CN106979273B - 一种基于磁流变技术的发动机减振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流变技术的发动机减振器，包括固定座、减振模块以及控制模块。固定座为振动控制对象；减振模块由磁路铁芯、磁流变弹性体、吸振质量块、线圈挡板、励磁线圈、上夹板、隔磁块、下夹板组成；控制模块由加速度传感器、数据采集系统、控制主机、直流电源组成。通过调节励磁线圈上的励磁电流，调节磁流变弹性体的刚度，从而满足实现发动机减振的振动频率需要。本发明具有减振效果好、适用频带范围宽、消耗能量少、结构简单等优点。

Description

一种基于磁流变技术的发动机减振器

技术领域

本发明涉及应用于机械、电器设备上的减振装置，特别是涉及一种基于磁流变技术的发动机减振装置。

背景技术

发动机是车辆的核心部件，也是车辆的最主要的噪声与振动源。发动机工作时，其振动会影响车载设备的可靠性和寿命，并且会在驾驶舱内引起噪声和振动，影响乘坐的舒适性。因此，针对发动机的振动问题，设计一种发动机系统的振动控制装置有重要的意义。

为了减小发动机振动的影响，通常在发动机系统上附加一个减振器，适当选择减振器的结构形式、动力参数以及与目标系统的耦合关系，改变发动机系统的振动状态，从而减小预期频段上的发动机系统的强迫振动响应。按照其是否需要能量输入及抑制振动的形式，实现振动控制的方法，可以分为被动控制、主动控制和半主动控制。被动控制成本低，无自适应能力，只适用于窄带振动控制；主动控制属于力控制，需要直接提供控制力的能源，能量消耗较大，成本较高，结构较复杂；半主动控制属于参数控制，根据结构的振动响应或动载荷的信息实时改变结构的参数，从而达到减振的目的。

磁流变弹性体(MRE)是一种新型智能材料，这种材料的弹性模量可以通过改变磁场强度进行调节。基于上述原理，将磁流变弹性体应用于减振器中，通过调节外加电流产生的磁场，控制磁流变弹性体所在振动系统的刚度变化，实现减振器的刚度可随外加磁场的改变而连续性改变。而且磁流变弹性体具有响应快、稳定性好、使用方便等优点。

通过对现有文献检索发现，目前，已有利用磁流变弹性体的材料特性来设计减振装置。例如，申请号CN200520076452.4的专利公开的磁流变弹性体移频式吸振器，对于柔性结构的振动控制具有较好的效果，但对大幅振动控制难以实施。此外申请号CN201310014657.9的专利公开的一种基于磁流变技术的柔性机械臂减振装置与方法，能够通过调节电磁线圈电压改变减振器的刚度参数，但这种方法中铁芯等作为减振系统的振子，对磁流变弹性体的强度有较高要求，限制了其吸振器的应用。

本发明面向发动机的振动问题，提出一种基于磁流变技术的发动机减振器。根据发动机振动系统的主振动频率，通过调节磁流变弹性体的刚度，改变减振器的固有频率，从而实现在较宽频率范围内和较大的频率变化速度下始终达到最佳的减振效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁流变技术的发动机减振器，该装置为半主动控制式减振器，主要是基于磁流变弹性体的剪切工作模式，可以根据发动机系统的主振动频率，按照设定的控制方法，通过调节外加磁场强度改变磁流变弹性体的刚度，快速、准确的自动调节减振器的固有频率，从而实现在较宽频率范围内和较大的频率变化速度下始终达到良好的减振效果。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现，

一种基于磁流变技术的发动机减振器，包括固定座、减振模块以及控制模块，其中：

所述减振模块包括磁路铁芯、磁流变弹性体、吸振质量块、线圈挡板、励磁线圈、上夹板、隔磁块和下夹板；所述磁路铁芯为回字型，回字型截面上端中间开有一个缺口，回字型截面下端有两个伸出板；所述磁路铁芯缺口间隙的两个内侧面上分别固连有一片状的磁流变弹性体，所述吸振质量块置于两个磁流变弹性体中间，并固连成整体；所述磁路铁芯的两侧长方体分别绕有一个励磁线圈，并使用线圈挡板限位；两个所述隔磁块设置在磁路铁芯的两个伸出板与固定座之间；所述磁路铁芯通过上夹板与下夹板相互配合定位于固定座上，并通过螺栓、螺母夹紧；

所述控制模块包括加速度传感器、数据采集系统、控制主机、直流电源；两个所述加速度传感器分别粘接在磁路铁芯和吸振质量块上，用于采集磁路铁芯和吸振质量块的振动信号；励磁线圈与直流电源输出端相接，用于对磁流变弹性体提供可调节的稳定磁场，进而实现减振刚度的实时调节，消耗振动能量。

