CN108518444B - 永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器及其阻尼调节方法 - Google Patents

永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器及其阻尼调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器及其阻尼调节方法。现有磁流变阻尼器单独使用励磁线圈或单独使用永磁体来产生磁场，阻尼力可调范围有限。本发明包括励磁线圈和永磁体，当励磁线圈通入正向电流时，在阻尼通道中，励磁线圈产生的磁力线与永磁体产生的磁力线方向相同，叠加之后阻尼通道中磁场强度变大，从而磁流变液的阻尼力增大；当励磁线圈通过反向电流时，在阻尼通道中，电磁线圈产生的磁力线与永磁体产生的磁力线方向相反，叠加之后阻尼通道中磁场强度变小，从而磁流变液的阻尼力减小。本发明采用永磁体和励磁线圈混合的方式，通过改变电流的大小和方向改变线圈产生磁场的大小与方向，导致阻尼力发生改变。

Description

永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器及其阻尼调节方法
技术领域
本发明属于磁流变阻尼器技术领域，具体涉及一种阻尼可调、自冷却的磁流变阻尼器。
背景技术
以新型的智能材料——磁流变液为工作介质制成的磁流变阻尼器是一种性能优良的半主动控制装置，具有结构简单、响应快速、耐久性好等优点，即使在控制系统失效的情况下也能正常使用，安全可靠。磁流变阻尼器作为半主动控制器件，既有被动控制的可靠性，又有主动控制的适应性，具有良好的应用前景。
磁流变阻尼器是通过磁场来改变磁流变液粘度，从而产生阻尼的器件。在不加磁场的情况下，磁流变液的颗粒呈无规则分布，添加磁场后，颗粒沿着磁场中磁感应线的方向呈链状排列，限制了磁流变液的流动速度和方向，并将磁流变液由液态向半固态、固态转变，从而产生阻尼力，并且随着磁场强度的增大，阻尼力也会增大。
现有的磁流变阻尼器，要么是单独使用励磁线圈来产生磁场，要么是单独使用永磁体来产生磁场。前者是通过改变电流的大小来改变磁场的强弱，阻尼力的调节方式单一；后者是通过改变永磁体的外露面积来改变磁场的强弱，但其运动机构结构复杂，并容易损坏。此外这两类阻尼器产生的阻尼力可调范围有限。
发明内容
本发明提供一种永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器及其阻尼调节方法，目的是实现阻尼的可调节和阻尼器的自冷却；此外，本发明的另一个目的是降低磁流变液对密闭结构的压力，减缓对磁流变阻尼器内壁的磨损程度，从而延长磁流变阻尼器的使用寿命。
为实现上述的目的，本发明的采用的技术方案如下：
本发明永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器，包括活塞杆、上端盖、内缸筒、主活塞、外缸筒、活动活塞和阻尼调节装置；所述的活塞杆穿过上端盖的中心孔，上端盖的中心孔孔壁开设第一密封槽，第一密封槽内设有第一密封圈；所述活塞杆的顶端设有上吊耳；活塞杆底端与主活塞可拆卸连接；主活塞与活塞杆连接的端面开设有倒T型槽，倒T型槽内设有相变材料；所述的内缸筒呈两端均开放的圆筒形，顶部与上端盖可拆卸连接，且内缸筒与上端盖同轴设置；主活塞与内缸筒的内壁构成滑动副；内缸筒的上部开设有可供液体流通的第一通道和第二通道；所述外缸筒的底部封闭、顶部开放，且底部设有下吊耳；外缸筒顶部与上端盖可拆卸