CN104500641A - 一种基于磁流变弹性体的双转子自供电减震器 - Google Patents

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王磊
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刘小菲
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Abstract

本发明涉及一种基于磁流变弹性体的双转子自供电减震器。它包括集成的发电模块、能源模块和减震模块,发电模块和减震模块与车体固连;所述发电模块为采用以滚珠丝杠组件为主动件的双转子发电装置,滚珠丝杠组件利用减震模块在车辆的车轮受到路面激励时产生的上下运动驱动双转子转动发电,并将电能送入能源模块储存;所述能源模块设有电池和控制器,电池与发电模块连接,控制器则与车辆控制终端连接;所述减震模块为磁流体弹性装置,该装置包括活塞及活塞杆,活塞杆与滚珠丝杠组件连接;在活塞的上下方分别设有磁流体弹性组件,磁流体弹性组件与所述电池连接,所述电池在所述控制器控制下向指定磁流体弹性元件供电。

Description

一种基于磁流变弹性体的双转子自供电减震器

技术领域:

[0001] 本发明涉及一种基于磁流变弹性体的双转子自供电减震器。

背景技术:

[0002] 减振器(Vibration Damper),主要用来抑制弹簧吸震后反弹时的震荡及来自路面 的冲击。在经过不平路面时,吸震弹簧虽然可以过滤路面的震动,但弹簧自身还会有往复运 动,而减振器就是用来抑制这种弹簧跳跃的。减振器太软,车身就会上下跳跃,减振器太硬 就会带来太大的阻力,妨碍弹簧正常工作。

[0003] 对于一般的减震器来说,其阻尼是固定的,这也决定了设计师只能在舒适性和运 动性之间取其一,或者是选取软硬比较折中的减震器,而要让一款车型既舒适,又能拥有一 定的运动性,那就需要减震器可以自动调节。但由于传统的减震器缺少调整自身阻尼的功 能,因此对于安装了传统减震器的汽车来说,汽车的舒适性和运动性是矛盾的两面,顾此就 会失彼,尽管通过悬挂的调校会一定程度上缓解这个矛盾,但也仅仅只是缓和而已。

[0004] 因此,传统的弹簧液压式减震器无法解决舒适性和运动性之间的矛盾,存在诸多 难以克服的弊端:1)螺旋弹簧受到冲击后会产生振动,持续的振动易导致驾驶者疲劳和烦 躁,潜伏不安全隐患;2)减震器的阻尼力越大,振动消减得越快,但却使并联在减震器外部 的螺旋弹簧不能充分发挥作用,同时阻尼力过大,还可能导致减震器连接零件及车架损坏; 3)液压阻尼力随着温度的变化而变化,长时间使用后,液压油与细小孔壁之间的摩擦以及 液体分子内摩擦产生大量的热量,导致液压油温度升高,粘度迅速降低,阻尼力也随之减 少,减震器的减振性能随之恶化;4)反应迟钝,响应慢,无法适应复杂多变的运动型车辆行 驶工况要求,如高速行驶中突遇障碍物,往往易于导致减震器击穿,完全失去减振作用;5) 调节非常有限,现有的多级可调减震器一般只能调节螺旋弹簧的预载荷,增大弹簧的刚度, 无法真正满足不同路面、不同载荷的行驶工况要求;6)无法同时满足现代摩托车行驶舒适 性和运动性之间对立的矛盾,前者要求悬挂系统行程要大、刚度要低,而后者则完全相反, 无论怎么调节都无法使二者完美兼顾。

[0005] 因为传统减震器已经无法满足当前的需要了,所以一种电磁减震器 (Electromagnetic Absorber)应运而生。它是利用电磁反应的一种新型智能化独立悬架系 统,利用多种传感器检测路面状况和各种行驶工况,传输给电子控制器E⑶,控制电磁减震 器瞬间做出反应,抑制振动,保持车身稳定。特别是在车速很高,突遇障碍物时更能显出它 的优势。电磁减震器的反应速度高达1000Hz,比传统减震器快5倍,彻底解决了传统减震器 存在的舒适性和稳定性不能兼顾的问题,并能适应变化的行驶工况和任意道路激励,即使 是在最颠簸的路面,电磁减震器也能保证车辆平稳行驶,其代表了减震器发展的方向。

[0006] 日本日立制作所研制的电磁减震器是由传感器、电子控制器E⑶、圆筒型线性电动 机和弹簧液压减震器4大部分组成的有源悬架系统。系统中的传感器有加速度传感器和车 辆位移传感器。加速度传感器用来检测路面凹凸不平的程度,输送给车辆控制终端ECU,发 出指令控制线性电动机产生与减震器运动方向完全相反的反作用力运动行程,减轻车辆上 下的振动。车辆位移传感器用来检测减震器的实际运动行程,然后反馈给车辆控制终端ECU 适时修正线性电动机的反作用力运动行程。虽然能够实时调节阻尼刚性,但是还是采用了 液压阻尼,密封要求特别高,而且发热量比较大。

[0007] 而法拉利、路虎等等正在采用的磁流变液减震器是基于磁流变液可控特性的一种 新型减振器。其工作原理是在外加磁场的作用下,磁流变液中随机分布的磁极化粒子沿磁 场方向运动,磁化运动使粒子首尾相联,形成链状或网状结构,从而使磁流变液的流动特性 发生变化,进而使减振器阻尼通道两端的压力差发生变化,达到改变阻尼力的目的。其优点 是系统反应速度和调节速度都很快,而且阻尼力可控。而缺点:一,调节范围有限(减震主 体依旧是弹簧),对中性不好,活塞和桶壁间有间隙,受侧向力和时容易偏移。二,是使用环 境复杂时,电源和阻尼器之间的连接、电源的可靠性、密封,都会成为薄弱点。三,磁流变液 中铁磁介质容易发生沉淀,影响其减震性能。