所述的基于磁流变技术的发动机减振器，固定座为振动控制对象，属于发动机系统的一部分结构，用于安装减振模块，其结构由实际情况确定。

所述的基于磁流变技术的发动机减振器，所述吸振质量块作为减振器的振子在外激励的作用下振动，所述磁路铁芯和所述励磁线圈作为定质量同固定座一起随外激励振动。

所述的基于磁流变技术的发动机减振器，所述吸振质量块为哑铃型结构，其下端重量大于上端重量，在重力作用下其具有一定的自导向作用。

所述的基于磁流变技术的发动机减振器，所述励磁线圈由漆包铜导线绕制，作为电磁场中电流加载源头，可以调节磁流变弹性体上的外加电磁场强度。

所述的基于磁流变技术的发动机减振器，所述隔磁块材料选用铝合金2A12，属于非导磁材料，可以隔断磁路铁芯的底部磁场。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)减振效果明显，能够针对发动机系统的主振动频率，调节磁流变弹性体两端的磁场强度，改变减振装置的固有频率，实现发动机振动系统与减振装置之间的振动能量迁移，使减振装置充分吸收目标振动系统的振动能量，消减发动机振动系统的大幅振动；

(2)减振频率带宽大，能够调节外加磁场强度改变磁流变弹性体刚度，实现减振装置在较宽的范围内满足发动机系统的振动频率匹配的要求；

(3)能量消耗少，只需提供减振装置正常工作的基本电压、电流，无需提供能量来抵消振动能量，可在车载能源的使用范围内；

(4)结构简单，响应速度快，可以实现连续控制；

(5)容易模块化，可以根据不同频段的减振要求组合使用减振装置。

附图说明

图1为本发明的基于磁流变技术的发动机减振器示意图；

图2为本发明中减振模块的正向视图；

图3为本发明中磁路铁芯结构示意图；

图4为本发明中磁路铁芯和固定座连接的结构分解图；

图5为本发明中基于磁流变技术的发动机减振器的工作原理示意图。

图中附图标记含义为：1为磁路铁芯，2为磁流变弹性体，3为吸振质量块，4为线圈挡板，5为励磁线圈，6为上夹板，7为隔磁块，8为下夹板，9为基座，10为伸出板，11为加速度传感器，12为数据采集系统，13为控制主机，14为直流电源。

具体实施方式

下面结合附图及具体实例对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施不限于此。

在本发明中，需要理解的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等方位关系为基于附图所示的方位关系，仅为便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指装置或原件必需具有的方位关系及构造，不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，一种基于磁流变技术的发动机减振器，包括固定座9、减振模块和控制模块，其中固定座9为振动控制对象并属于发动机系统的一部分结构。

减振模块主要由磁路铁芯1、磁流变弹性体2、吸振质量块3、线圈挡板4、励磁线圈5、上夹板6、隔磁块7和下夹板8组成。

磁路铁芯1可以采用多种适合的形状结构；本实施例中，优选的磁路铁芯1为回字型结构，回字型上端中间开有一个10mmm缺口，作为磁路铁芯1的两极间隙，回字型下端带有两个伸出板10；磁路铁芯1材料选用电工纯铁DT4C，具有良好的导磁性，具体细节如图3所示。

磁路铁芯1缺口间隙内左右两面分别通过粘合剂与一个4mm厚的片状的磁流变弹性体2外表面紧密相连；优选的吸振质量块3为一个哑铃型结构，哑铃型结构中段置于两个磁流变弹性体2中间，吸振质量块3外表面通过粘合剂与两个磁流变弹性体2粘合成一体；优选的励磁线圈5选用直径1.2mm的漆包铜线，并设置励磁线圈匝数为1320匝，通电直流电流为5A，两组励磁线圈5分别缠绕在磁路铁芯1的左右两侧长方体上，并使用线圈挡板4限位，具体细节如图2所示。

进一步的，所述吸振质量块3的材料选用铜，其哑铃型结构下端重量大于上端重量，在重力作用下其具有一定的自导向作用，避免了使用导向机构，降低了机构复杂度，其上下两个平面为加速度传感器11安装面，用以采集振动信号。