连接，且外缸筒与上端盖同轴设置；外缸筒顶部与上端盖之间设有第三密封圈；所述的阻尼调节装置包括励磁线圈和永磁体；铁芯固定在内缸筒外侧壁底部，励磁线圈绕在铁芯上形成螺线管；环状的永磁体固定在外缸筒的内侧壁，且正对励磁线圈设置；永磁体与励磁线圈之间的空隙为阻尼通道；所述的活动活塞与外缸筒内壁构成滑动副，且活动活塞侧壁开设的第二密封槽内设置第二密封圈；活塞杆开设有布线槽，内缸筒开设有线圈连接通道，导线穿过布线槽和线圈连接通道后连接励磁线圈；布线槽内端端口与导线之间设置第四密封圈；活动活塞和第二密封圈将上端盖和外缸筒内形成的空腔分隔成顶部的磁流变液腔和底部的密闭气室，磁流变液腔内设有磁流变液，密闭气室内设有气体。
所述的相变材料处于液态时，液位低于倒T型槽顶端端面。
所述第一通道和第二通道的中心轴线等高。
所述外缸筒的顶端端部为阶梯孔，上端盖为阶梯轴，阶梯轴除最小轴径段以外，其余轴径段轴径与阶梯孔对应孔段的孔径相等；阶梯轴最小轴径段的轴径小于阶梯孔的最小孔径，且阶梯轴最小轴径段与阶梯孔最小孔径段之间设有第三密封圈。
该永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器的阻尼调节方法，具体如下：
活塞杆向下移动时，主活塞与活动活塞之间的腔室受到压缩而体积减小，压强增大，同时内缸筒与活塞杆及主活塞形成的内腔体积增大，压强变小，使得磁流变液经过永磁体与励磁线圈之间的阻尼通道流入外缸壁与内缸壁之间形成的腔室中，再经过第一通道与第二通道流入内缸筒与活塞杆及主活塞形成的内腔中。活塞杆向上移动时，主活塞与活动活塞之间的腔室受到拉伸而导致体积增大，压强减小，同时内缸筒与活塞杆及主活塞形成的内腔受到压缩而导致体积变小，压强增大，使得内缸筒与活塞杆及主活塞形成内腔中磁流变液从第一通道和第二通道流出，流入到外缸壁与内缸壁之间形成的腔室中，再经过永磁体与励磁线圈之间的阻尼通道流向主活塞与活动活塞之间的腔室中。
活塞杆移动过程中，当励磁线圈不通入电流时，磁流变液通过阻尼通道，磁流变液中的颗粒受到磁场的作用由液态变成半固态，从而产生阻尼力。当励磁线圈通入正向电流时，在阻尼通道中，励磁线圈产生的磁力线与永磁体产生的磁力线方向相同，叠加之后阻尼通道中磁场强度变大，从而磁流变液的阻尼力增大；当励磁线圈通过反向电流时，在阻尼通道中，电磁线圈产生的磁力线与永磁体产生的磁力线方向相反，叠加之后阻尼通道中磁场强度变小，从而磁流变液的阻尼力减小。活塞杆带动主活塞滑动时，摩擦生热，温度升高，相变材料熔化，由固态转变成液态，吸收热量，降低主活塞的温度；主活塞处于停止状态时，温度下降，相变材料固化，由液态转变成固态，放出热量。
通过改变电流的大小，改变磁场强度的大小，从而改变阻尼力的大小。
永磁体产生的磁力线由永磁体的N极出发经阻尼通道上端、内缸筒、阻尼通道下端及永磁体的S极回到N极，形成闭合回路，且通过阻尼通道上端及下端的磁力线垂直于阻尼通道。
当励磁线圈通入正向电流时，励磁线圈下端为N极，励磁线圈产生的磁力线由励磁线圈的N极出发经阻尼通道下端、外缸筒、阻尼通道上端及内缸筒回到N极，形成闭合回路，且通过阻尼通道的磁力线垂直于阻尼通道。励磁线圈通入正向电流后，在阻尼通道中，励磁线圈产生的磁力线与永磁体产生的磁力线方向相同，使得阻尼通道中的磁场强度增强，从而增加了阻尼力。
当励磁线圈通入反向电流时，励磁线圈上端为N极，励磁线圈产生的磁力线由励磁线圈的N极出发经阻尼通道上端、外缸筒、阻尼通道下端及内缸筒回到N极，形成闭合回路，且通过阻尼通道的磁力线垂直于阻尼通道。励磁线圈通入反向电流后，在阻尼通道中，电磁线圈产生的磁力线与永磁体产生的磁力线方向相反，使得阻尼通道中的磁场强度减弱，从而减少了阻尼力。
