CN107152482B - 一种节能式磁流变减震器 - Google Patents

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Abstract

一种节能式磁流变减震器，包括缸体、活塞杆、活塞、缠绕于活塞的小径段上的电磁线圈；缸体的内腔位于活塞的两侧分别形成压缩腔和拉伸腔，在缸体内腔里封装有磁流变液，在活塞的两个大径段上设有沿轴向对正的压缩阻尼孔和沿轴向对正的拉伸阻尼孔，压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔均不少于两组，多组压缩阻尼孔和多组拉伸阻尼孔均沿圆周方向均布；在活塞的两个大径段之间位于电磁线圈的外侧设有与多组压缩阻尼孔沿轴向对正的多个隔离套筒，使磁流变液流经压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔在活塞的两个大径段之间形成隔离，多个隔离套筒均由轻质非导磁材料制成；在活塞上与拉伸腔对应的一侧端面上安装有与多组压缩阻尼孔沿轴向对正的多组簧片阀。本减震器降低了能耗。

Description

一种节能式磁流变减震器
技术领域
本发明属于汽车减震技术领域，特别涉及一种节能式磁力变减震器。
背景技术
磁流变减震器是一种以可控液体磁流变液作为工作介质的新型半主动减震器，装有磁流变减震器的半主动悬架可有效地提高汽车的乘坐舒适性和行驶安全性。这种新型的减震器具有多种优点，不仅可以实现阻尼的连续可调，还具有响应速度快、结构简单等多种特点。附图5-6为普通压差式磁流变减震器的结构示意图。磁流变减震器的阻尼力F由遵循牛顿液流定律的粘性阻尼力ΔFη和可控的库仑阻尼力ΔFτ组成，其计算公式如下(1)：
μ0—磁流变液的零磁场粘度。
L—阻尼孔的有效长度；
AP—活塞的有效作用面积；
V0—活塞运动速度；
h—压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔的高度；
w—阻尼孔的总宽度；
K，β—与磁流变液相关的常数，K＝0.0618，β＝1.25；
N—电磁线圈匝数；
I—控制电流；
ξmin—阻尼系数最小值，压缩、拉伸过程取值不同；
Δξ—阻尼系数的变化值，压缩拉伸过程取值不同。
对于结构参数确定的减震器当活塞运动速度V0一定时，其粘性阻尼力为定值，库仑阻尼力的大小可由控制电流I决定。
由汽车动力学知识可知减震器阻尼系数ξ与悬架系统阻尼比ψ成正比例关系，计算公式如下(2)：
ξ＝2ψ√MK
式中：
M—汽车的簧载质量；
K—悬架刚度。
根据推荐的汽车悬架系统在压缩、拉伸过程中阻尼比的取值范围可确定出减震器阻尼力的变化范围。
普通压差式磁流变减震器结构中，阻尼孔1，在减震器压缩和拉伸过程中作用相同，即产生的粘性阻尼力相等。而由于压缩时的阻尼力要小于拉伸时的阻尼力，为保证在拉伸过程中获得较大的阻尼力，必须增大控制电流以扩大库仑阻尼力，因而导致消耗较多电能。因此与传统减震器相比，普通压差式磁流变减震器的电能损耗的问题较为突出，也是该种减震器的最大不足之处。
基于上述情况分析，如何降低能耗，成为了磁流变减震技术的一个重点研究内容。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种降低能耗、提高设备节能性能的节能式磁流变减震器。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种节能式磁流变减震器，包括缸体、活塞杆、活塞、电磁线圈，活塞固定安装在活塞杆上，沿着活塞杆的轴向所述活塞由位于两端的两个大径段和位于中部的小径段构成，活塞的两个大径段与缸体内腔壁形成可滑动式接触配合，电磁线圈缠绕于活塞的小径段上；缸体的内腔位于活塞的两侧分别形成压缩腔和拉伸腔，在缸体的内腔里封装有磁流变液，其特征在于：
在活塞的两个大径段上设置有沿轴向对正的压缩阻尼孔和沿轴向对正的拉伸阻尼孔，压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔均不少于两组，且多组压缩阻尼孔和多组拉伸阻尼孔均沿圆周方向呈均匀分布；
在活塞的两个大径段之间位于电磁线圈的外侧设置有多个隔离套筒，多个隔离套筒分布在与多组压缩阻尼孔沿轴向对正的位置，使磁流变液流经压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔在活塞的两个大径段之间形成隔离，多个所述隔离套筒均由轻质非导磁材料制成；
在活塞上与拉伸腔对应的一侧端面上安装有多组簧片阀，多组簧片阀设置在与多组压缩阻尼孔沿轴向对正的位置；在磁流变减震器处于压缩工作状态下，簧片阀抬起，磁流变液经两个大径段上的压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔分别形成通路；在磁流变减震器处于拉伸工作状态下，簧片阀落下，磁流变液仅经两个大径段上的拉伸阻尼孔形成通路。
优选的：压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔均为与活塞呈通心设置的扇形孔结构，其中，沿活塞径向方向的尺寸为孔高，沿活塞圆周方向的尺寸为孔宽，压缩阻尼孔的孔宽大于拉伸阻尼孔的孔宽，压缩阻尼孔的孔高与拉伸阻尼孔的孔高相等。
优选的：压缩阻尼孔为内、外同心设置的双层孔结构，拉伸阻尼孔为单层孔结构。
优选的：所述压缩阻尼孔和拉伸尼孔均为两组，且沿着活塞的圆周方向，压缩阻尼和拉伸阻尼孔呈90°依次交替布置；所述隔离套筒为两个，两个隔离套筒与两组压缩阻尼孔沿轴向一一对正；所述簧片阀为两组，两组簧片阀与两组压缩阻尼孔沿轴向一一对正。
本发明具有的优点和积极效果是：
本节能式磁流变减震器设计利用粘性阻尼力承担减震器阻尼力的极限最小值，利用库伦阻尼承担可变值，从而使减震器阻尼力在工作过程中处于控制范围内；同时考虑压缩时的阻尼力要小于拉伸时的阻尼力，通过簧片阀、在活塞上分别设置压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔及隔离套筒的设计保证了压缩和拉伸时获得不同的粘性阻尼力，从而最大程度的降低库伦阻尼力所占比重，进而减小能量损耗，提高设备节能性能。
附图说明