进一步的，所述磁流变弹性体2由作为基体的704硅胶、作为磁性颗粒的羰基铁粉以及作为润滑剂的少量自制硅油按照一定的质量比组成。

隔磁块7、上夹板6和下夹板8可以采用多种适合的形状结构，本实施例中，优选的隔磁块7、上夹板6和下夹板8截面为凹字型，并加工有四个的通孔；隔磁块7设置在磁路铁芯1的两个伸出板10与固定座9之间，隔磁块7的凹面配合定位在固定座9上；磁路铁芯1的两个伸出板10通过上夹板6与下夹板8相互配合定位于固定座9上，且通过八套M4×20螺栓、M4螺母夹紧。所述隔磁块7、上夹板6和下夹板8材料选用铝合金2A12，属于非导磁材料，用于限制磁力线的流向，使其绝大部分只能从磁流变弹性体2中穿过，具体细节如图4所示。

控制回路主要由加速度传感器11、数据采集系统12、控制主机13、直流电源14组成；优选的加速度传感器11，两个加速度传感器11分别粘接在磁路铁芯1和吸振质量块3上，用于测量磁路铁芯1和吸振质量块3的振动信号；励磁线圈5与直流电源14输出端相接，用于对磁流变弹性体2提供可调节的稳定磁场。

本实施例中，基于磁流变技术的发动机减振器的减振模块主要工作在竖直方向，为了避免磁流变弹性体2由于振子质量过大，导致其剪切变形过大而破坏，在减振器工作过程中，吸振质量块3作为减振器的振子在外激励的作用下振动，所述磁路铁芯1和所述励磁线圈5作为减振器的定质量同固定座9一起随外激励振动。

本发明的基于磁流变技术的发动机减振器的工作原理如图5所示，具体如下：

步骤(1)根据上述实施方式装配减振器，通过螺栓、螺母将减振模块安装在固定座9上，并确保加速度传感器11的正确安装；

步骤(2)确定固定座9的固有频率范围，启动所有硬件设备并使固定座9振动，加速度传感器11采集磁路铁芯1和吸振质量块3的振动信号；

步骤(3)数据采集系统12获取加速度传感器11的信号，并传入控制主机13；

步骤(4)根据振动理论中模态分析法的峰值检测法，控制主机13对输入振动信号进行分析计算，进而得到减振器的固有频率；

步骤(5)根据设定的振动控制方法，控制主机13调节直流电源14的输出端电压与电流，进而调节励磁线圈5两端的电压和电流；

步骤(6)磁路铁芯1、磁流变弹性体2、吸振质量块3形成磁回路，励磁线圈5内部的电流改变，磁流变弹性体2的剪切模量将随外加磁场变化而改变，从而减振器的固有频率改变；

步骤(7)当发动机系统中固定座9振动时，吸振质量块3振动，吸振质量块3带动磁流变弹性体2发生剪切变形；

步骤(8)吸振质量块3和磁流变弹性体2在振动过程中，振动能量从发动机系统迁移至减振器中，并由磁流变弹性体2的结构阻尼快速消散，实现对发动机系统进行吸振和减振的功能；

步骤(9)重复步骤(1)～步骤(8)的过程，通过改变励磁线圈5中电流即可改变减振器的固有频率，实时维持发动机系统进行减振的频率要求，并满足发动机系统宽频带减振的功能要求。

以上所述，仅为本基于磁流变技术的发动机减振器具体实施例，是为了便于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内理解和应用本发明，但本发明的保护范围不局限于此，在本技术方案的基础上做出不需要经过创造性劳动的等效结构变化或者各种替换都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于磁流变技术的发动机减振器，其特征在于，包括固定座(9)、减振模块以及控制模块，其中：

所述减振模块包括磁路铁芯(1)、磁流变弹性体(2)、吸振质量块(3)、线圈挡板(4)、励磁线圈(5)、上夹板(6)、隔磁块(7)和下夹板(8)；所述磁路铁芯(1)为回字型，回字型截面上端中间开有一个缺口，回字型截面下端有两个伸出板(10)；所述磁路铁芯(1)缺口间隙的两个内侧面上分别固连有一片状的磁流变弹性体(2)，所述吸振质量块(3)置于两个磁流变弹性体(2)中间，并固连成整体；所述磁路铁芯(1)的两侧长方体分别绕有一个励磁线圈(5)，并使用线圈挡板(4)限位；两个所述隔磁块(7)设置在磁路铁芯(1)的两个伸出板(10)与固定座(9)之间；所述磁路铁芯(1)通过上夹板(6)与下夹板(8)相互配合定位于固定座(9)上，并通过螺栓、螺母夹紧；

所述控制模块包括加速度传感器(11)、数据采集系统(12)、控制主机(13)和直流电源(14)；两个所述加速度传感器(11)分别粘接在磁路铁芯(1)和吸振质量块(3)上，用于采集磁路铁芯(1)和吸振质量块(3)的振动信号；励磁线圈(5)与直流电源(14)输出端相接，用于对磁流变弹性体(2)提供可调节的稳定磁场，进而实现磁流变弹性体(2)刚度的实时调节；

