CN104165204A - 压电陶瓷与磁流变液组合的馈能式阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可将压电发电单元受振动产生的电能给磁流变液提供减震所需的电能的压电陶瓷与磁流变液组合的馈能式阻尼器，包括缸体，活塞杆，上、下压电发电单元，电能提取与存储单元，压力传感器和控制器；上压电发电单元套装于杆体外，且其下方叠设有上隔板，下压电发电单元放置在缸体的内底面上，且其上方叠设有下隔板，上隔板与塞体之间形成有具有磁流变液的上磁流变液腔室，塞体与下隔板之间形成有具有磁流变液的下磁流变液腔室，塞体开设有若干节流孔，塞体内安装有励磁线圈机构，上、下压电发电单元与电能提取与存储单元连接，压力传感器与控制器连接，电能提取与存储单元经控制器与励磁线圈机构连接，压力传感器安装在上隔板上。

Description

压电陶瓷与磁流变液组合的馈能式阻尼器

技术领域

本发明涉及一种阻尼器，特别涉及一种基于压电陶瓷和磁流变液相组合的馈能式阻尼器。

背景技术

物体在外力作用下沿直线或弧线以中心位置(平衡位置)为基准的往复运动，称为机械运动，简称振动。在工业生产和日常生活中有害振动已影响到了工业生产和人们的生活。

振动的危害总体概括起来主要包括以下几个方面：1)影响机械系统及其零部件的使用寿命；2)影响结构及系统运行的精度；3)影响人们生产生活的舒适度，产生噪声污染。除此之外，不必要的振动还会产生更多的危害，如在土木工程领域，由风灾和地震等引起的建筑物的振动将会影响到人们的生命与财产的安全；在军事领域，水面水下舰艇的振动噪声将直接关系到舰艇的隐蔽性和生存能力。同时，在现实生活中机械系统存在着大量的振动能量，而这些振动能量均让其自动释放消耗，没有加以利用，造成能量的浪费。

随着科学技术的日新月异，针对不同的结构特点以及应用环境，一些新的减振材料、减振方法逐渐被应用到减振领域中来。目前，一些新的减振材料主要有压电智能材料、形状记忆合金、磁流变流体、电流变流体等；其中，压电陶瓷以其出力大、响应快、无电磁干扰、能耗低、良好的机电耦合特性、易于控制等优势而在航空航天、汽车发动机、微动平台等的隔振减振领域得到了广泛的研究与应用，但压电陶瓷在受振动时所产生的电能均未进行有效利用，造成能源的流失、浪费；磁流变液以其良好的屈服应力、宽广的工作温度范围、较强的塑性粘度和优良的稳定性，也已经在隔振减振领域得到一定的应用；但磁流变液在工作时需有电能，使磁流变液因供能问题而造成使用地域受限。

鉴于上述理由，本发明人对压电陶瓷和磁流变流体进行了深入研究，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电陶瓷与磁流变液组合的馈能式阻尼器,其可将振动能转化为电能并收集起来为磁流变液流体提供电能，使振动能得以利用，不会造成能源的浪费，并弥补了磁流变液减震方式因供能问题而造成使用地域受限的问题，具有减振效果佳的优点。

本发明的技术方案是这样的：一种压电陶瓷与磁流变液组合的馈能式阻尼器,包括缸体，活塞杆，处于缸体内的上压电发电单元和下压电发电单元，及处于缸体外的电能提取与存储单元和控制单元；上述活塞杆具有塞体和竖立连接在塞体上表面上的杆体，上述塞体处于上述缸体内，并与上述缸体密封配合，上述杆体的上端端部活动紧密伸出上述缸体的上表面外，上述上压电发电单元套装于上述杆体的上端外，上述上压电发电单元的下底面上叠设有套装在上述杆体外的上隔板，上述上隔板与上述缸体的内侧壁密封配合，上述下压电发电单元固定放置在上述缸体的内底面上，上述下压电发电单元的上表面上叠设有与上述缸体密封配合的下隔板，上述上隔板与上述塞体之间形成有一上磁流变液腔室，上述塞体与上述下隔板之间形成有一下磁流变液腔室，上述上磁流变液腔室与上述下磁流变液腔室均填充满有磁流变液填充物，上述缸体的侧壁上开设有与上述上磁流变液腔室相通的出液口，上述出液口上连通有处于缸体外的蓄能器，上述塞体上开设有若干贯通塞体上下两端的节流孔，各节流孔沿上述塞体的周向方向间隔环绕分布，上述塞体内安装有处于各节流孔范围内的励磁线圈机构，上述上压电发电单元和上述下压电发电单元分别与上述电能提取与存储单元电连接，上述控制单元包括用于感应缸体内压力值的压力传感器和接收压力传感器的信号并根据此信号来控制电能提取与存储单元放电的控制器，上述压力传感器、上述控制器、上述电能提取与存储单元和上述励磁线圈机构依次电连接构成一闭合回路，且上述压力传感器安装在上述上隔板上。

