CN107387651B - 一种变刚度磁流变阻尼器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变刚度磁流变阻尼器及其控制方法，包括内外活动连接的内阻尼器和外阻尼器，以及一弹簧；所述弹簧的一端固定于支座上，另一端固定于外阻尼器的外缸筒上；所述内阻尼器的内缸筒一端伸入至外阻尼器的外缸筒的缸体内，与外阻尼器的外活塞固定连接，并且所述内阻尼器的内缸筒的另一端与外部负载连接。本发明的有益效果在于：本发明采用内外阻尼器结合，外活塞与内缸筒一体化，输出力由两部分并联组成，可以增加阻尼器最大输出力和动力可调系数，并且结构更为紧凑，阻尼器长度大为缩减，适用于更多对安装空间有要求的场合，适用于需变刚度变阻尼力的减振场合。

Description

一种变刚度磁流变阻尼器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种变刚度磁流变阻尼器控制方法。

背景技术

磁流变液（MRF）作为一种功能材料，其具有可逆性和可控性，同时其热稳定性好、工作温度范围广、响应速度快等特点能充分满足工程应用的要求，因此，磁流变液被广泛应用于新型机械器件的研究中，如离合器，制动器，减振器，抛光装置等，在车辆工程、机械工程、土木工程及航空航天等领域都具有很好的应用前景。

磁流变液阻尼器是MRF研究最集中、进展最快的应用领域。磁流变阻尼器就是通过控制磁流变液的流变特性来控制阻尼器中阻尼液的黏度，从而控制阻尼器阻尼大小，是一种半主动振动控制，是通过改变自身特性来适应不断变化的振动情况，其通过传感器检测被测物的动力反应及载荷信息，反馈给控制单元，通过控制单元来控制减振机构的刚度及阻尼的改变，从而很好的适应不断变化的振动情况。到目前为止，MR阻尼器已在汽车悬挂系统、假肢、卡车座椅、滚筒洗衣机、武器系统、桥梁斜拉索及海洋平台等减振方面得到初步的应用。

磁流变阻尼器替代传统阻尼器件，可实现阻尼连续可调，从而很大程度上的提高减振效果，增加平稳性。但普通的磁流变阻尼器只是单单能够改变阻尼的变化，由于一些弹性元件的刚度己经固定，无法调节。磁流变阻尼器能够改变阻尼的变化，提高减振的效果。但如果悬挂系统的阻尼与刚度同时连续可调，将会使得减振的效果显著的提高，调节范围也更加的广泛。

对于目前磁流变阻尼器，主要存在以下问题：

1）传统的磁流变阻尼器可以随控制电流的变化来改变阻尼的大小，却不可改变刚度的大小。在本构模型的分析中，将传统磁流变阻尼器看做是由一个回环、一个线性弹性元件、一个可调节阻尼元件并联而成。回环的作用是用来描述迟滞现象，并不影响其刚度的大小。在传统简单磁流变狙尼器中，系统刚度等于模型中单个线性弹寶的刚度，且为一定值，所能够改变的只有随磁流变液粘度变化而改变的阻尼。对于一个用来控制振动的系统，在实现阻尼可变滞后，需进一步实现其刚度变化，以达到更佳的减振效果。

2）虽然现已提出了变刚度变阻尼动力系统模型，其模型是由可变阻尼单元与线性弹簧串并联组合构成，施加开关控制，可改变系统的刚度和阻尼。但变刚度变阻尼机构主要依据两个磁流变阻尼器进行阻尼调节，从而改变系统等效刚度。实验显示此机构具有可变刚度变阻尼的性能，但该系统体积庞大，不是一个独立的减振器件，工程化应用十分困难。

3)评价一个磁流变阻尼器的最主要的指标就是在相同体积大小下阻尼器的最大出力和动力可调系数。单电流控制在这两方面已受到限制，只能从结构参数优化上对此有稍微的改变，不能大幅度的提高这两个指标参数，所以需寻求两个阻尼器并联一体，双电流单独控制以增大最大出力及动力可调系数。

发明内容

本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种变刚度磁流变阻尼器及其控制方法，实现变刚度变阻尼力的可控调节。