本发明的磁流变阻尼器与传统的磁流变阻尼器相比，具有的有益效果：
(1)本发明采用永磁体和励磁线圈混合的方式，使得未通电的情况下也有阻尼力的产生，并通过改变电流的大小和方向改变线圈产生磁场的大小与方向，导致流过阻尼通道的磁流变液的性质改变，从而导致阻尼力发生改变，最终达到调节阻尼的效果。此外，多设置几组阻尼调节装置，可以进一步扩大调节范围。
(2)减少了主活塞的构件，使得结构更加简单；同时增加了内腔(活塞杆与内缸筒之间的空间)，扩大了缸筒内部面积，降低磁流变液对密闭结构的压力，减缓对磁流变阻尼器内壁的磨损程度，从而延长磁流变阻尼器的使用寿命。
(3)采用相变材料，可以在相变材料固态和液态之间的形态变化中实现对主活塞的冷却，同时相变材料也可以循环使用。
附图说明
图1为本发明磁流变阻尼器的结构图。
图2为本发明磁流变阻尼器压缩时磁流变液的流向示意图。
图3为本发明磁流变阻尼器拉伸时磁流变液的流向示意图。
图4为本发明实施例中永磁体的磁力线方向示意图。
图5为本发明实施例中励磁线圈通正向电时磁力线方向示意图。
图6为本发明实施例中励磁线圈通反向电时磁力线方向示意图。
图中：1、上吊耳，2、活塞杆，3、第一密封圈，4、上端盖，5、第一通道，6、内缸筒，7、主活塞，8、外缸筒，9、励磁线圈，10、永磁体，11、活动活塞，12、第二密封圈，13、气体，14、下吊耳，15、线圈连接通道，16、第二通道，17、第三密封圈，18、倒T型槽，19、第四密封圈。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的描述。
如图1所示，永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器，包括活塞杆2、上端盖4、内缸筒6、主活塞7、外缸筒8、活动活塞11和阻尼调节装置；活塞杆2穿过上端盖4的中心孔，上端盖4的中心孔孔壁开设第一密封槽，第一密封槽内设有第一密封圈3，用于上端盖4与活塞杆2之间的密封；活塞杆2的顶端设有上吊耳1，用于与位于阻尼器上端的车架连接；活塞杆2底端与主活塞7可拆卸连接；主活塞7与活塞杆2连接的端面开设有倒T型槽18，倒T型槽内设有相变材料(采用论文“Li B,Liu T,Hu L,et al.Fabrication and Properties ofMicroencapsulated Paraffin@SiO2Phase Change Composite for Thermal EnergyStorage.Acs Sustainable Chemistry&Engineering,2013,1(3):374-380.”中的石蜡/SiO2纳米微胶囊复合相变储材料)，通过相变材料的形态变化实现对主活塞的温度调节，相变材料处于液态时，液位低于倒T型槽顶端端面；内缸筒6呈两端均开放的圆筒形，顶部与上端盖可拆卸连接，且内缸筒6与上端盖4同轴设置；主活塞7与内缸筒6的内壁构成滑动副；内缸筒6的上部开设有可供液体流通的第一通道5和第二通道16，第一通道5和第二通道16的中心轴线等高；外缸筒8的底部封闭、顶部开放，且底部设有下吊耳14，用于与位于阻尼器下端的车桥连接；外缸筒8顶部与上端盖4可拆卸连接，且外缸筒8与上端盖4同轴设置；阻尼调节装置包括励磁线圈9和永磁体10；铁芯固定在内缸筒6外侧壁底部，励磁线圈9绕在铁芯上形成螺线管；环状的永磁体10固定在外缸筒8的内侧壁，且正对励磁线圈9设置；永磁体10与励磁线圈9之间的空隙为阻尼通