上述励磁线圈机构包括绕线座体和励磁线圈，上述绕线座体呈柱状结构，上述塞体的中心部位处开设有供上述绕线座体套紧安装于内的安装孔，上述安装孔的下端端口内侧壁上凹设有闭环形限位槽，上述绕线座体的下端端部外侧壁上凸设有卡入闭环形限位槽内的闭环形凸环，上述杆体竖立垂直于上述绕线座体的上表面上，且上述绕线座体的上表面下凹有安装腔室，上述杆体的下端端部延伸设有套紧于安装腔室内的扩径安装头，上述励磁绕圈沿上述绕线座体的轴线方向绕设在上述绕线座体外，且上述绕线座体的外侧壁上开设有供励磁线圈嵌装于内的线圈凹槽。

上述上压电发电单元和上述下压电发电单元均为由若干压电陶瓷发电片依次叠放，并串联或并联在一起构成的。

上述上压电发电单元外套设有上环形弹簧，上述上环形弹簧的下端抵压在上述上隔板的上表面上，上述缸体的上端内设有处于上隔板上方的上顶靠台阶，上述上环形弹簧的上端顶靠在上述上顶靠台阶上，上述压力传感器夹紧于上述上顶靠台阶与上述上环形弹簧上端之间；上述下压电发电单元外套设有下环形弹簧，上述缸体的下端设有处于下隔板下方的下顶靠台阶，上述下环形弹簧张紧于上述下隔板与上述下顶靠台阶之间。

采用上述方案后，本发明的一种压电陶瓷与磁流变液组合的馈能式阻尼器，当外界传给活塞杆一个振动迫使活塞杆向下运动时会使塞体向下移动，塞体的下移会将上磁流变液腔室内的磁流变液填充物经节流孔注入至下磁流变液腔室内，下磁流变液腔室内具有向下的压力，下压电发电单元受压产生电能，并通过电能提取与存储单元将电能存储起来，电能提取与存储单元存储的电能对励磁线圈机构进行放电，给励磁线圈机构提供相应电流，励磁线圈机构通电产生磁场，节流孔内的磁流变液填充物受此磁场的影响而改变磁流变液的粘度，使磁流变液流过节流孔的阻尼力变小，此时，本发明的阻尼器主要起一个弹性作用，缓和冲击，实现对振动的半主动控制，；当外界传给活塞杆一个振动迫使活塞杆向上运动时塞体向上移动，下磁流变液腔室内的磁流变液填充物经节流孔注入至上磁流变液腔室内，上磁流变液腔室内具有向上的压力，上压电发电单元受压产生电能，并通过电能提取与存储单元将电能存储起来，电能提取与存储单元所存储的电能再给励磁线圈机构供电，励磁线圈机构通电产生磁场，节流孔内的磁流变液填充物受此磁场的影响而改变磁流变液的阻尼力，使磁流变液流过节流孔的阻尼力变大，此时，本发明的阻尼器能够迅速减振，实现减振的效果，同时，压力传感器可感应到上磁流变液腔室内的压力变化信号，并将此信号发送给控制器，控制器根据此信号来控制供给励磁线圈机构的电流值，励磁线圈机构得到最佳电流值，从而达到最佳的缓冲和阻尼作用，使减震效果较为稳定、平缓。本发明的有益效果：其可将压电发电单元因受振动而产生的电能收集起来，并将收集起来的电能给与磁流变液相配套的励磁线圈机构提供电流，使磁流变液实现减振效果，减震效果较佳，同时，一方面可将压电发电单元受振动产生的电能得以利用，避免传统压电陶瓷产生的电能未能到利用而造成能源浪费的问题，另一方面解决了磁流变液减震所需的电能，弥补了磁流变液的减振方式因供能问题而造成使用地域受限的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意剖视图；