[0008] 目前的馈能悬架方案主要有六种,即静液蓄能式、电磁线圈感应式、齿轮齿条式、 曲柄连杆式和直线电机式、滚珠丝杆式。

[0009] 静液蓄能式馈能悬架是利用液压泵的原理,在传统液压减振器悬架上进行改造而 成的。

[0010] 电磁线圈感应式馈能悬架采用了 一个电磁线圈能量回收装置。它可以将传统被动 悬架系统中的阻尼元件所耗散的振动能量转化成电能并储存在蓄电池中。电磁线圈感应 式馈能悬架有诸多弊端:当路面冲击过大时,磁极可能会相互碰撞,从而容易对悬架造成破 坏;磁极间气隙较大,导致励磁线圈和馈能线圈的线圈绕组匝数过多,进而导致励磁线圈和 馈能线圈的铜损很大,馈能效率低。

[0011] 齿轮齿条机构在压紧弹簧作用下保持啮合状态,将振动能量传递给发电机转化成 电能,经整流进入蓄电池储存。同时发电机组通过齿轮齿条机构提供阻尼力。由于发电机 定子与转子之间的气隙不受悬架行程变化的影响,且电机具有电磁感应力与转速成正比的 特性,阻尼力范围广且能精确控制,故齿轮齿条式馈能型悬架的适配关系较好,馈能效率 较高。但是当路面冲击过大时容易造成齿轮齿条机构的轮齿断裂,使用时间过长、温度过高 都会造成齿轮齿条的失效。

[0012] 连杆式馈能悬架的结构特点传统悬架系统中增加了一套曲柄连杆机构,将车轮 的上下振动转变成电机的旋转运动。但是曲柄连杆式馈能悬架并没有取消传统减振器,大 部分振动能量会以摩擦的方式散掉,能量回收效率不高,而且几何尺寸大,安装性较差。

[0013] 直线电机馈能悬架:车辆在振动时,永久磁铁与定子线圈发生相对位移,从而导致 切割磁力线的现象发生,在发电的同时直线电机产生的反电动势提供系统所需的阻尼力, 从而衰减振动。目前,仅Bose公司将直线电机运用于车辆悬架系统,据称每个馈能减振器 平均能提供25W的能量。直线电机较旋转电机的漏磁通大,阻尼力小,而且其功率因素及效 率等电气性能较低,故直线电机式馈能悬架的馈能效率一般。直线电机的价格昂贵,且直线 电机式馈能悬架的支撑架构复杂易失效,制造成本相对传统减振器较高。

[0014] 滚珠丝杠是车辆行驶过程中,馈能减振器随路面不平作伸张和压缩运动,滚珠螺 母沿轴向作上下平动,带动滚珠螺杆和电机转子作正反转动,电机根据控制指令工作于电 动或制动状态,从而主动缓冲和衰减由路面不平引起的、并由车轮传导至车身的冲击和振 动,并回收能量。滚珠丝杆式馈能悬架对于恶劣工作环境具备抗干扰能力强、可靠性高、使 用寿命长等优点,且比齿轮齿条式几何尺寸更小,传动效率更高。但是,滚珠丝杆式的传动 装置与发电机之间采用固态联接方式,导致电机会随着系统振动不断改变旋转方向,电机 转速反复〇-加速-减速-〇的循环,产生大量"惯量损失"。这不仅会极大的缩短发电机寿 命,也会使得发电机在整个振动过程中只有很少的时间或完全没有时间进行发电,使得整 个馈能系统效率低下。

[0015] 美国提出了一种永磁动铁式的原理性结构,专利号为US20080053763,利用弹簧 振子上的永磁体的上下运动,切割磁力线产生感应电动势为磁流变阻尼器供电。该方案存 在很多缺点:一,由于该方案体积庞大,难以集成到磁流变阻尼器内部;二,其能量转换效 率很低,难以保证提供足够的电能供磁流变阻尼器工作;三,该方案未涉及能量的储存和管 理。

[0016] 湖南大学发明一种自供电磁流变智能减振系统,中国专利号为 CN200710034309. 2,提出了采用布置在减振器外侧的齿条齿轮传动的方式,驱动直流发电 机发电,给磁流变减振器供电。但是其局限性非常明显,由于发电装置布置在减振器外侧, 并且暴露在外,结果导致系统体积庞大,集成性差,对工作环境要求较高。

[0017] 重庆大学提出一种多叶片碟型电磁式机械能量采集器,中国专利号为 CN200910103744. 5,发电结构布置在减振器内。虽然其对空间要求不是特别高,但是也有很 多缺点:一,由于磁流变液比较稠,和叶片之间发生摩擦,能量多以热能的形式散掉,可能引 起磁流变液发热,从而导致失效;二,叶片转速比较慢,其产生的电能仅能够对传感器供电, 发电效率不能保证;三,其蝶形磁电换能器浸在磁流变液中,密封要求高,一旦发生泄漏,可 能导致整个发电机损坏。

发明内容:

[0018] 为了解决上面的问题,本发明提出一种基于磁流变弹性体的双转子自供电减震 器。它采用磁流变弹性体,即MRE,作为一种类橡胶材料,除了具有传统橡胶材料高弹性、 低阻抗和粘弹性的特点外,还具有特殊的磁流变效应。相对于传统的被动式隔振器,基于 MRE的减振器其力学参数可控,能实时对随机激励、正弦激励和地震激励等都具有较好的 减振效果。而发电模块采用滚珠丝杠作为主动件,带动双发电转子旋转,能够最大限度的产 生电能,满足减震模块所需电能。

[0019] 为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:

[0020] 一种基于磁流变弹性体的双转子自供电减震器,它包括集成的发电模块、能源模 块和减震模块;其中,

[0021] 所述发电模块为采用以滚珠丝杠组件为主动件的双转子发电装置,滚珠丝杠组件 利用减震模块在车辆的车轮受到路面激励时产生的上下运动驱动双转子转动发电,并将电 能送入能源模块储存;

[0022] 所述能源模块设有电池和控制器,电池与发电模块连接,控制器则与车辆控制终 端连接;

[0023] 所述减震模块为磁流体弹性装置,该装置包括活塞及活塞杆,活塞杆与滚珠丝杠 组件连接;在活塞的上下方分别设有磁流体弹性组件,磁流体弹性组件与所述电池连接,所 述电池在所述控制器控制下向指定磁流体弹性组件供电,通过磁流体弹性组件的弹性模量 变化控制阻尼力大小,吸收活塞杆运动完成减震。

[0024] 所述发电模块包括发电机缸筒,发电机定子铁芯与发电机缸筒固连,发电机定子 铁芯缠绕发电机定子线圈,发电机定子线圈引出导线连接到能源模块的电池;

[0025] 发电机定子铁芯的内侧与外侧设有内、外转子;

[0026] 内、外转子分别与各自配合的一个超越离合器外环连接;

[0027] 两超越离合器内环则与滚珠丝杠组件连接;

[0028] 滚珠丝杆组件上下运动,通过两超越离合器分别驱动内、外转子转动发电。

[0029] 所述内转子包括内转子磁轭,它通过一对圆锥滚子轴承安装在发电机定子铁芯内 壁,并由相应的轴承端盖定位,内转子磁轭下端则与超越离合器I外环连接;

[0030] 在内转子磁轭上沿圆周方向均匀固连有多个内转子磁铁。

[0031] 所述外转子包括外转子磁轭,它上端通过圆锥滚子轴承安装在发电机定子铁芯外 壁,并由相应的轴承端盖定位,外转子磁轭下端则与超越离合器II外环连接;

[0032] 在外转子磁轭上沿圆周方向均匀固连有多个外转子磁铁。

[0033] 所述滚珠丝杠组件包括丝杠与和螺母,滚珠丝杠副的螺母上下端分别与超越离合 器I、超越离合器II内环连接。

[0034] 所述滚珠丝杠副为一丝杠通过滚珠与螺母轴线方向相对运动;高速插管为滚珠丝 杠副中连接运动滚珠首尾的回路管;螺钉IV将压板和螺母连接在一起。

[0035] 所述滚珠丝杠组件丝杠的螺旋升角Θ = 3.6°。

[0036] 所述滚珠丝杠组件丝杠的滑动摩擦系数μ = 0. 003。

[0037] 所述两超越离合器结构相同,均包括外环和内环,以及沿圆周方向均布的弹簧和 滚柱,内环顺时针运动时,滚柱滚入窄端,使内环和外环卡紧,带动外环运动;内环逆时针运 动时,滚柱滚入宽端,内环和外环脱开,内环空转。

[0038] 所述发电机定子线圈引出导线穿出发电机定子铁芯后,穿过发电机缸筒的导线孔 I进入发电机缸筒外壁的导线槽I,再经过发电机缸筒下部的导线孔II穿入后接所述电 池。

[0039] 所述发电机定子铁芯内壁与轴承端盖间设有调整间隙用调整垫片II。

[0040] 所述外转子磁轭与轴承端盖间设有调整间隙用调整垫片I。

[0041] 所述外转子磁轭与发电机缸筒间留有5mm间隙。

[0042] 所述能源模块包括一个能源仓,它与发电模块连接,在能源仓内设有电池和控制 器,能源仓底部设有导线孔III。

[0043] 所述减震t旲块包括减震缸筒,减震缸筒上端与能源t旲块连接,下端设有减震缸端 盖;双出杆式活塞杆贯穿减震缸筒,活塞则安装在双出杆式活塞杆上;

[0044] 以活塞为界,在活塞上部和下部的减震缸筒内安装有两套结构相同的磁流体弹性 组件,每套磁流体弹性组件以活塞为起点,均包括缓冲气囊、导磁板、MRE、铁芯及铁芯上缠 绕的线圈,线圈与所述电池连接,铁芯则与减震缸筒固连;在缓冲气囊内设有压力传感器, 压力传感器通过导线与车辆控制终端连接。

[0045] 所述MRE通过螺钉与铁芯连接,MRE和螺钉之间有一定间隙。

[0046] 所述缓冲气囊包括上橡胶板和下橡胶板,两者间固连皮囊,皮囊与各橡胶板间通 过卷边与开口密封配合;在皮囊上设有充气口以及压力传感器。

[0047] 所述减震缸端盖上设有导向孔和防尘圈槽,防尘圈槽内设有防尘圈;减震缸端盖 与双出杆式活塞杆采用H8/f8间隙配合。

[0048] 所述双出杆式活塞杆向上运动时,活塞上部的磁流体弹性组件中铁芯、减震缸筒、 MRE、导磁板和气隙构成相应的磁路回路;