道；活动活塞11与外缸筒8内壁构成滑动副，且活动活塞11侧壁开设的第二密封槽内设置第二密封圈12，用于活动活塞11与外缸筒8内壁的密封；外缸筒8的顶端端部为阶梯孔，上端盖4为阶梯轴，阶梯轴除最小轴径段以外，其余轴径段轴径与阶梯孔对应孔段的孔径相等；阶梯轴最小轴径段的轴径小于阶梯孔的最小孔径，且阶梯轴最小轴径段与阶梯孔最小孔径段之间设有第三密封圈17；活塞杆2开设有布线槽，内缸筒6开设有线圈连接通道15，导线穿过布线槽和线圈连接通道15后连接励磁线圈9；布线槽内端端口与导线之间设置第四密封圈19；第一密封圈3、第二密封圈12、第三密封圈17和第四密封圈19共同防止磁流变液的泄露。活动活塞11和第二密封圈12将上端盖4和外缸筒8内形成的空腔分隔成顶部的磁流变液腔和底部的密闭气室，磁流变液腔内设有磁流变液，密闭气室内设有气体13；活塞杆2向上(或向下)引起磁流变液腔的体积变化由活动活塞11向上(或向下)运动进行补偿。
如图4所示为本发明的磁流变阻尼器中永磁体(本实施例中永磁体上端为N极，下端为S极)的磁场磁力线的分布示意图。永磁体10产生的磁力线由永磁体10的N极出发经阻尼通道上端、内缸筒6、阻尼通道下端及永磁体10的S极回到N极，形成闭合回路，且通过阻尼通道上端及下端的磁力线垂直于阻尼通道。
如图5所示为本发明的磁流变阻尼器中励磁线圈通入正向电流时磁力线的分布示意图。当励磁线圈通入正向电流时，励磁线圈9下端为N极，励磁线圈9产生的磁力线由励磁线圈9的N极出发经阻尼通道下端、外缸筒8、阻尼通道上端及内缸筒6回到N极，形成闭合回路，且通过阻尼通道的磁力线垂直于阻尼通道。励磁线圈通入正向电流后，在阻尼通道中，励磁线圈产生的磁力线与永磁体产生的磁力线方向相同，使得阻尼通道中的磁场强度增强，从而增加了阻尼力。
如图6所示为本发明的磁流变阻尼器中励磁线圈通入反向电流时磁力线的分布示意图。当励磁线圈通入反向电流时，励磁线圈9上端为N极，励磁线圈9产生的磁力线由励磁线圈9的N极出发经阻尼通道上端、外缸筒8、阻尼通道下端及内缸筒6回到N极，形成闭合回路，且通过阻尼通道的磁力线垂直于阻尼通道。励磁线圈通入反向电流后，在阻尼通道中，电磁线圈产生的磁力线与永磁体产生的磁力线方向相反，使得阻尼通道中的磁场强度减弱，从而减少了阻尼力。
该永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器的阻尼调节方法，具体如下：
如图2所示为本发明的磁流变阻尼器压缩时，磁流变液的流向示意图。当汽车的车轮滚上凸起和滚出凹坑时，车轮接近车身，磁流变阻尼器受到压缩作用力，活塞杆2向下移动，主活塞与活动活塞13之间的腔室受到压缩而体积减小，压强增大，同时内缸筒与活塞杆及主活塞形成的内腔体积增大，压强变小，使得磁流变液经过永磁体与励磁线圈之间的阻尼通道流入外缸壁与内缸壁之间形成的腔室中，再经过第一通道5与第二通道18流入内缸筒与活塞杆及主活塞形成的内腔中。
如图3所示为本发明的磁流变阻尼器拉伸时，磁流变液流向的示意图。当汽车的车轮滚进凹坑和滚离凸起时，车轮远离车身，磁流变阻尼器受到拉伸作用力，活塞杆2向上移动，主活塞与活动活塞13之间的腔室受到拉伸而导致体积增大，压强减小，同时内缸筒与活塞杆及主活塞形成的内腔受到压缩而导致体积变小，压强增大，使得内缸筒与活塞杆及主活塞形成内腔中磁流变液从第一通道5和第二通道18流出，流入到外缸壁与内缸壁之间形成的腔室中，再经过永磁体与励磁线圈之间的阻尼通道流向主活塞与活动活塞13之间的腔室中。