图2为本发明中绕线座体的剖视图；

图3为本发明中节流孔处的磁线分布图；

图4为本发明的工作原理框图。

其中：

缸体             1        出液口          11

活塞杆           2        塞体            21

节流孔           211      杆体            22

上压电发电单元   3        下压电发电单元  4

电能提取与存储单元                        5

上隔板           6        下隔板          7

蓄能器        8    励磁线圈机构    9

绕线座体      91   闭环形凸环      911

线圈凹槽      912  安装腔室        913

励磁线圈      92   磁流变液填充物  100

压力传感器    101  控制器          102

上环形弹簧    200  下环形弹簧      300

具体实施方式

本发明的压电陶瓷与磁流变液组合的馈能式阻尼器，如图1-3所示，包括缸体1，活塞杆2，处于缸体1内的上压电发电单元3和下压电发电单元4，及处于缸体1外的电能提取与存储单元5和控制单元；其中：

所述的缸体1呈上下两端为闭合状的中空柱状结构，该活塞杆2具有塞体21和竖立连接在塞体21上表面上的杆体22，塞体21处于缸体1内，并与缸体1的内侧壁密封配合，杆体22竖立处于缸体1内，且杆体22的上端端部活动紧密伸出缸体1的上表面外。

所述的上压电发电单元3套装于杆体22的上端外，此上压电发光单元3为由若干压电陶瓷发电片由上而下依次叠放，并串联或并联在一起构成的，该上压电发光单元3呈柱状结构，上压电发电单元3的下底面上叠设有套装在杆体22外的上隔板6，上隔板6与缸体1的内侧壁密封配合。

所述的下压电发电单元4固定放置在缸体1的内底面上，该下压电发电单元4为由若干压电陶瓷发电片由上而下依次叠放，并串联或并联在一起构成的，该下压电发光单元4呈柱状结构，该下压电发电单元4的上表面上叠设有与缸体1密封配合的下隔板7。

所述的上隔板6的下底面与塞体21的上表面之间形成有一上磁流变液腔室(图中未示出)，塞体21的下底面与下隔板7之间形成有一下磁流变液腔室，该上磁流变液腔室与下磁流变液腔室均填充满有磁流变液填充物100，缸体1的侧壁位于上磁流变液腔室上开设有与上磁流变液腔室相通的出液口11，出液口11上连通有处于缸体1外的蓄能器8，该蓄能器8为阻尼器中的蓄能器，其结构与工作原理与阻尼器中的蓄能器的结构与工作原理相同，本申请人在此不再累述。

所述的塞体21上开设有若干贯通塞体21上下两端的节流孔211，即节流孔211的上端与上磁流变液腔室相通，下端与下磁流变液腔室相通，各节流孔211沿塞体21的周向方向间隔环绕分布，各节流孔211可构成一环形空间，该塞体21内安装有处于环形空间内的励磁线圈机构9，励磁线圈机构9包括绕线座体91和励磁线圈92，绕线座体91呈柱状结构，塞体21位于环形空间内(即中心部位处)开设有供绕线座体91套紧安装于内的安装孔(图中未示出)，安装孔的下端端口内侧壁上凹设有闭环形限位槽，绕线座体91的下端端部外侧壁上凸设有卡入闭环形限位槽内的闭环形凸环911，通过绕线座体91与塞体21的套紧配合和闭环形凸环911与闭环形限位槽的配合可使绕线座体91与塞体21的紧配合连接，该励磁绕圈92沿绕线座体91的轴线方向绕设在绕线座体91外，且绕线座体91的外侧壁上开设有供励磁线圈嵌装于内的线圈凹槽912，通过此线圈凹槽912可实现励磁线圈92的安装，该杆体22的下端垂直于绕线座体91的上表面上，且绕线座体91的上表面下凹有安装腔室913，杆体22的下端端部延伸设有套紧于安装腔室913内的扩径安装头(图中未示出)，通过安装腔室913与扩径安装头的配合可实现杆体22的固定安装。

所述的上压电发电单元3和下压电发电单元4分别与电能提取与存储单元5电连接，即上压电发电单元3和下压电发电单元4与电能提取与存储单元5并联连接，此电能提取与存储单元5主要由能量提取电路(即SSHI收集电路)、极值检测电路和储能元件组成的，其主要功能是及时地将压电发电单元产生的电能提取并储存到储能元件中，此单元是压电陶瓷发电常用的，为公知技术，本申请人在此不再累述，控制单元包括用于感应缸体2内压力值的压力传感器101和接收压力传感器101的信号并根据此信号来控制供给励磁线圈92电流值的控制器102，压力传感器101与控制器102的输入端电连接，电能提取与存储单元5通过控制器102与励磁线圈92电连接，且用于控制器102与励磁线圈92连接用的导线的一端处于缸体1外，另一端穿过杆体22至绕线座体91处。