[0049] 双出杆式活塞杆向下运动时活塞下部的磁流体弹性组件中铁芯、减震缸筒、MRE、 导磁板、减震缸端盖和气隙构成磁路回路。

[0050] 所述MRE的直径D取为70mm,内径d取为29mm,高度h取为30mm ;真空磁导率为 μ。= 4 π X l〇-7H/m,MRE 的相对磁导率 μ r= 3. 5, MRE 截面积为 S = π (D2_d2)/4。

[0051] 所述线圈采用直径为0. 8mm的漆包线,匝数为200。

[0052] 所述双出杆式活塞杆接触面进行淬火热处理。

[0053] 所述减震缸筒上部设有导线孔V,在减震缸筒侧壁设有导线槽II,在导线槽II内 的减震缸筒上设有导线孔VI、导线孔W、导线孔VDI和导线孔IX ;两线圈的导线分别穿过导线 孔V以及导线孔IX和导线孔VI与电池连接;两压力传感器导线则分别经导线孔W、导线孔 VDI和导线孔VI接车辆控制终端。

[0054] 所述能源模块与减震模块间设有隔磁板。本发明的有益效果是:

[0055] 其一,本方案将发电模块、能源模块、减震模块集成在一起,结构紧凑,真正做到自 供能;

[0056] 其二,发电模块利用滚珠丝杠作为主动件,因为滚珠丝杠的逆效率非常高,能够快 速有效地将转子的磁铁切割线圈,产生电能;

[0057] 其三,采用双转子发电产生电能。采用双转子发电结构能够将上下震动的能量全 部运用,发电效率高;

[0058] 其四,采用了超越离合器,避免了当丝杆上下运动时引起发电机转速反复0-加 速-减速-〇的循环,避免产生大量"惯量损失",也延长了发电机的寿命;

[0059] 其五,采用能量储存模块,对产生的电能进行管理控制;

[0060] 其六,采用磁流变弹性作为主要减震元件,能够控制阻尼力,快速的地面的激励实 时做出相应的反应,真正满足不同路面、不同载荷的行驶工况要求。而且相对于磁流变液减 震器,不仅具有稳定性好,无沉淀,密封要求低的优点,而且其结构设计简单,制备成本低。

附图说明

[0061] 图1为本发明的总装轴测图;

[0062] 图2为本发明的总装正视图;

[0063] 图3为本发明图2的A-A剖视图;

[0064] 图4为本发明的发电模块剖视图;

[0065] 图5为本发明图4的B-B剖视图

[0066] 图6为本发明的能源模块剖视图;

[0067] 图7为本发明的减震模块剖视图;

[0068] 图8为本发明的活塞杆向上运动时磁力线回路图;

[0069] 图9为本发明的活塞杆向下运动时磁力线回路图;

[0070] 图10为本发明的磁阻分布图;

[0071] 图11为本发明的等效电路图;

[0072] 图12为本发明的滚珠丝杠理论分析图;

[0073] 图13为本发明的滚珠丝杠反效率理论分析图;

[0074] 图14为本发明的滚珠丝杠轴测图;

[0075] 图15为本发明的超越离合器俯视图;

[0076] 图16为本发明的磁流变弹性体MRE轴测图;

[0077] 图17为本发明的缓冲气囊剖视图;

[0078] 图18为本发明的减震缸端盖轴测图;

[0079] 图19为本发明的电气控制系统原理图;

[0080] 其中:1_发电模块,2-能源模块,3-减震模块,4-减震缸端盖,5-双出杆式活塞 杆,6-导线槽孔,7-上支耳,8-导线槽I,9_发电机缸筒,10-隔磁板,11-螺栓I,12-下 支耳,13-导线槽II,14-发电机定子线圈,15-超越离合器I,16-超越离合器II,17-滚珠 丝杠副,18-能源仓,19-铁芯I,20-MRE I,21-活塞,22-MRE II,23-减震缸筒,24-线圈 I,25-导磁板I,26-导磁板II,27-线圈II,28-铁芯II,29 -螺钉I,30-螺钉II,31-轴承 端盖I,32-调整垫片I,33-圆锥滚子轴承I,34-外转子磁铁,35-外转子磁轭,36-螺栓 II,37-调整垫片II,38-轴承端盖II,39-圆锥滚子轴承II,40-内转子磁铁,41-内转子磁 轭,42-圆锥滚子轴承III,43-调整垫片III,44-轴承端盖III,45-螺栓III,46-丝杠,47-挡块, 48 -螺母,49-螺检IV,50-导线,51-导线孔I,52 -导线孔II,53-导线孔III,54-导线孔IV, 55-导线孔V,56-导线孔VI,57-导线孔W,58-导线孔VID,59-导线孔IX,60-电池,61-控 制器,62-螺栓IV,63-压力传感器I,64-压力传感器II,65-防尘圈,66-螺钉III,67-外环, 68-内环,69-弹簧,70-滚珠,71-压板,72-螺钉IV,73-高速插管,74-导向孔,75-发电机 定子铁芯,76-通孔,77-缓冲气囊I,78-缓冲气囊II,79-螺钉V,80-螺钉VI,81-上橡胶 板,82-皮囊,83-充气口,84-下橡胶板,85-定位销,86-上盖板,87-下盖板,88-车身加速 度传感器,89-车身位移传感器,90-车辆控制终端ECU,91-螺栓V,92-螺栓VI,93-防尘圈 槽,94-滚柱。

具体实施方式:

[0081] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

[0082] 图1为本发明的总装轴测图。其中显示了基于磁流变体的双转子自供电减震器的 外观部件。主要包括发电模块1,能源模块2,减震模块3。发电模块1为整个减震器提供 必要的电能,能源模块2将发电模块产生的电能存储,减震模块3为车辆吸收来自地面的震 动。减震缸端盖4起到轴向定位,导向和防尘的作用,与双出杆式活塞杆5采用H8/f8间隙 配合,保证活塞的运动不偏离轴线,以免产生"拉缸"现象,并保证活塞杆的密封件能正常工 作。要注意的是双出杆式活塞杆5接触面进行淬火热处理,提高耐磨性能。减震缸端盖4 还作为当双出杆式活塞杆5向下运动时磁路回路的一部分,详见图9。导线槽I 8上的导线 槽孔6将发电模块1产生的电能输送到能源模块2。上支耳7和下支耳12固定在车身上。 螺栓I 11将能源模块2、隔磁板10和减震模块3连接在一起。导线槽II 13中的导线将能 源模块2的电能输送到减震模块3,并且将减震模块3中压力传感器的信号传至车辆控制终 端E⑶90。详见图3。

[0083] 图2为本发明的总装正视图。图中显示,本发明以上支耳7和下支耳12固定在车 身上,以双出杆式活塞杆5下端以螺纹的方式连至车轮轮轴。

[0084] 图3为本发明图2的A-A剖视图。图中显示,发电机缸筒9和能源仓18通过螺纹 连接在一起,双出杆式活塞杆5和丝杠46通过螺栓V 91连接。导线通过导线孔I 51、导线 槽I 8、导线孔II 52连接至控制器61。能源仓18、隔磁板10、减震缸筒23通过螺栓IV 62连 接在一起。螺钉I 29将电池60和铁芯I 19固定。能源模块2的电能通过一根导线经导 线孔III53、导线孔IV 54、导线孔V 55传至线圈I 24,另一根通过导线孔III53、导线孔IV 54、 导线孔V 55、导线孔VI 56、接线槽II 13、导线孔IX 59传至线圈II 27。隔磁板10可以防止 发电模块的永磁体磁场与减震模块的电流磁场发生干扰。

[0085] 图4为本发明的发电模块剖视图。图中显示,发电机缸筒9通过螺钉II 30将发电 机定子铁芯75固定,发电机定子线圈14缠绕在发电机定子铁芯75上。发电机定子铁芯75 外表面与圆锥滚子轴承I 33内圈过盈配合,内表面分别于圆锥滚子轴承II 39和圆锥滚子 轴承III 42的外圈过盈配合。圆锥滚子轴承I 33外圈与外转子磁轭35过盈配合,并通过轴 承端盖I 31进行轴向定位,调整垫片I 32调整其间隙。通过磁铁专用粘结剂将外转子磁 轭35内表面和6片外转子磁铁34沿圆周360度均匀粘结在一起。内转子磁轭41的外表 面分别于圆锥滚子轴承II 39的内圈和圆锥滚子轴承III 42的内圈过盈配合,并通过磁铁专 用粘结剂将6片内转子磁铁40沿圆周360度均匀粘结在一起。圆锥滚子轴承II 39通过轴 承端盖II 38进行轴向定位,调整垫片II 37调整其间隙。圆锥滚子轴承III 42通过轴承端盖 III 44进行轴向定位,调整垫片III 43调整其间隙。发电机缸筒9和外转子磁轭35留有5mm 间隙。螺栓III 45将滚珠丝杠副17的螺母48上端和超越离合器I 15内圈连接在一起。螺 栓II 36将超越离合器I 15外圈和内转子磁轭41下端连接在一起。螺栓VI 92(被内转子 磁轭41挡住)将滚珠丝杠副17的螺母48下端和超越离合器II 16内圈连接在一起。螺栓 IV 49将超越离合器II 16外圈和外转子磁轭35下端连接在一起。丝杠46与螺母48同轴 线,滚珠70填充其中,挡块47限制滚珠70滚出。导线50由发电机定子线圈14引出通过 导线孔I 51、导线槽I 8、导线孔II 52连接至能源模块。

[0086] 图5为本发明图4的B-B剖视图。图中更清晰的显示了双转子发电模块的构造, 其中内转子磁轭41通过磁铁专用粘结剂将6片内转子磁铁40沿圆周360度均匀粘结在一 起。发电机定子线圈14缠绕在发电机定子铁芯75上。外转子磁轭35内表面通过磁铁专 用粘结剂将6片外转子磁铁34沿圆周360度均匀粘结在一起。发电机缸筒9上设有导线 槽I 8,导线槽I 8上开有导线槽孔6。

[0087] 图6为本发明的能源模块剖视图。能源仓18通过外螺纹与发电机缸筒9连接,通 过螺钉I 29与电池60连接。电池60和控制器61通过小螺钉(省略)连接。能源仓18 上设有导线孔III 53。

[0088] 图7为本发明的减震模块剖视图。铁芯I 19上设有四个沿圆周360度分布的螺 纹孔,并缠绕线圈I 24。铁芯I 19、MRE I 20和导磁板I 25通过四个沿圆周360度均布 的螺钉V 79连接,MRE I 20和螺钉V 79之间有一定间隙,保证MRE I 20轴向弹性形变 不受限制。导磁板I 25和缓冲气囊I 77之间通过不锈钢粘结剂粘结。缓冲气囊II 78和 导磁板II 26通过不锈钢粘结剂粘结。导磁板II 26、MRE II 22和铁芯II 28通过四个沿圆 周360度均布的螺钉VI 80连接。铁芯II 28上设有四个沿圆周360度分布的螺纹孔,并缠 绕有线圈II 27。减震缸端盖4通过螺纹与减震缸筒23连接,并通过沿圆周360度均布的四 个螺钉III 66与铁芯II 28固定。减震缸端盖4和双出杆式活塞杆5之间设有防尘圈65,防 止灰尘被活塞杆带入缸体内,造成污染。减震缸筒23上设有导线孔V 55、导线孔VI 56、导 线孔W 57、导线孔VID 58、导线孔IX 59,并设有导线槽II 13。缓冲气囊I 77和缓冲气囊II 78 中分别设有压力传感器I 63和压力传感器II 64。

