CN105422722A - 变阻尼间隙磁流变缓冲器及其自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种变阻尼间隙磁流变缓冲器，包括内部填充有磁流变介质的工作缸、设置于工作缸内的活塞以及与活塞固定连接的活塞杆；所述工作缸的内侧壁为内径由左端到右端先增大后减小的凹弧面结构，工作缸的内侧壁与活塞之间具有阻尼间隙且该阻尼间隙的宽度随着活塞在工作缸内往复运动而变化，所述活塞外侧壁设置有励磁线圈，能够有效根据冲击状态进行自适应调节，适应能力强，而且相应速度快，能够有效地减小冲击力峰值以及减轻冲击对缓冲器造成的损伤，具有良好的稳定性和可靠性。

Description

变阻尼间隙磁流变缓冲器及其自适应控制方法

技术领域

本发明涉及一种缓冲控制装置及控制方法，尤其涉及一种变阻尼间隙磁流变缓冲器及其自适应控制方法。

背景技术

缓冲器在汽车碰撞、飞机起落架、火炮或枪支反后坐装置、电梯系统、滑动座椅系统等领域中起到至关重要的作用，传统的缓冲器一般包括如下两种：被动缓冲器以及半主动缓冲器，被动缓冲器一旦设计完成之后其耗能特性不可以调节，因此，其自适应能力极差；半主动缓冲器解决了被动缓冲器存在自适应能力差的问题，例如：中国专利文件201472283U公开的一种“车辆用螺纹剪切式碰撞系能装置”，该装置为一种半主动式缓冲器，在碰撞过程中可以根据碰撞速度的不同对螺纹的伸长长度进行自适应调节，但是这种通过机械调节方式的缓冲器，响应速度非常缓慢，不能满足冲击领域中对相应时间的需求；随着技术的发展，人们逐渐提出了基于磁流变的缓冲器，但是现有的磁流变缓冲器的阻尼通道都是等间隙的，在冲击过程中冲击力峰值非常大，因此，造成控制的稳定性和可靠性差。

因此，需要提出一种新的缓冲器，能够有效根据冲击状态进行自适应调节，适应能力强，而且相应速度快，并且具有良好的稳定性和可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种变阻尼间隙磁流变缓冲器，能够有效根据冲击状态进行自适应调节，适应能力强，而且响应速度快，并且具有良好的稳定性和可靠性。

本发明提供的一种变阻尼间隙磁流变缓冲器，包括内部填充有磁流变介质的工作缸、设置于工作缸内的活塞以及与活塞固定连接的活塞杆；

所述工作缸的内侧壁为内径由左端到右端先增大后减小的凹弧面结构，工作缸的内侧壁与活塞之间具有阻尼间隙且该阻尼间隙的宽度随着活塞在工作缸内往复运动而变化，所述活塞外侧壁设置有励磁线圈。

进一步，所述工作缸内还设置有浮动活塞，所述浮动活塞将工作缸内部空间分隔成液压腔和补偿腔，所述活塞设置于液压腔中。

进一步，所述液压腔的内侧壁为内径从左端到右端先增大后减小的弧面结构，所述补偿腔的内侧壁为柱状结构且补偿腔和液压腔的结合处设置有用于对浮动活塞限位的环状挡圈。

进一步，所述活塞与工作缸同轴设置且活塞与工作缸的内侧壁之间形成环状结构的阻尼间隙，且该阻尼间隙的宽度变化范围为0.5-3mm。

进一步，所述工作缸内侧壁的凹弧面的顶点设置于工作缸的左端且位于工作缸的1/4长度处到工作缸的轴向中点之间。

进一步，所述活塞杆从工作缸的左端伸出，所述活塞杆的外端端部固定设置有外机构，所述外机构设置有用于检测冲击物速度以及冲击物与外机构之间的相对距离的探测器，所述探测器与控制单元连接且控制单元控制励磁线圈的励磁电流大小。