当励磁线圈不通入电流时，磁流变液通过阻尼通道时，磁流变液中的颗粒受到磁场的作用，由无规则状变成链束状，限制了磁流变液的流动速度和方向，磁流变液由液态变成半固态，从而产生阻尼力。当励磁线圈通入正向电流时，在阻尼通道中，励磁线圈产生的磁力线与永磁体产生的磁力线方向相同，叠加之后阻尼通道中磁场强度变大，从而磁流变液的阻尼力增大；当励磁线圈通过反向电流时，在阻尼通道中，电磁线圈产生的磁力线与永磁体产生的磁力线方向相反，叠加之后阻尼通道中磁场强度变小，从而磁流变液的阻尼力减小。通过改变通入电流的大小，改变磁场强度的大小，从而达到改变阻尼力的大小。
汽车在行驶过程中，活塞杆受到拉力和压力，带动主活塞来回滑动，摩擦生热，温度升高，相变材料熔化，由固态转变成液态，吸收热量，降低主活塞的温度；汽车处于停止状态时，主活塞温度下降，相变材料固化，由液态转变成固态，放出热量。本发明通过相变材料吸热由固态变为液态的原理来实现对主活塞的温度冷却，之后相变材料放热又由液态变回到固态。
本发明设计了一种新的磁流变阻尼器，采用混合永磁体和励磁线圈的方案，通过改变电流的大小和方向来改变磁场的强弱。与单独使用永磁体的磁流变阻尼器相比，去除了运动机构，使结构得以简化。与单独使用励磁线圈的磁流变阻尼器相比，可以通过改变电流的方向来与永磁体产生的磁场进行叠加或消减，从而扩大了阻尼力的调节范围。

Claims (9)

1.永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器，包括活塞杆、上端盖、内缸筒、主活塞、外缸筒、活动活塞和阻尼调节装置，其特征在于：所述的活塞杆穿过上端盖的中心孔，上端盖的中心孔孔壁开设第一密封槽，第一密封槽内设有第一密封圈；所述活塞杆的顶端设有上吊耳；活塞杆底端与主活塞可拆卸连接；主活塞与活塞杆连接的端面开设有倒T型槽，倒T型槽内设有相变材料；所述的内缸筒呈两端均开放的圆筒形，顶部与上端盖可拆卸连接，且内缸筒与上端盖同轴设置；主活塞与内缸筒的内壁构成滑动副；内缸筒的上部开设有可供液体流通的第一通道和第二通道；第一通道和第二通道相对活塞杆对称设置；所述外缸筒的底部封闭、顶部开放，且底部设有下吊耳；外缸筒顶部与上端盖可拆卸连接，且外缸筒与上端盖同轴设置；外缸筒顶部与上端盖之间设有第三密封圈；所述的阻尼调节装置包括励磁线圈和永磁体；铁芯固定在内缸筒外侧壁底部，励磁线圈绕在铁芯上形成螺线管；环状的永磁体固定在外缸筒的内侧壁，且正对励磁线圈设置；永磁体与励磁线圈之间的空隙为阻尼通道；所述的活动活塞与外缸筒内壁构成滑动副，且活动活塞侧壁开设的第二密封槽内设置第二密封圈；活塞杆开设有布线槽，内缸筒开设有线圈连接通道，导线穿过布线槽和线圈连接通道后连接励磁线圈；布线槽内端端口与导线之间设置第四密封圈；活动活塞和第二密封圈将上端盖和外缸筒内形成的空腔分隔成顶部的磁流变液腔和底部的密闭气室，磁流变液腔内设有磁流变液，密闭气室内设有气体。
2.根据权利要求1所述的永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器，其特征在于：所述的相变材料处于液态时，液位低于倒T型槽顶端端面。
3.根据权利要求1所述的永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器，其特征在于：所述第一通道和第二通道的中心轴线等高。
4.根据权利要求1所述的永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器，其特征在于：所述外缸筒的顶端端部为阶梯孔，上端盖为阶梯轴，阶梯轴除最小轴径段以外，其余轴径段轴径与阶梯孔对应孔段的孔径相等；阶梯轴最小轴径段的轴径小于阶梯孔的最小孔径，且阶梯轴最小轴径段与阶梯孔最小孔径段之间设有第三密封圈。