[0089] 图8为本发明的活塞杆向上运动时磁力线回路图。铁芯I 19、减震缸筒23、MRE I 20、导磁板I 25和气隙构成磁路回路。我们的方案主要是使用MRE弹性体进行减震,因 此,为了使用最少的电流值能达到最好的磁场效果,当活塞杆向上运动时线圈I 24通电, 电流方向为顺时针(从上向下俯视),由电磁场右手螺旋关系可知磁力线方向如图中箭头 所指方向。此时线圈II 27无电。

[0090] 图9为本发明的活塞杆向下运动时磁力线回路图。铁芯II 28、减震缸筒23、MRE II 22、导磁板II 26、减震缸端盖4和气隙构成磁路回路。当活塞杆向下运动时,线圈II 27 得电,电流方向为逆时针(从上向下俯视),由电磁场右手螺旋关系可知磁力线方向如图中 箭头所指方向。此时线圈I 24无电。

[0091] 图10和图11分别为本发明的磁阻分布图和等效电路图。

[0092] 为了更清晰的分析我们方案中减震模块的理论,我们建立磁阻分布图和等效电路 图。

[0093] 设N为闭合磁路中线圈的匝数,I为线圈中的电流,则Fm = NI为闭合磁路的磁 通势,再由磁路的欧姆定律可以得到下式:

[0094] NI = OrnRrn

[0095] 式中:Φιή为磁路的磁通量

[0096] 根据磁流变弹性体隔振器结构,各部分构成一个闭合回路,其中,铁心磁阻:Rml ; MRE磁阻:Rm2 ;导磁板1磁阻:Rm3 ;气隙磁阻:Rm4 ;套筒磁阻:Rm5

[0097]

Figure CN104500641AD00111

[0098] Rm ~ Rm2+Rm4 (气隙磁阻和弹性体磁阻远大于其他磁阻,故忽略其他磁阻)

[0099] Rm = 2h/ μ 〇 μ rS

[0100] 在该磁路中,MRE弹性体和空气间隙的磁阻比较大,经计算比较(按照气隙磁阻最 大处,也即截面积最小处计算),MRE弹性体磁阻约是气隙的3. 35倍,因此MRE的磁阻最大, 因而,优化磁路应首先考虑优化MRE的磁阻。既要求整个磁路的磁阻太大,还要满足力学 要求,磁流变弹性体的直径D取为70mm,内径d取为29mm,高度h取为30mm。真空磁导率为 μ。= 4 π X l〇-7H/m,磁流变弹性体的相对磁导率μ 3. 5,磁流变弹性体截面积为S = π (D2-d2)/4(其中 D = 70mm,d = 29mm)

[0101] 串联时磁路中磁通处处相等,结合此式(磁路的磁通量可以用式:Φ = BS(S为磁 路截面积,20号钢磁导率为1580,空气磁导率为1)),再根据传统的减震器结构:

[0102] 取近似值,可以得出:套筒的上壁厚(6mm)和侧壁厚(5mm),以及内径(092匪)、 外径(0102mm),其中上壁厚是根据上壁和磁芯接触的最小截面积来计算;下导磁板的厚度 (15mm),直径(090mm );

[0103] 由磁路欧姆定律 NI = Φιή · Rm = BS · h/ μ。μ rS = Bh/ μ。μ r

[0104] 综合考虑线圈发热量,选择直径为0.8mm的漆包线制作线圈,其中漆包线中可以 通过的最大电流I max= 1A,则所制作的线圈可产生磁场强度B = 5T,已知10号钢的相对磁 导率L= 1200,真空绝对磁导率为l·^= 4π X 10 _7H/m。

[0105] 为了使磁场强度具有更大的可调范围,利用经验公式修正绕组匝数:

[0106] n' = rV(0. 65-0. 85) = 126八0. 65-0. 85) = 148-193

[0107] 考虑空气间隙,取匝数为200。

[0108] 图12为本发明所用的滚珠丝杠理论分析图。螺旋升角Θ和输出力矩成正比关系, 在我们方案中力矩要求不高,综上,我们需要适当减小螺旋升角提高我们的发电效率。

[0109] Θ = arCtanPh/ π d0

[oho] 为了得到较小的螺旋升角θ,选择较小的导程,较大的公称直径。查询机械设计手 册,结合整体结构尺寸,选择Cltl= 25mm,Ph= 5mm,求得Θ =3.6° 〇

[0111] 图13为本发明的滚珠丝杠反效率理论分析图。由图可知滚珠丝杠的导程角和逆 传动效率及滑动摩擦系数之间的关系:选择滑动摩擦系数μ = 0.003,效率能达到95%左 右。

[0112] 图14为本发明的滚珠丝杠轴测图。螺钉IV 72将压板71和螺母48连接在一起。 丝杠46通过滚珠70与螺母48轴线方向相对运动。高速插管73为滚珠丝杠副17中连接 运动滚珠首尾的回路管。