相应地，本发明提供了一种变阻尼间隙磁流变缓冲器的自适应控制方法，包括如下步骤：

S1.检测变阻尼间隙磁流变缓冲器在不同时刻的冲击能量E0，根据冲击能量E0判断当前冲击类型；

S2.根据当前冲击类型从控制策略集合中选择匹配的控制策略控制励磁线圈的励磁电流大小。

8.根据权利要求7所述变阻尼间隙磁流变阻尼器的自适应控制方法，其特征在于：步骤S1中，根据当前冲击能量E0按照如下方式确定冲击类型：

a1.当E0≤E1时，为第一类冲击；

a2.当E1＜E0≤E2时，为第二类冲击；

a3.当E0＞E2时，为第三类冲击；

其中，E1为励磁线圈不施加任何励磁电流时变阻尼间隙磁流变缓冲器可以耗散的最大冲击能量，E2为励磁线圈施加最大励磁电流时变阻尼间隙磁流变缓冲器可以耗散的最大冲击能量。

进一步，步骤S2中，控制策略集合为对励磁线圈施加电流的状态，包括：不施加励磁电流、施加最大励磁电流以及施加可调励磁电流；其中：

当前冲击为第一类冲击时，控制单元不向励磁线圈施加励磁电流；

当前冲击为第三类冲击时，控制单元向励磁线圈施加最大励磁电流；

当前冲击为第二类冲击时，控制单元向励磁线圈施加可调励磁电流。

进一步，步骤S2中，可调励磁电流采用无级可调励磁电流或者有级可调励磁电流：

有级可调励磁电流按照如下方式确定：

S201.将E1-E2区间段的冲击能量从小到大设置N个分界点：E10、E11、E12、…、E1k、…、E1(N-1)、E1N，其中，E10＝E1，E1N＝E2，N为大于或等于2的自然数，当冲击能量E0处于第K段能量范围时E1(k-1)＜E0≤E1k；

S202.建立冲击能量-励磁电流数据库：任一能量范围K对应一个励磁电流值Ik；

无级可调励磁电流按照如下方式确定：

S211.建立可变阻尼间隙磁流变缓冲器的阻尼力与励磁电流的逆变模型；

S212.根据牛顿第二定律以及有效冲击行程S_eff计算耗散当前冲击能量E0对应的励磁电流I。

本发明的有益效果：本发明提供的变阻尼间隙磁流变缓冲器，能够有效根据冲击状态进行自适应调节，适应能力强，而且相应速度快，能够有效地减小冲击力峰值以及减轻冲击对缓冲器造成的损伤，具有良好的稳定性和可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的冲击过程中冲击力-冲击行程曲线图。

图3为本发明的控制原理框图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，图2为本发明的冲击过程中冲击力-冲击行程曲线图，如图所示，本发明提供的一种变阻尼间隙磁流变缓冲器，包括内部填充有磁流变介质的工作缸4、设置于工作缸4内的活塞5以及与活塞5固定连接的活塞杆3；

所述工作缸4的内侧壁为内径由左端到右端先增大后减小的凹弧面结构，工作缸4的内侧壁与活塞5之间具有阻尼间隙6且该阻尼间隙6的宽度随着活塞在工作缸内往复运动而变化，所述活塞5外侧壁设置有励磁线圈7，通过这种结构，能够有效根据冲击状态进行自适应调节，适应能力强，而且相应速度快，能够有效地减小冲击力峰值以及减轻冲击对缓冲器造成的损伤，具有良好的稳定性和可靠性，本实施例中的左端和右端为图1中所示的左端和右端。

本实施例中，所述工作缸4内还设置有浮动活塞10，所述浮动活塞10将工作缸内部空间分隔成液压腔8和补偿腔11，所述活塞5设置于液压腔8中，补偿腔11中填充有氮气或者惰性气体，优先采用氮气，液压腔中填充有磁流变介质，比如磁流变液、磁流变胶泥、磁流变脂或者磁流变泡沫等；通过这种结构，能够对液压腔起到有效补偿作用，保证冲击力得到耗散，从而对冲击力峰值进行有效削减，保证缓冲器的稳定性和可靠性。