图1是本发明的纵向剖视图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图1的B-B剖视图；
图4是图3的左视图；
图5是现有普通磁流变减震器的纵向剖视图；
图6是图5的D-D剖视图。
图中：1、缸体；2、活塞杆；3、活塞；3-1、大径段；3-2、小径段；4、电磁线圈；5、压缩腔；6、拉伸腔；7、压缩阻尼孔；8、拉伸阻尼孔；9、隔离套筒；10、簧片阀：1’、阻尼孔。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1-4，一种节能式磁流变减震器，包括缸体1、活塞杆2、活塞 3、电磁线圈4。活塞固定安装在活塞杆上，沿着活塞杆的轴向，所述活塞由位于两端的两个大径段3-1和位于中部的小径段3-2构成，活塞的两个大径段与缸体内腔壁形成可滑动式接触配合，电磁线圈缠绕于活塞的小径段上。缸体的内腔位于活塞的两侧分别形成压缩腔5和拉伸腔6，在缸体的内腔里封装有磁流变液。
本技术方案的创新点之一为：在活塞的两个大径段上设置有沿轴向对正的压缩阻尼孔7和沿轴向对正的拉伸阻尼孔8，压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔均不少于两组，且多组压缩阻尼孔和多组拉伸阻尼孔均沿圆周方向呈均匀分布。具体的，只要保证多组压缩阻尼孔沿圆周方向均布分布、且多组拉伸阻尼孔沿圆周方向均匀分布的情况下，压缩阻尼孔与拉伸阻尼孔之间的分布位置不受限制，比如，压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔可采用沿圆周方向一一交替的方式分布，也可多组压缩阻尼孔间隔一组拉伸阻尼孔，也可多组拉伸阻尼孔间隔一组压缩阻尼孔等，另外，压缩阻尼孔与拉伸阻尼孔的分布夹角也不受限制。
本技术方案的创新点之二为：在活塞的两个大径段之间位于电磁线圈的外侧设置有多个隔离套筒9，多个隔离套筒分布在与多组压缩阻尼沿轴向对正的位置，使磁流变液流经压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔在活塞的两个大径段之间形成隔离。具体的，当压缩阻尼孔与拉伸阻尼孔采用沿圆周方向一一交替的方式分布或多组拉伸阻尼孔间隔一组压缩阻尼孔的情况下，隔离套筒的个数与压缩阻尼孔的组数一致，且隔离套筒与压缩阻尼孔沿轴向一一对正；而当多组压缩阻尼孔间隔一组拉伸阻尼孔的情况下，为减少隔离套筒的数量和降低阻尼，相邻的多组压缩阻尼孔可对应一个隔离套筒。多个所述隔离套筒均由轻质非导磁材料制成，由于隔离套筒的内部通道尺寸较大，阻尼可忽略不计。
本技术方案的创新点之三为：在活塞上与拉伸腔对应的一侧端面上安装有多组簧片阀10，多组簧片阀分布在与多组压缩阻尼孔对正的位置，起到单向阀的作用，开启压力十分小。在磁流变减震器处于压缩工作状态下，簧片阀抬起，磁流变液经两个大径段上的压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔分别形成通路，即磁流变液同时流经压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔，此时的粘性阻尼力较小。在磁流变减震器处于拉伸工作状态下，簧片阀落下，磁流变液仅经两个大径段上的拉伸阻尼孔形成通路，即磁流变液仅从拉伸阻尼孔流过，而经压缩阻尼孔时被簧片阀截断，而此时的粘性阻尼力较大。
上述节能式磁流变减震器结构中，压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔的形状参数优选如下：
压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔均为与活塞呈通心设置的扇形孔结构，其中，沿活塞径向方向的尺寸为孔高，沿活塞圆周方向的尺寸为孔宽。压缩阻尼孔的孔宽大于拉伸阻尼孔的孔宽，压缩阻尼孔的孔高与拉伸阻尼孔的孔高相同。进一步的压缩阻尼孔为内、外同心设置的双层孔结构，拉伸阻尼孔为单层孔结构。
上述节能式磁流变减震器结构中：压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔的组数及分布优选如下：
所述压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔均为两组，且沿着活塞的圆周方向，压缩阻尼和拉伸阻尼孔呈90°依次交替布置；所述隔离套筒为两个，两个隔离套筒与两组压缩阻尼孔沿轴向一一对正；所述簧片阀为两组，两组簧片阀与两组压缩阻尼孔沿轴向一一对正。
结合上述节能式磁流变减震器，举例分析如下：
参考普通磁流变减震器尺寸设计，以Santana 2000车型为例，结合通用的基本结构参数，再根据背景技术中的公式(1)和(2)最终计算并确定了新型节能磁流变减震器的关键设计参数值，如表1所列。
表1新型磁流变减震器基本结构参数
通过计算得到新型磁流变减震器压缩过程最大控制电流Icmax＝0.2414A，拉伸过程最大控制电流Iomax＝0.3227A，而普通磁流变减震器的最大控制电流 Imax＝2.44A。
磁流变减震器的仿真：
为研究新型节能磁流变减震器的减震效果和节能效果，将其在同等条件下与传统液压式减震器和普通磁流变减震器进行仿真对比，液压式减震器安装于被动悬架，新型节能磁流变减震器和普通磁流变减震器安装于模糊控制的半主动悬架。
传统液压式减震器的固定阻尼系数Cs为2546.6N·s/m。
利用Simulink软件对以上三种减震器进行仿真，车速u＝20m/s，路面等级为C级，仿真时间为10s，对汽车悬架的加速度值和减震器的功率值进行研究。悬架加速度值的仿真结果如曲线图1和曲线图2：
曲线图1新型磁流变减震器与液压式减震器的仿真对比
曲线图2普通磁流变减震器与液压式减震器的仿真对比
对仿真结果的加速度值进行加权加速度均方根计算，得到结果如表2：
表2加权加速度均方根计算结果
两种磁流变减震器功率的仿真结果如表3：
表3功率仿真结果
减震器种类 新型节能磁流变减震器 普通磁流变减震器
功率值(w) 2.34 83.48
通过仿真结果可以看出，本设计的节能型磁流变减震器在减震效果上要明显优于液压式减震器，略差于普通磁流变减震器，但在节能性方面要明显优于普通磁流变减震器。由此可以看出，本设计的节能磁流变减震器的综合性能较为优异。