[0113] 图15为本发明的超越离合器俯视图。超越离合器I 15包括外环67,内环68,弹 簧69和滚柱94。当内环68顺时针运动时,滚柱94滚入窄端,使内环68和外环67卡紧,带 动外环67运动;当内环68逆时针运动时,滚柱94滚入宽端,内环68和外环67脱开,内环 68空转。

[0114] 图16为本发明的磁流变弹性体MRE轴测图。磁流变弹性体 MRE(Magnetorheol〇-gical Elastomer), -种类橡胶材料,除了具有传统橡胶材料高弹 性、低阻抗和粘弹性的特点外,还具有特殊的磁流变效应。当磁流变弹性体MRE中通过磁 场时,其弹性模量会发生变化,用在本方案中可以吸收震动。MRE I 20上有通孔76。

[0115] 图17为本发明的缓冲气囊剖视图。上橡胶板81与上盖板86通过橡胶专用胶永 久粘结。皮囊82为空气弹簧的核心部件,它大体上构成一个空腔。皮囊82的一端与上盖 板86通过卷边与开口密封配合。皮囊82的另一端与下盖板87同样通过卷边与开口密封配 合。卷边的好处是可以提高二者结合的强度,防止空气弹簧在压缩过程中过快地损坏。下 橡胶板84与下盖板87通过橡胶专用胶永久粘结,并且其上设有充气口 83。下橡胶板84设 有定位销85。

[0116] 图18为本发明的减震缸端盖轴测图。减震缸端盖4上设有导向孔74和防尘圈槽 93。减震缸端盖4起到轴向定位,导向和防尘的作用,与双出杆式活塞杆5采用H8/f8间隙 配合,保证活塞的运动不偏离轴线,以免产生"拉缸"现象,并保证活塞杆的密封件能正常工 作。减震缸4还作为当活塞杆向下运动时磁路回路的一部分。

[0117] 图19为本发明的电气控制系统原理图。车身加速度传感器88用来检测路面凹凸 不平的程度,车身位移传感器89用来检测减震器的实际运动行程。车身受到路面激励时, 压力传感器I 63、压力传感器II 64、车身加速度传感器88和车身位移传感器89的模拟信 号传导车辆控制终端ECU90,通过计算得到相应的控制信号并传到能量控制模块中的控制 器61,相应的输出电流至线圈I 24和线圈II 27。

[0118] 本方案具体过程如下:

[0119] 当车轮受到路面激励时,将震动传递给与车轮连接的双出杆式活塞杆5,并带动活 塞21向上运动,压缩缓冲气囊I 77,此时缓冲气囊中的压力传感器I 63得到信号,并将信 号传递到车辆控制终端ECU90,通过与同样传到车辆控制终端的车身加速度传感器88和 车身位移传感器89的模拟信号的计算,得到相应的控制信号并传到能量控制模块中的控 制器61,相应的输出电流至线圈I 24。线圈I 24产生磁场,铁芯I 19、减震缸筒23、MRE I 20、导磁板I 25和气隙构成磁路回路。此时磁流变弹性体MRE I 20受磁场作用,其弹 性模量得到变化,阻止了活塞21向上运动,并因此吸收了震动。在吸收震动的同时,双出杆 式活塞杆5带动丝杠46向上运动,带动螺母48顺时针运动(从上向下俯视),因为螺母48 与超越离合器I 15内环螺栓连接,所以螺母带动超越离合器I内环顺时针运动(从上向下 俯视)。此时滚柱滚入窄端,带动外环顺时针运动。因为外环与内转子磁轭41螺栓连接,因 此带动内转子磁轭顺时针运动。而此时螺母另一端超越离合器II 16滚柱滚入宽端,内环和 外环脱开,内环空转。内转子磁轭上贴有内转子磁铁40,此时内转子磁铁的磁力线切割发电 机定子线圈14,产生电能。产生的电能经导线50通过导线孔151、导线槽I 8、导线孔II 52 到控制器61,并将电能存储到电池60。

[0120] 当活塞21的向上运动速度为0时,虽然电能已经消耗一部分震动能量,活塞还是 会因为MRE I 20的弹性反弹,这时活塞向下运动,车身位移传感器得到信号传至车辆控制 终端ECU反馈出信号,线圈I 24断电。而此时活塞压缩缓冲气囊II 78,此时缓冲气囊中的 传感器II 64得到信号,并将信号传递到车辆控制终端ECU90,通过与同样传到车辆控制终 端的车身加速度传感器88和车身位移传感器89的模拟信号的计算,得到相应的控制信号 并传到能量控制模块中的控制器61,相应的输出电流至线圈II 27,通电线圈产生磁场。铁 芯II 28、减震缸筒23、MRE II 22、导磁板II 26、减震缸端盖4和气隙构成磁路回路。此时磁 流变弹性体MRE II 22受磁场作用其弹性模量得到变化,阻止了活塞21向下运动,并因此吸 收了反向震动。在吸收反向震动的同时,双出杆式活塞杆5带动丝杠46向下运动,带动螺 母48逆时针运动(从上向下俯视),因为螺母48与超越离合器II 16内环螺栓连接,所以螺 母带动超越离合器II内环逆时针运动(从上向下俯视)。此时滚柱滚入窄端,带动外环逆时 针运动。因为外环与外转子磁轭35螺栓连接,因此带动外转子磁轭逆时针运动。而此时螺 母另一端超越离合器I 15滚柱滚入宽端,内环和外环脱开,内环空转。外转子磁轭上贴有 外转子磁铁34,此时外转子磁铁的磁力线切割发电机定子线圈14,产生电能。产生的电能 经导线50通过导线孔151、导线槽I 8、导线孔II 52到控制器61,并将电能存储到电池60。