本实施例中，所述液压腔8的内侧壁为内径从左端到右端先增大后减小的弧面结构，所述工作缸4内侧壁的凹弧面的顶点设置于工作缸4的左端且位于工作缸4的1/4长度处到工作缸4的轴向中点之间，如图1所示，凹弧面的顶点为S处，在液压腔中，由液压腔的内侧壁为两个弧面段组成，其中，由液压腔的左端到S处的弧面弧度为a，由S处到环状挡圈处的弧面弧度为b，其中，a大于b，当活塞位于液压腔内对应于S处时，阻尼间隙为最大，当活塞在冲击力作用下运动到此处时所受到的冲击速度也为最大，因此，通过这种结构，从而对冲击峰值进行有效的削减，保证冲击阻尼力随冲击行程的变化为一平台状，如图2虚线所示，图2中的虚线为本发明的冲击冲击力-冲击行程变化曲线，实线为传统磁流变缓冲器的冲击冲击力-冲击行程变化曲线，所述补偿腔11的内侧壁为柱状结构且补偿腔11和液压腔8的结合处设置有用于对浮动活塞10限位的环状挡圈9，通过挡圈的作用，能够对浮动活塞进行有效的限位，避免浮动活塞在氮气的作用下脱离补偿腔而导致补偿失效进而影响到缓冲效果。

本实施例中，所述活塞5与工作缸4同轴设置且活塞5与工作缸4的内侧壁之间形成环状结构的阻尼间隙6，且该阻尼间隙6的宽度变化范围为0.5-3mm，通过这种结构，能够有效地保证缓冲效果，确保缓冲器的稳定性和可靠性。

本实施例中，所述活塞杆3从工作缸4的左端伸出，所述活塞杆3的外端端部固定设置有外机构2，所述外机构2设置有用于检测冲击物速度以及冲击物与外机构2之间的相对距离的探测器1，所述探测器1与控制单元连接且控制单元控制励磁线圈的励磁电流大小，其中，外机构2为冲击承载平台，探测器为现有的速度和距离探测器，控制单元包括与探测器连接的信号调理模块、与信号调理模块连接的控制器以及与控制器连接的可控电源，可控电源根据控制器的命令向励磁线圈输出相应的电流，为了保证工作缸的密封性，可控电源与励磁线圈之间的导线穿过活塞杆的方式设置。

相应地，本发明提供了一种变阻尼间隙磁流变缓冲器的自适应控制方法，包括如下步骤：

S1.检测变阻尼间隙磁流变缓冲器在不同时刻的冲击能量E0，根据冲击能量E0判断当前冲击类型；

S2.根据当前冲击类型从控制策略集合中选择匹配的控制策略控制励磁线圈的励磁电流大小。

8.根据权利要求7所述变阻尼间隙磁流变阻尼器的自适应控制方法，其特征在于：步骤S1中，根据当前冲击能量E0按照如下方式确定冲击类型：

a1.当E0≤E1时，为第一类冲击；

a2.当E1＜E0≤E2时，为第二类冲击；

a3.当E0＞E2时，为第三类冲击；

其中，E1为励磁线圈不施加任何励磁电流时变阻尼间隙磁流变缓冲器可以耗散的最大冲击能量，E2为励磁线圈施加最大励磁电流时变阻尼间隙磁流变缓冲器可以耗散的最大冲击能量。

本实施例中，步骤S2中，控制策略集合为对励磁线圈施加电流的状态，包括：不施加励磁电流、施加最大励磁电流以及施加可调励磁电流；其中：

当前冲击为第一类冲击时，控制单元不向励磁线圈施加励磁电流；

当前冲击为第三类冲击时，控制单元向励磁线圈施加最大励磁电流；

当前冲击为第二类冲击时，控制单元向励磁线圈施加可调励磁电流。

本实施例中，步骤S2中，可调励磁电流采用无级可调励磁电流或者有级可调励磁电流：

有级可调励磁电流按照如下方式确定：

S201.将E1-E2区间段的冲击能量从小到大设置N个分界点：E10、E11、E12、…、E1k、…、E1(N-1)、E1N，其中，E10＝E1，E1N＝E2，N为大于或等于2的自然数，当冲击能量E0处于第K段能量范围时E1(k-1)＜E0≤E1k；

S202.建立冲击能量-励磁电流数据库：任一能量范围K对应一个励磁电流值Ik；

无级可调励磁电流按照如下方式确定：

S211.建立可变阻尼间隙磁流变缓冲器的阻尼力与励磁电流的逆变模型；

S212.根据牛顿第二定律以及有效冲击行程S_eff计算耗散当前冲击能量E0对应的励磁电流I，其中，有效冲击行程S_eff为工作缸长度S_缸与活塞长度S_活之差，工作缸长度是指液压腔内侧的轴向长度，如图1所示；通过上述方法与本发明的缓冲器的共同作用，能够有效提高缓冲过程中的自适应能力。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种变阻尼间隙磁流变缓冲器，其特征在于：包括内部填充有磁流变介质的工作缸、设置于工作缸内的活塞以及与活塞固定连接的活塞杆；