本发明解决技术问题所采用的方案是：一种变刚度磁流变阻尼器，包括内外活动连接的内阻尼器和外阻尼器，以及一弹簧；所述弹簧的一端固定于支座上，另一端固定于外阻尼器的外缸筒上；所述内阻尼器的内缸筒一端伸入至外阻尼器的外缸筒的缸体内，与外阻尼器的外活塞固定连接，并且所述内阻尼器的内缸筒的另一端与外部负载连接。

进一步的，所述外磁流变阻器包括外激励线圈、外端盖以及填充于外缸筒缸体内的磁流变液；所述外缸筒与外端盖经螺钉固定连接，所述弹簧另一端经外端盖与所述外缸筒固定连接；所述外激励线圈固定于外活塞上；所述内磁流变阻器包括内活塞、内活塞杆、内激励线圈、内端盖、内导磁套以及位于内缸筒缸体内的磁流变液；所述内导磁套热装与所述内缸筒上，所述内活塞与所述内活塞杆螺纹连接，内活塞杆的一端伸出至内缸筒外与所述支座固定连接；内激励线圈固定于内活塞上，所述内缸筒经内端盖与所述弹簧中部固定连接。

进一步的，所述外活塞与所述内缸筒过盈配合固定，所述外活塞的一端经设置于内缸筒外侧面的轴肩定位，另一端经设置于内缸筒外侧面的弹性挡圈固定。

进一步的，所述外活塞与外缸筒之间形成圆环形节流通道；所述内活塞与内导磁套之间形成圆环形节流通道。

进一步的，所述内阻尼器还包括设置于内缸筒内的蓄能组件，所述蓄能组件由蓄能弹簧和蓄能挡板组成，所述蓄能挡板设置于内缸筒内端部，所述蓄能弹簧位于蓄能挡板和内缸筒内端面之间。

进一步的，所述内活塞杆与所述内端盖间密封采用毡圈动密封；并且所述内缸筒与外端盖和外缸筒间密封采用毡圈动密封；所述内端盖与内缸筒、外缸筒与外端盖密封采用O型圈端面密封。

进一步的，所述外激励线圈和内激励线圈分别与一可控电流源相电连。

本发明还提供一种如上述所述的一种变刚度磁流变阻尼器的控制方法，外部负载收到激励振动时，内缸筒在外缸筒缸体内往复运动，同时通过一振动传感器会检测外部负载振动情况，产生反馈信号到一控制器，控制器根据反馈信号控制相应的输出电流到内阻尼器的内激励线圈和外阻尼器的外激励线圈，从而控制内外磁场强度，调节磁流变效应，继而控制阻尼器输出力和刚度的变化。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明采用内外阻尼器结合，外活塞与内缸筒一体化，输出力由两部分并联组成，可以增加阻尼器最大输出力和动力可调系数，并且结构更为紧凑，阻尼器长度大为缩减，适用于更多对安装空间有要求的场合，以及适用于需变刚度变阻尼力的减振场合。

附图说明

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1为本发明实施例的磁流变液阻尼器的结构示意图。

图中：1-支座；2-弹簧；3-螺钉；4-内端盖；5-外阻尼器；6-内阻尼器；7-外端盖；8-外缸筒；9-磁流变液；10-内缸筒；11-外活塞；12-外激励线圈；13-内活塞；14-内激励线圈；15-弹性挡圈；16-内活塞杆；17-内导磁套；18-蓄能挡板；19-蓄能弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本实施例的一种变刚度磁流变阻尼器，包括内外活动连接的内阻尼器6和外阻尼器5，以及一弹簧2；所述弹簧2的一端固定于支座1上，另一端固定于外阻尼器5的外缸筒8上；所述内阻尼器6的内缸筒10一端伸入至外阻尼器5的外缸筒8的缸体内，与外阻尼器5的外活塞11固定连接，并且所述内阻尼器6的内缸筒10的另一端与外部负载连接。