Claims (4)

1.一种节能式磁流变减震器，包括缸体、活塞杆、活塞、电磁线圈，活塞固定安装在活塞杆上，沿着活塞杆的轴向所述活塞由位于两端的两个大径段和位于中部的小径段构成，活塞的两个大径段与缸体内腔壁形成可滑动式接触配合，电磁线圈缠绕于活塞的小径段上；缸体的内腔位于活塞的两侧分别形成压缩腔和拉伸腔，在缸体的内腔里封装有磁流变液，其特征在于：
在活塞的两个大径段上设置有沿轴向对正的压缩阻尼孔和沿轴向对正的拉伸阻尼孔，压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔均不少于两组，且多组压缩阻尼孔和多组拉伸阻尼孔均沿圆周方向呈均匀分布；
在活塞的两个大径段之间位于电磁线圈的外侧设置有多个隔离套筒，多个隔离套筒分布在与多组压缩阻尼孔沿轴向对正的位置，使磁流变液流经压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔在活塞的两个大径段之间形成隔离，多个所述隔离套筒均由轻质非导磁材料制成；
在活塞上与拉伸腔对应的一侧端面上安装有多组簧片阀，多组簧片阀设置在与多组压缩阻尼孔沿轴向对正的位置；在磁流变减震器处于压缩工作状态下，簧片阀抬起，磁流变液经两个大径段上的压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔分别形成通路；在磁流变减震器处于拉伸工作状态下，簧片阀落下，磁流变液仅经两个大径段上的拉伸阻尼孔形成通路。
2.根据权利要求1所述的节能式磁流变减震器，其特征在于：压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔均为与活塞呈通心设置的扇形孔结构，其中，沿活塞径向方向的尺寸为孔高，沿活塞圆周方向的尺寸为孔宽，压缩阻尼孔的孔宽大于拉伸阻尼孔的孔宽，压缩阻尼孔的孔高与拉伸阻尼孔的孔高相等。
3.根据权利要求2所述的节能式磁流变减震器，其特征在于：压缩阻尼孔为内、外同心设置的双层孔结构，拉伸阻尼孔为单层孔结构。
4.根据权利要求1-3任一所述的节能式磁流变减震器，其特征在于：所述压缩阻尼孔和拉伸阻尼孔均为两组，且沿着活塞的圆周方向，压缩阻尼与拉伸阻尼孔呈90°依次交替布置；所述隔离套筒为两个，两个隔离套筒与两组压缩阻尼孔沿轴向一一对正；所述簧片阀为两组，两组簧片阀与两组压缩阻尼孔沿轴向一一对正。
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