所述工作缸的内侧壁为内径由左端到右端先增大后减小的凹弧面结构，工作缸的内侧壁与活塞之间具有阻尼间隙且该阻尼间隙的宽度随着活塞在工作缸内往复运动而变化，所述活塞外侧壁设置有励磁线圈。

2.根据权利要求1所述变阻尼间隙磁流变缓冲器，其特征在于：所述工作缸内还设置有浮动活塞，所述浮动活塞将工作缸内部空间分隔成液压腔和补偿腔，所述活塞设置于液压腔中。

3.根据权利要求2所述变阻尼间隙磁流变缓冲器，其特征在于：所述液压腔的内侧壁为内径从左端到右端先增大后减小的弧面结构，所述补偿腔的内侧壁为柱状结构且补偿腔和液压腔的结合处设置有用于对浮动活塞限位的环状挡圈。

4.根据权利要求1所述变阻尼间隙磁流变缓冲器，其特征在于：所述活塞与工作缸同轴设置且活塞与工作缸的内侧壁之间形成环状结构的阻尼间隙，且该阻尼间隙的宽度变化范围为0.5-3mm。

5.根据权利要求1所述变阻尼间隙磁流变缓冲器，其特征在于：所述工作缸内侧壁的凹弧面的顶点设置于工作缸的左端且位于工作缸的1/4长度处到工作缸的轴向中点之间。

6.根据权利要求1所述变阻尼间隙磁流变缓冲器，其特征在于：所述活塞杆从工作缸的左端伸出，所述活塞杆的外端端部固定设置有外机构，所述外机构设置有用于检测冲击物速度以及冲击物与外机构之间的相对距离的探测器，所述探测器与控制单元连接且控制单元控制励磁线圈的励磁电流大小。

7.根据权利要求1-6任一权利要求所述变阻尼间隙磁流变缓冲器的自适应控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1.检测变阻尼间隙磁流变缓冲器在不同时刻的冲击能量E0，根据冲击能量E0判断当前冲击类型；

S2.根据当前冲击类型从控制策略集合中选择匹配的控制策略控制励磁线圈的励磁电流大小。

8.根据权利要求7所述变阻尼间隙磁流变阻尼器的自适应控制方法，其特征在于：步骤S1中，根据当前冲击能量E0按照如下方式确定冲击类型：

a1.当E0≤E1时，为第一类冲击；

a2.当E1＜E0≤E2时，为第二类冲击；

a3.当E0＞E2时，为第三类冲击；

其中，E1为励磁线圈不施加任何励磁电流时变阻尼间隙磁流变缓冲器可以耗散的最大冲击能量，E2为励磁线圈施加最大励磁电流时变阻尼间隙磁流变缓冲器可以耗散的最大冲击能量。

9.根据权利要求8所述变阻尼间隙磁流变阻尼器的自适应控制方法，其特征在于：步骤S2中，控制策略集合为对励磁线圈施加电流的状态，包括：不施加励磁电流、施加最大励磁电流以及施加可调励磁电流；其中：

当前冲击为第一类冲击时，控制单元不向励磁线圈施加励磁电流；

当前冲击为第三类冲击时，控制单元向励磁线圈施加最大励磁电流；

当前冲击为第二类冲击时，控制单元向励磁线圈施加可调励磁电流。

10.根据权利要求9所述变阻尼间隙磁流变阻尼器的自适应控制方法，其特征在于：步骤S2中，可调励磁电流采用无级可调励磁电流或者有级可调励磁电流：

有级可调励磁电流按照如下方式确定：

S201.将E1-E2区间段的冲击能量从小到大设置N个分界点：E10、E11、E12、…、E1k、…、E1(N-1)、E1N，其中，E10＝E1，E1N＝E2，N为大于或等于2的自然数，当冲击能量E0处于第K段能量范围时E1(k-1)＜E0≤E1k；

S202.建立冲击能量-励磁电流数据库：任一能量范围K对应一个励磁电流值Ik；

无级可调励磁电流按照如下方式确定：

S211.建立可变阻尼间隙磁流变缓冲器的阻尼力与励磁电流的逆变模型；

S212.根据牛顿第二定律以及有效冲击行程S_eff计算耗散当前冲击能量E0对应的励磁电流I。