[0121] 在往复运动中,其减震模块通过电能吸收来自地面的激励,并最终使速度和加速 度其减小至0,实现车身的平稳。而在这个过程中,磁流变体的双转子自供电减震器的发电 模块也会利用震动产生的位移做功发电并存储到能源模块。

Claims (10)

1. 一种基于磁流变弹性体的双转子自供电减震器,其特征是,它包括集成的发电模块、 能源模块和减震模块;其中, 所述发电模块为采用以滚珠丝杠组件为主动件的双转子发电装置,滚珠丝杠组件利用 减震模块在车辆的车轮受到路面激励时产生的上下运动驱动双转子转动发电,并将电能送 入能源模块储存; 所述能源模块设有电池和控制器,电池与发电模块连接,控制器则与车辆控制终端连 接; 所述减震模块为磁流体弹性装置,该装置包括活塞及活塞杆,活塞杆与滚珠丝杠组件 连接;在活塞的上下方分别设有磁流体弹性组件,磁流体弹性组件与所述电池连接,所述电 池在所述控制器控制下向指定磁流体弹性组件供电,通过磁流体弹性组件的弹性模量变化 控制阻尼力大小,吸收活塞杆运动完成减震。
2. 如权利要求1所述的基于磁流变弹性体的双转子自供电减震器,其特征是,所述发 电模块包括发电机缸筒,发电机定子铁芯与发电机缸筒固连,发电机定子铁芯缠绕发电机 定子线圈,发电机定子线圈引出导线连接到能源模块的电池; 发电机定子铁芯的内侧与外侧设有内、外转子; 内、外转子分别与各自配合的一个超越离合器外环连接; 两超越离合器内环则与滚珠丝杠组件连接; 滚珠丝杆组件上下运动,通过两超越离合器分别驱动内、外转子转动发电。
3. 如权利要求2所述的基于磁流变弹性体的双转子自供电减震器,其特征是,所述内 转子包括内转子磁轭,它通过一对圆锥滚子轴承安装在发电机定子铁芯内壁,并由相应的 轴承端盖定位,内转子磁轭下端则与超越离合器I外环连接; 在内转子磁轭上沿圆周方向均匀固连有多个内转子磁铁; 所述外转子包括外转子磁轭,它上端通过圆锥滚子轴承安装在发电机定子铁芯外壁, 并由相应的轴承端盖定位,外转子磁轭下端则与超越离合器II外环连接; 在外转子磁轭上沿圆周方向均匀固连有多个外转子磁铁; 所述发电机定子铁芯内壁与轴承端盖间设有调整间隙用调整垫片II ;所述外转子磁轭 与轴承端盖间设有调整间隙用调整垫片I。
4. 如权利要求2所述的基于磁流变弹性体的双转子自供电减震器,其特征是,所述滚 珠丝杠组件包括丝杠与和螺母,滚珠丝杠副的螺母上下端分别与超越离合器I、超越离合器 II内环连接; 所述滚珠丝杠副为一丝杠通过滚珠与螺母轴线方向相对运动;高速插管为滚珠丝杠副 中连接运动滚珠首尾的回路管;螺钉IV将压板和螺母连接在一起。
5. 如权利要求2所述的基于磁流变弹性体的双转子自供电减震器,其特征是,所述两 超越离合器结构相同,均包括外环和内环,以及沿圆周方向均布的弹簧和滚柱,内环顺时针 运动时,滚柱滚入窄端,使内环和外环卡紧,带动外环运动;内环逆时针运动时,滚柱滚入宽 端,内环和外环脱开,内环空转。
6. 如权利要求1所述的基于磁流变弹性体的双转子自供电减震器,其特征是,所述能 源模块包括一个能源仓,它与发电模块连接,在能源仓内设有电池和控制器,能源仓底部与 减震模块间设有隔磁板。
7. 如权利要求1所述的基于磁流变弹性体的双转子自供电减震器,其特征是,所述减 震模块包括减震缸筒,减震缸筒上端与能源模块连接,下端设有减震缸端盖;双出杆式活塞 杆贯穿减震缸筒,活塞则安装在双出杆式活塞杆上; 以活塞为界,在活塞上部和下部的减震缸筒内安装有两套结构相同的磁流体弹性组 件,每套磁流体弹性组件以活塞为起点,均包括缓冲气囊、导磁板、MRE、铁芯及铁芯上缠绕 的线圈,线圈与所述电池连接,铁芯则与减震缸筒固连;在缓冲气囊内设有压力传感器,压 力传感器通过导线与车辆控制终端连接。
8. 如权利要求7所述的基于磁流变弹性体的双转子自供电减震器,其特征是,所述MRE 通过螺钉与铁芯连接,MRE和螺钉之间有一定间隙;所述缓冲气囊包括上橡胶板和下橡胶 板,两者间固连皮囊,皮囊与各橡胶板间通过卷边与开口密封配合;在皮囊上设有充气口以 及压力传感器。
9. 如权利要求7所述的基于磁流变弹性体的双转子自供电减震器,其特征是,所述减 震缸端盖上设有导向孔和防尘圈槽,防尘圈槽内设有防尘圈;减震缸端盖与双出杆式活塞 杆采用H8/f8间隙配合。
10. 如权利要求7所述的基于磁流变弹性体的双转子自供电减震器,其特征是,所述双 出杆式活塞杆接触面进行淬火热处理。
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