。

以图2A所示为例，主活塞1b从活塞缸3底部的下止点开始到活塞缸3顶部的上止点的整个运动过程（或者反向运动过程）中，基于外围振动参数测量数据（例如振动传感器等，未示出）传递到控制单元ECU并进行判断，当振动强度低于一预定值时，减小施加到线圈4的电流强度，同时ECU控制电机主轴往使得活塞阻尼孔净横截面面积增大的方向上旋转，反之，当振动强度高于一预定值时，增大施加到线圈4的电流强度，同时ECU控制电机主轴往使得活塞阻尼孔净横截面面积减小的方向上旋转。

另外，基于以上结构设计及控制系统可以使得该阻尼器只进行较大强度的直动式往复运动，也可以进行直动式和剪切的复合运动，另外还可以横截面全部封闭而进行较低强度的挤压运动，从而可以制成各种模式的阻尼器，例如流动模式、流动与剪切组合模式、挤压模式等，实现一器多用的功能，适用不同领域不同场合，减小使用成本。

实施例2。

图1-3F所示阻尼系统，包括控制单元（ECU）、阻尼器、安装底座。

参见图1其中所述阻尼器，优选为磁流变（MR）阻尼器，包括活塞缸3、主活塞1b、副活塞2、线圈4、弹簧11、缸盖14，其中所述副活塞2同轴地套在主活塞1b 的主活塞杆1a上，并借由弹簧11预紧地抵靠在主活塞1b上，弹簧11另外一端预紧地抵靠在缸盖14上，缸盖14通过螺栓（未示出）等连接方式密封所述活塞缸3，所述主活塞1b和副活塞2安装在由活塞缸3和缸盖14组成的密闭空间里，同时把活塞缸3的缸室隔成上缸室3a和下缸室3b，缸室内设有阻尼介质，优选是磁流变液，所述线圈4缠绕在活塞缸3的外壁上，通过上述控制单元控制建立磁场，其中所述主活塞1b和副活塞2上均匀周布有沿径向排列的阻尼孔17，阻尼孔17的形状可以是圆形孔、方孔、椭圆孔、三角孔、扇形孔，径向阻尼孔列可以按照扇形、散射形等同轴周向均布，阻尼孔17的孔径大小可变化，径向阻尼孔列之间的间隔角度可以为π/12、π/6、π/3、π/2、2π/3等，具体实施例示意图参见图2B、2C、2D。

所述控制单元控制线圈4控制磁流变液的阻尼性能，所述安装底座包括上底座16和下底座3c。

参见图2A、3A、3B、3C、3D、3E、3F：图3A、3B、3D、3E为活塞缸3的展开平面示意图，所示活塞缸3内壁上螺旋倾斜的导向槽12与图2A中所示的副活塞2外圆周上的凸耳13配合，宽度为W，配合间隙优选以最大程度降低磁流变液的泄漏并无障碍相对滑动为准，所述凸耳数量可以是2、3、4、5、6、8个；另外，凸耳形状不拘泥于矩形，可以是三角形、梯形等，凸耳可以是齿轮齿牙，将副活塞2外周一圈制成与活塞缸内壁配合的螺旋齿，增强导向效果。

优选如下具体技术方案对发明构思进行阐述，但不拘泥于以下若干方式。

以图1-2A、3A、3B、3C所示为例，其中，基于螺旋倾斜设置的导向槽12，当主活塞杆1a从活塞缸3底部的下止点开始到活塞缸3顶部的上止点的整个运动过程例如图3A（或反向运动过程例如图3B）中，由于螺旋倾斜设置的导向槽12和与其配合的在副活塞2外圆周的凸耳的相互作用，从而推动副活塞2相对于主活塞1b按照图3C中S1（或者S2，根据具体需要选择）做径向相对运动（最大相对周向转动过程为转程D，活塞最大升程为H，倾斜角a=arctan(D/H)），实现活塞净横截面面积变化。

以图1-2A、3D、3E、3F所示为例，主活塞1b从活塞缸3中间位置开始到活塞缸3顶部或底部的上止点或下止点的整个运动过程例如图3D（或反向运动过程例如图3D所示）中，基于外围振动参数测量数据（例如振动传感器等，未示出）传递到控制单元ECU并进行判断，当振动强度低于一预定值时，减小施加到线圈4的电流强度，同时基于螺旋倾斜设置的导向槽12使得副活塞2与主活塞1b之间的阻尼孔净横截面面积向增大的方向上旋转，反之，当振动强度高于一预定值时，增大施加到线圈4的电流强度，同时基于螺旋倾斜设置的导向槽12使得副活塞2与主活塞1b之间的阻尼孔净横截面面积向减小的方向上旋转，最终推动副活塞2相对于主活塞1b按照图3F中S3（或者S4，根据具体需要选择）做径向相对运动（最大相对周向转动过程为转程D，活塞最大升程为H/2，倾斜角a=arctan(2D/H)），实现活塞净横截面面积变化。

前述运动展开图3A、3B、3D、3E仅仅是对本发明构思的若干示意图，并不拘泥于以上四种变式，可以重新根据具体应用环境进行变换组合，可以是多重折线也可以是曲线，可以是规则曲线也可以是不规则曲线，作为本领域技术人员而言是容易想得到的。

另外，基于以上结构设计及控制系统可以使得该阻尼器只进行较大强度的直动式往复运动，也可以进行直动式和剪切的复合运动，另外还可以横截面全部封闭而进行较低强度的挤压运动，从而可以制成各种模式的阻尼器，例如流动模式、流动与剪切组合模式、挤压模式等，实现一器多用的功能，适用不同领域不同场合，减小使用成本。

Claims (2)

1.一种阻尼器，包括活塞缸(3)、主活塞(1b)、副活塞(2)、缸盖(14)，其特征在于，所述活塞缸(3)内壁面上螺旋倾斜地设置有若干长条状导向槽(12)，所述副活塞(2)外圆周设置有若干凸耳(13)，所述导向槽(12)与所述凸耳(13)相互配合，所述副活塞(2)同轴地套装在主活塞(1b)的主活塞杆(1a)上，并通过弹簧(11)预紧抵靠在主活塞(1b)上，所述主活塞(1b)和副活塞(2)表面设置有若干阻尼孔(17)，还包括线圈(4)和位于所述活塞缸(3)内的磁流变液，所述线圈(4)设置在所述活塞缸(3)外壁上，并受到控制单元的控制以调整所述磁流变液的阻尼力，其工作原理是：当主活塞(1b)上下运动时，副活塞(2)由于弹簧(11)的抵靠作用而伴随主活塞(1b)上下运动，副活塞(2)外圆周上的凸耳(13)嵌合在活塞缸(3)内壁面上的导向槽(12)内，所述凸耳(13)伴随副活塞(2)整体上下运动的同时卡合在导向槽(12)内运动，由于受到导向槽(12)的周向推力而作相对径向运动，从而推动副活塞(2)作相对主活塞(1b)的径向运动。

2.如权利要求1的阻尼器，所述阻尼孔(17)均匀周布在主活塞(1b)和副活塞(2)的表面上，在主活塞(1b)和副活塞(2)的表面上阻尼孔(17)的布置方式一致。