本发明中，该上压电发电单元3外还套设有上环形弹簧200，上环形弹簧200的下端抵压在上隔板6的上表面上，缸体1的上端内设有处于上隔板6上方的上顶靠台阶，上环形弹簧200的上端顶靠在此上顶靠台阶上，压力传感器101夹紧于上顶靠台阶与上环形弹簧200上端之间，该上隔板6的外径大于该上压电发电单元3的外径，这样，上隔板6容置的隔板容置空间的内径大于处于隔板空间上方的上压电发电单元3容置的发光单元容置空间的内径，使隔板空置空间与发光单元容置空间之间即具有一过渡台阶，此过渡台阶为上顶靠台阶；下压电发电单元4外套设有下环形弹簧300，缸体1的下端设有处于下隔板7下方的下顶靠台阶，下环形弹簧300张紧于下隔板7与下顶靠台阶之间，该下压电发电单元4的外径小于下隔板7的外径，这样，下隔板7容置的隔板容置空间的内径大于处于隔板空间下方的下压电发电单元4容置的发光单元容置空间的内径，使该隔板空置空间与该发光单元容置空间之间即具有一过渡台阶，此过渡台阶为所述的下顶靠台阶。

本发明的一种压电陶瓷与磁流变液组合的馈能式阻尼器，如图4所示，当外界传给活塞杆2一个振动迫使活塞杆2向下运动时会使塞体21向下移动，塞体21的下移会对上磁流变液腔室内的磁流变液填充物100进行压缩，使上磁流变液腔室内的磁流变液填充物100经节流孔211注入至下磁流变液腔室内，下磁流变液腔室内的磁流变液对下隔离板7施加向下的压力，下隔板7将所受的下压力传递给下压电发电单元4，下压电发电单元4受压产生电能，产生的电能通过电能提取与存储单元5将电能存储起来，电能提取与存储单元5存储的电能再经控制器102给励磁线圈92供电，励磁线圈92得电产生磁场，此产生的磁场会对流经节流孔211的磁流变液填充物100进行切割，使节流孔211内的磁流变液填充物100的粘度受改变，并控制磁流变液流过节流孔211的阻尼力变小，此时，本发明的阻尼器主要起一个弹性作用，缓和冲击，实现对振动的半主动控制；当外界传给活塞杆2一个振动迫使活塞杆向上运动时塞体21向上移动，下磁流变液腔室内的磁流变液填充物100经节流孔211注入至上磁流变液腔室内，上磁流变液腔室内的磁流变液对上隔离板6具有向上的压力，上压电发电单元3受压产生电能，并通过电能提取与存储单元5将电能存储起来，存储的电能经控制器102给励磁线圈92供电，励磁线圈92得电产生磁场，此产生的磁场会对流经节流孔211的磁流变液填充物100进行切割，使节流孔211内的磁流变液填充物100的粘度受改变，并控制磁流变液流经节流孔211的阻尼力变大，此时本发明的阻尼器能够迅速减振，实现减振的效果；同时，上、下磁流变液腔室内磁流变液填充物在流动时，压力传感器101能够感应到上磁流变液腔室内的压力变化信号，并将此信号发送给控制器102，控制器102根据此信号来控制供给励磁线圈92的电流值，使励磁线圈92得到最佳电流值，从而达到最佳的缓冲和阻尼作用，使减震效果较为稳定、平缓。另，当活塞杆2下移到最大位移或上移到最大位移时上环形弹簧200或下环形弹簧300利用自身的恢复力控制活塞杆2反向移动，可以防上、下压电发电单元受压过大而发生破损的问题，同时，塞体21在上下移动时上、下环形弹簧200、300和蓄能器8能够储存额外的能量，实现磁流变液流量的平衡。

本发明的一种压电陶瓷与磁流变液组合的馈能式阻尼器，具有如下效果：

一、可将上、下压电发电单元3、4受振动而产生的电能收集起来，并将收集起来的电能给与励磁线圈92提供电流，使磁流变液实现减震功效，减震效果较佳；从而使上、下压电发电单元3、4受振动产生的电能得以利用，避免传统压电陶瓷产生的电能未能到利用而造成能源浪费的问题，并解决了磁流变液减震所需的电能，弥补了磁流变液的减振方式因供能问题而造成使用地域受限的问题，实现了震动能量的回收再利用。