5.根据权利要求1所述的永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器的阻尼调节方法，其特征在于：该方法具体如下：
活塞杆向下移动时，主活塞与活动活塞之间的腔室受到压缩而体积减小，压强增大，同时内缸筒与活塞杆及主活塞形成的内腔体积增大，压强变小，使得磁流变液经过永磁体与励磁线圈之间的阻尼通道流入外缸壁与内缸壁之间形成的腔室中，再经过第一通道与第二通道流入内缸筒与活塞杆及主活塞形成的内腔中；活塞杆向上移动时，主活塞与活动活塞之间的腔室受到拉伸而导致体积增大，压强减小，同时内缸筒与活塞杆及主活塞形成的内腔受到压缩而导致体积变小，压强增大，使得内缸筒与活塞杆及主活塞形成内腔中磁流变液从第一通道和第二通道流出，流入到外缸壁与内缸壁之间形成的腔室中，再经过永磁体与励磁线圈之间的阻尼通道流向主活塞与活动活塞之间的腔室中；
活塞杆移动过程中，当励磁线圈不通入电流时，磁流变液通过阻尼通道，磁流变液中的颗粒受到磁场的作用由液态变成半固态，从而产生阻尼力；当励磁线圈通入正向电流时，在阻尼通道中，励磁线圈产生的磁力线与永磁体产生的磁力线方向相同，叠加之后阻尼通道中磁场强度变大，从而磁流变液的阻尼力增大；当励磁线圈通过反向电流时，在阻尼通道中，电磁线圈产生的磁力线与永磁体产生的磁力线方向相反，叠加之后阻尼通道中磁场强度变小，从而磁流变液的阻尼力减小；活塞杆带动主活塞滑动时，摩擦生热，温度升高，相变材料熔化，由固态转变成液态，吸收热量，降低主活塞的温度；主活塞处于停止状态时，温度下降，相变材料固化，由液态转变成固态，放出热量。
6.根据权利要求5所述的永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器的阻尼调节方法，其特征在于：通过改变电流的大小，改变磁场强度的大小，从而改变阻尼力的大小。
7.根据权利要求5所述的永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器的阻尼调节方法，其特征在于：永磁体产生的磁力线由永磁体的N极出发经阻尼通道上端、内缸筒、阻尼通道下端及永磁体的S极回到N极，形成闭合回路，且通过阻尼通道上端及下端的磁力线垂直于阻尼通道。
8.根据权利要求7所述的永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器的阻尼调节方法，其特征在于：当励磁线圈通入正向电流时，励磁线圈下端为N极，励磁线圈产生的磁力线由励磁线圈的N极出发经阻尼通道下端、外缸筒、阻尼通道上端及内缸筒回到N极，形成闭合回路，且通过阻尼通道的磁力线垂直于阻尼通道；励磁线圈通入正向电流后，在阻尼通道中，励磁线圈产生的磁力线与永磁体产生的磁力线方向相同，使得阻尼通道中的磁场强度增强，从而增加了阻尼力。
9.根据权利要求7所述的永磁体和励磁线圈混合式磁流变阻尼器的阻尼调节方法，其特征在于：当励磁线圈通入反向电流时，励磁线圈上端为N极，励磁线圈产生的磁力线由励磁线圈的N极出发经阻尼通道上端、外缸筒、阻尼通道下端及内缸筒回到N极，形成闭合回路，且通过阻尼通道的磁力线垂直于阻尼通道；励磁线圈通入反向电流后，在阻尼通道中，电磁线圈产生的磁力线与永磁体产生的磁力线方向相反，使得阻尼通道中的磁场强度减弱，从而减少了阻尼力。
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