磁路铁芯(1)为回字型结构，回字型上端中间开有一个10mmm缺口，作为磁路铁芯(1)的两极间隙，回字型下端带有两个伸出板(10)；磁路铁芯(1)材料选用电工纯铁DT4C，具有良好的导磁性；

磁路铁芯(1)缺口间隙内左右两面分别通过粘合剂与一个4mm厚的片状的磁流变弹性体(2)外表面紧密相连；吸振质量块(3)为一个哑铃型结构，哑铃型结构中段置于两个磁流变弹性体(2)中间，吸振质量块(3)外表面通过粘合剂与两个磁流变弹性体(2)粘合成一体；

隔磁块(7)、上夹板(6)和下夹板(8)截面为凹字型，并加工有四个的通孔；隔磁块(7)设置在磁路铁芯(1)的两个伸出板(10)与固定座(9)之间，隔磁块(7)的凹面配合定位在固定座(9)上；磁路铁芯(1)的两个伸出板(10)通过上夹板(6)与下夹板(8)相互配合定位于固定座(9)上，且通过八套M4×20螺栓、M4螺母夹紧；所述隔磁块(7)、上夹板(6)和下夹板(8)材料选用铝合金2A12，属于非导磁材料，用于限制磁力线的流向，使其绝大部分只能从磁流变弹性体(2)中穿过；基于磁流变技术的发动机减振器的工作方式如下，

步骤(1)根据上述方式装配减振器，通过螺栓、螺母将减振模块安装在固定座(9)上，并确保加速度传感器(11)的正确安装；

步骤(2)确定固定座(9)的固有频率范围，启动所有硬件设备并使固定座(9)振动，加速度传感器(11)采集磁路铁芯(1)和吸振质量块(3)的振动信号；

步骤(3)数据采集系统(12)获取加速度传感器(11)的信号，并传入控制主机(13)；

步骤(4)根据振动理论中模态分析法的峰值检测法，控制主机(13)对输入振动信号进行分析计算，进而得到减振器的固有频率；

步骤(5)根据设定的振动控制方法，控制主机(13)调节直流电源(14)的输出端电压与电流，进而调节励磁线圈(5)两端的电压和电流；

步骤(6)磁路铁芯(1)、磁流变弹性体(2)、吸振质量块(3)形成磁回路，励磁线圈(5)内部的电流改变，磁流变弹性体(2)的剪切模量将随外加磁场变化而改变，从而减振器的固有频率改变；

步骤(7)当发动机系统中固定座(9)振动时，吸振质量块(3)振动，吸振质量块(3)带动磁流变弹性体(2)发生剪切变形；

步骤(8)吸振质量块(3)和磁流变弹性体(2)在振动过程中，振动能量从发动机系统迁移至减振器中，并由磁流变弹性体(2)的结构阻尼快速消散，实现对发动机系统进行吸振和减振的功能；

步骤(9)重复步骤(1)～步骤(8)的过程，通过改变励磁线圈(5)中电流即可改变减振器的固有频率，实时维持发动机系统进行减振的频率要求，并满足发动机系统宽频带减振的功能要求。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变技术的发动机减振器，其特征在于：所述固定座(9)为振动控制对象，属于发动机系统的一部分结构，用于安装减振模块，其结构由实际情况确定。

3.根据权利要求1所述的基于磁流变技术的发动机减振器，其特征在于：所述吸振质量块(3)作为减振器的振子在外激励的作用下振动，所述磁路铁芯(1)和所述励磁线圈(5)作为定质量同固定座(9)一起随外激励振动。

4.根据权利要求1所述的基于磁流变技术的发动机减振器，其特征在于：所述吸振质量块(3)为哑铃型结构，其下端重量大于上端重量，在重力作用下其具有一定的自导向作用。

5.根据权利要求1所述的基于磁流变技术的发动机减振器，其特征在于：所述励磁线圈(5)由漆包铜导线绕制，用作电磁场中电流加载源头并调节磁流变弹性体(2)上的外加电磁场强度。

6.根据权利要求1所述的基于磁流变技术的发动机减振器，其特征在于：所述磁路铁芯(1)材料选用电工纯铁DT4C，具有良好的导磁性。

7.根据权利要求1所述的基于磁流变技术的发动机减振器，其特征在于：所述隔磁块(7)材料选用铝合金2A12，属于非导磁材料，用于隔断磁路铁芯(1)的底部磁场。