从上述可知，本发明的有益效果在于：将内阻尼器6的内缸筒10作为外阻尼器5的活塞杆，当磁流变液9在磁场作用下固化后，会带动外缸筒8一起运动。其运动模式也包含流动模式和剪切模式，流动模式指磁流变液9在活塞挤压下会流过环形节流通道，剪切模式指外活塞11与外缸筒8会发生相对运动，所以外阻尼器5也属剪切阀式，其相当于双输出杆，无需配置蓄能器，结构简单。内缸筒10既是外阻尼器5部分的活塞杆又是内阻尼器6部分的缸筒，实现内外阻尼器5的并联，其与外部负载相连接，即为出力活塞，采用非导磁材料不锈钢。外阻尼器5部分工作采用活塞运动，外缸筒8通过螺钉3连接与外端盖7，再与弹簧2固定的原理，当磁流变液9在磁场作用下固化后，会带动外缸筒8一起运动。

在本实施例中，所述外磁流变阻器包括外激励线圈12、外端盖7以及填充于外缸筒8缸体内的磁流变液9；所述外缸筒8与外端盖7经螺钉3固定连接，所述弹簧2另一端经外端盖7与所述外缸筒8固定连接；所述外激励线圈12固定于外活塞11上；所述内磁流变阻器包括内活塞13、内活塞杆16、内激励线圈14、内端盖4、内导磁套17以及位于内缸筒10缸体内的磁流变液9；所述内导磁套17热装与所述内缸筒10上，所述内活塞13与所述内活塞杆16螺纹连接，内活塞杆16的一端伸出至内缸筒10外与所述支座1固定连接；内激励线圈14固定于内活塞13上，所述内缸筒10经内端盖4与所述弹簧2中部固定连接。外阻尼器5的外缸筒8与外端盖7螺钉3连接，再与弹簧2焊接相连，弹簧2与支座1焊接相连，当外缸筒8运动时，会压缩或拉伸弹簧2。本发明提供的磁流变阻尼器的输出力有内外两个阻尼器并联共同作用，其大小由内外两个激励线圈电流共同控制，实现了阻尼力可变可控。刚度变化也由内外阻尼器5共同实现，其中外阻尼器5与刚度弹簧2相连。内阻尼器6的工作是采用活塞固定。内缸筒10运动的原理包含流动模式和剪切模式，流动模式指磁流变液9在内缸筒10挤压下会流过环形节流通道，剪切模式指内缸筒10与内活塞13会发生相对运动，所以内阻尼器6部分属剪切阀式。

在本实施例中，所述外活塞11与所述内缸筒10过盈配合固定，所述外活塞11的一端经设置于内缸筒10外侧面的轴肩定位，另一端经设置于内缸筒10外侧面的弹性挡圈15固定。

在本实施例中，所述外活塞11与外缸筒8之间形成圆环形节流通道；所述内活塞13与内导磁套17之间形成圆环形节流通道。

在本实施例中，所述内阻尼器6还包括设置于内缸筒10内的蓄能组件，所述蓄能组件由蓄能弹簧19和蓄能挡板18组成，所述蓄能挡板18设置于内缸筒10内端部，所述蓄能弹簧19位于蓄能挡板18和内缸筒10内端面之间。内阻尼器6部分由于为单出杆，需配置蓄能器，其由蓄能弹簧19与蓄能挡板18组成。

在本实施例中，所述内活塞杆16与所述内端盖4间密封采用毡圈动密封；并且所述内缸筒10与外端盖7和外缸筒8间密封采用毡圈动密封；所述内端盖4与内缸筒10、外缸筒8与外端盖7密封采用O型圈端面密封。

在本实施例中，所述外激励线圈12和内激励线圈14分别与一可控电流源相电连。内激励线圈14和外激励线圈12可独立供电，分别与外置的供电电路或可控电流源相连。通过控制电流的大小，产生不同强度的磁场以调节磁流变效应的强弱，实现输出阻尼力大小可控。

本发明还提供一种如上述所述的一种变刚度磁流变阻尼器的控制方法，外部负载收到激励振动时，内缸筒10在外缸筒8缸体内往复运动，同时通过一振动传感器会检测外部负载振动情况，产生反馈信号到一控制器，控制器根据反馈信号控制相应的输出电流到内阻尼器6的内激励线圈14和外阻尼器5的外激励线圈12，从而控制内外磁场强度，调节磁流变效应，继而控制阻尼器输出力和刚度的变化。