二、通过上、下隔离板可防止磁流变液填充物相应流入上、下压电发电单元处，对上、下压电发电单元起到保护作用，同时，塞体21在上下压缩过程中能集中地给上、下压电发电单元传递均匀和稳定的压力，防止压电发电单元受力不匀而发生受损的现象。

三、通过压力传感器和控制器的配合可对磁流变液的粘度进行控制调节，从而实现对磁流变液阻尼力的大小进行调节，进而实现阻尼器阻尼的可控可调，减震效果更为优异、平缓。

四、具有响应速度快，致动力变化范围大、控制方式简单、适用环境不受限等优点。

本发明的一种压电陶瓷与磁流变液组合的馈能式阻尼器，其适用于冲击强度较大、重载、大振幅的振动环境，特别是应用于车辆上时，可达到车辆舒适性和平顺性的统一。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (4)

1.一种压电陶瓷与磁流变液组合的馈能式阻尼器,其特征在于：包括缸体，活塞杆，处于缸体内的上压电发电单元和下压电发电单元，及处于缸体外的电能提取与存储单元和控制单元；上述活塞杆具有塞体和竖立连接在塞体上表面上的杆体，上述塞体处于上述缸体内，并与上述缸体密封配合，上述杆体的上端端部活动紧密伸出上述缸体的上表面外，上述上压电发电单元套装于上述杆体的上端外，上述上压电发电单元的下底面上叠设有套装在上述杆体外的上隔板，上述上隔板与上述缸体的内侧壁密封配合，上述下压电发电单元固定放置在上述缸体的内底面上，上述下压电发电单元的上表面上叠设有与上述缸体密封配合的下隔板，上述上隔板与上述塞体之间形成有一上磁流变液腔室，上述塞体与上述下隔板之间形成有一下磁流变液腔室，上述上磁流变液腔室与上述下磁流变液腔室均填充满有磁流变液填充物，上述缸体的侧壁上开设有与上述上磁流变液腔室相通的出液口，上述出液口上连通有处于缸体外的蓄能器，上述塞体上开设有若干贯通塞体上下两端的节流孔，各节流孔沿上述塞体的周向方向间隔环绕分布，上述塞体内安装有处于各节流孔范围内的励磁线圈机构，上述上压电发电单元和上述下压电发电单元分别与上述电能提取与存储单元的输入端电连接，上述控制单元包括用于感应缸体内压力值的压力传感器和接收压力传感器的信号并根据此信号来控制供给励磁线圈机构电流值的控制器，上述压力传感器与上述控制器的输入端电连接，上述电能提取与存储单元的输出端经上述控制器与上述励磁线圈机构电连接，且上述压力传感器安装在上述上隔板上。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷与磁流变液组合的馈能式阻尼器，其特征在于:上述励磁线圈机构包括绕线座体和励磁线圈，上述绕线座体呈柱状结构，上述塞体的中心部位处开设有供上述绕线座体套紧安装于内的安装孔，上述安装孔的下端端口内侧壁上凹设有闭环形限位槽，上述绕线座体的下端端部外侧壁上凸设有卡入闭环形限位槽内的闭环形凸环，上述杆体竖立垂直于上述绕线座体的上表面上，且上述绕线座体的上表面下凹有安装腔室，上述杆体的下端端部延伸设有套紧于安装腔室内的扩径安装头，上述励磁绕圈沿上述绕线座体的轴线方向绕设在上述绕线座体外，且上述绕线座体的外侧壁上开设有供励磁线圈嵌装于内的线圈凹槽。

3.根据权利要求1所述的压电陶瓷与磁流变液组合的馈能式阻尼器，其特征在于:上述上压电发电单元和上述下压电发电单元均为由若干压电陶瓷发电片依次叠放，并串联或并联在一起构成的。

4.根据权利要求1所述的压电陶瓷与磁流变液组合的馈能式阻尼器，其特征在于：上述上压电发电单元外套设有上环形弹簧，上述上环形弹簧的下端抵压在上述上隔板的上表面上，上述缸体的上端内设有处于上隔板上方的上顶靠台阶，上述上环形弹簧的上端顶靠在上述上顶靠台阶上，上述压力传感器夹紧于上述上顶靠台阶与上述上环形弹簧上端之间；上述下压电发电单元外套设有下环形弹簧，上述缸体的下端设有处于下隔板下方的下顶靠台阶，上述下环形弹簧张紧于上述下隔板与上述下顶靠台阶之间。