本发明提供的磁流变阻尼器的运动过程如下：

内缸筒10运动时，会带动固定在其上的外活塞11和内导磁套17一起运动，其中内阻尼器6部分工作方式采用内活塞13固定，内缸筒10运动，其包含流动模式和剪切模式，流动模式指磁流变液9在内缸筒10挤压下会流过环形节流通道，剪切模式指内缸筒10与内活塞13发生了相对运动，所以内阻尼器6部分属剪切阀式；外阻尼器5部分工作采用活塞运动，外缸筒8通过螺钉3与外端盖7连接，再与弹簧2固定的原理，当磁流变液9在磁场作用下固化后，会带动外缸筒8一起运动，其运动模式也包含流动模式和剪切模式，流动模式指磁流变液9在外活塞11挤压下会流过环形节流通道，剪切模式指外活塞11与外缸筒8发生了相对运动，所以外阻尼器5也属剪切阀式。当控制电流发生改变时，内活塞13与内缸筒10间隙的磁场强度发生改变，缝隙间的磁流变液9的剪切屈服应力会发生改变，使内缸筒10输出力变化。由于内外阻尼器5的共同作用，实现了刚度变化。

综上所述，本发明提供的一种变刚度磁流变阻尼器及其控制方法，通过内外阻尼器的共同作用，实现了刚度变化，适用于更多对安装空间有要求的场合，以及适用于需变刚度变阻尼力的减振场合。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种变刚度磁流变阻尼器，其特征在于：包括内外活动连接的内阻尼器和外阻尼器，以及一弹簧；所述弹簧的一端固定于支座上，另一端固定于外阻尼器的外缸筒上；所述内阻尼器的内缸筒一端伸入至外阻尼器的外缸筒的缸体内，与外阻尼器的外活塞固定连接，并且所述内阻尼器的内缸筒的另一端与外部负载连接；外磁流变阻器包括外激励线圈、外端盖以及填充于外缸筒缸体内的磁流变液；所述外缸筒与外端盖经螺钉固定连接，所述弹簧另一端经外端盖与所述外缸筒固定连接；所述外激励线圈固定于外活塞上；内磁流变阻器包括内活塞、内活塞杆、内激励线圈、内端盖、内导磁套以及位于内缸筒缸体内的磁流变液；所述内导磁套热装与所述内缸筒上，所述内活塞与所述内活塞杆螺纹连接，内活塞杆的一端伸出至内缸筒外与所述支座固定连接；内激励线圈固定于内活塞上，所述内缸筒经内端盖与所述弹簧中部固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种变刚度磁流变阻尼器，其特征在于：所述外活塞与所述内缸筒过盈配合固定，所述外活塞的一端经设置于内缸筒外侧面的轴肩定位，另一端经设置于内缸筒外侧面的弹性挡圈固定。

3.根据权利要求1所述的一种变刚度磁流变阻尼器，其特征在于：所述外活塞与外缸筒之间形成圆环形节流通道；所述内活塞与内导磁套之间形成圆环形节流通道。

4.根据权利要求1所述的一种变刚度磁流变阻尼器，其特征在于：所述内阻尼器还包括设置于内缸筒内的蓄能组件，所述蓄能组件由蓄能弹簧和蓄能挡板组成，所述蓄能挡板设置于内缸筒内端部，所述蓄能弹簧位于蓄能挡板和内缸筒内端面之间。

5.根据权利要求1所述的一种变刚度磁流变阻尼器，其特征在于：所述内活塞杆与所述内端盖间密封采用毡圈动密封；并且所述内缸筒与外端盖和外缸筒间密封采用毡圈动密封；所述内端盖与内缸筒、外缸筒与外端盖密封采用O型圈端面密封。

6.根据权利要求1所述的一种变刚度磁流变阻尼器，其特征在于：所述外激励线圈和内激励线圈分别与一可控电流源相电连。

7.一种根据权利要求1-6任一项所述的一种变刚度磁流变阻尼器的控制方法，其特征在于：外部负载收到激励振动时，内缸筒在外缸筒缸体内往复运动，同时通过一振动传感器会检测外部负载振动情况，产生反馈信号到一控制器，控制器根据反馈信号控制相应的输出电流到内阻尼器的内激励线圈和外阻尼器的外激励线圈，从而控制内外磁场强度，调节磁流变效应，继而控制阻尼器输出力和刚度的变化。