CN110043600A - 一种基于磁引力构件的准零刚度隔振器及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于磁引力构件的准零刚度隔振器及车辆，包括磁弹簧机构和空气弹簧；所述磁弹簧机构沿空气弹簧的轴线对称布置在空气弹簧的两侧；所述磁弹簧机构包括3n个永磁体，n为正整数，所述永磁体沿纵向安装在导向管上，沿导向管做直线运动，且相邻永磁体之间异级相对；最上面的永磁体和最下面的永磁体的一端相连，最下面的永磁体的另一端与空气弹簧的底板相连，中间的永磁体与空气弹簧的上端盖板相连。本发明在保证达到准零刚度的要求下，解决隔振器零部件过多、要求预留空间大的问题，并利用电磁感应现象调节控制线圈实现负刚度的可调。

Description

一种基于磁引力构件的准零刚度隔振器及车辆

技术领域

本发明属于隔振器技术领域，具体涉及一种基于磁引力构件的准零刚度隔振器及车辆。

背景技术

科学技术的进步推动了精密仪器的发展，精密的测量仪器对于振动控制的要求也越来越高。近年来，工程应用中的几何非线性问题与隔振器研究设计问题引起了国内外学者的广泛关注研究。准零刚度隔振器通过正负刚度并联的形式使得平衡位置附近的刚度趋近于零，达到了隔振器“高静低动”的理想要求。准零刚度大多采用螺旋弹簧来实现，如CN201510899818-一种正负刚度并联机构中，正负刚度机构均采用螺旋弹簧，通过调节水平弹簧的预紧力来实现负刚度的控制，解决正刚度特性与负刚度特性不匹配的问题，但其结构复杂，任意零件的失效都会影响整体，可靠性差。CN108506413A-一种准零刚度隔振装置利用蝶形弹簧来实现准零刚度，将蝶形弹簧和十字机构并联，此机构有竖向和水平方向双向的隔振效果，选用的十字机构有很大的设计空间，可根据具体的情况来选用合适的十字机构，可调性高，但其采用的十字机构占用空间较大，对预留空间要求高。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于磁引力构件的准零刚度隔振器，在保证达到准零刚度的要求下，解决隔振器零部件过多、要求预留空间大的问题，并利用电磁感应现象调节控制线圈实现负刚度的可调。

本发明还提供一种包含所述基于磁引力构件的准零刚度隔振器的车辆。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于磁引力构件的准零刚度隔振器，包括磁弹簧机构和空气弹簧；

所述磁弹簧机构沿空气弹簧的轴线对称布置在空气弹簧的两侧；

所述磁弹簧机构包括3n个永磁体，n为正整数，所述永磁体沿纵向安装在导向管上，沿导向管做直线运动，且相邻永磁体之间异级相对；

最上面的永磁体和最下面的永磁体的一端相连，最下面的永磁体的另一端与空气弹簧的底板相连，中间的永磁体与空气弹簧的上端盖板相连。

上述方案中，还包括ECU、检测机构和执行机构；

所述执行机构包括金属线圈，所述金属线圈安装在永磁体上；

所述检测机构用于检测空气弹簧振幅大小、空气弹簧内部气体压力和金属线圈的电流信号；

所述ECU分别与检测机构和执行机构连接。

进一步的，所述检测机构包括位移传感器、气压传感器和电流传感器；

所述位移传感器用于检测空气弹簧的振幅大小；

所述气压传感器用于检测空气弹簧内部气体压力；

所述电流传感器用于检测金属线圈的电流。

上述方案中，所述最上面的永磁体和最下面的永磁体的一端通过u形卡钳相连。

上述方案中，所述最下面的永磁体的另一端与空气弹簧7的底板通过磁弹簧固定卡钳相连。

进一步的，所述磁弹簧固定卡钳与空气弹簧的底板的纵向设有若干通孔，所述磁弹簧固定卡钳与空气弹簧的下底板通过螺栓和通孔连接。

上述方案中，所述空气弹簧的上端盖板设有向外延伸部分，中间的永磁体与向外延伸部分连接。

一种车辆，包括所述的基于磁引力构件的准零刚度隔振器。

一种根据所述的基于磁引力构件的准零刚度隔振器的控制方法，包括以下步骤：

所述检测机构检测空气弹簧振幅大小、空气弹簧内部气体压力和金属线圈的电流信号；

所述ECU根据检测机构的空气弹簧振幅大小信号计算得到加速度均方根，并求得加权加速度均方根值，ECU根据所求的加权加速度均方根值与预设值对比判断隔振器所需的工作状态；

所述ECU结合加权加速度均方根和空气弹簧内部气压，判断出所需电流值，再根据检测机构所检测的电流信号计算出金属线圈所要输出的电流，通过金属线圈调节永磁体的磁力，实现负刚度的可调。

上述方案中，所述ECU判断隔振器所需的工作状态的具体步骤为：

当所求的加权加速度均方根值超过上极限值时，所述ECU控制金属线圈的电流反向，磁弹簧机构负刚度减小；

当所求的加权加速度均方根值在两极限值中间时，所述ECU控制金属线圈的电流正向，但控制金属线圈电流降低；

当所求的加权加速度均方根值超过下极限值时，所述ECU10控制金属线圈的电流正向，控制金属线圈电流值增加，磁弹簧机构负刚度增大，使总体刚度趋近于零。

有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明所述隔振器是负刚度机构并联正刚度机构而成的，此隔振器的负刚度由3n条形永磁体组成，相邻永磁体之间两两异级相对；正刚度由橡胶弹簧提供，永磁体沿着导向管做直线运动，此隔振器具有结构简单、体积小、便于调节等特点，通过正负刚度并联的方式降低了隔振器的固有频率，有利于提高隔振器的隔振效果。

2.本发明隔振器还包括ECU、检测机构和执行机构，ECU可通过控制异级之间磁力强弱来调节负刚度大小，以实现整体固有频率的调节。本发明根据检测机构检测的具体振动信号来调整内部负刚度工作模式，提高了装置的灵活性。

3.本发明利用机械和电控两方面来实现负刚度的调整，提高了装置的整体的可靠性。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明磁弹簧固定卡钳三维图。

图3为本发明磁弹簧部件三维图。

图中，1.永磁体1；2.塑料管；3.u形卡钳；4.金属线圈；5.螺母；6.固定卡钳；7.空气弹簧；8.下底板；9.上端盖板；10.ECU；11.位移传感器；12.气压传感器；13.电流传感器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，一种基于磁引力构件的准零刚度隔振器，包括磁弹簧机构和空气弹簧7；

所述磁弹簧机构沿空气弹簧7的轴线对称布置在空气弹簧7的两侧；所述磁弹簧机构包括3n个永磁体1，n为正整数，本实施例中，所述永磁体1的数量为3个，3个所述永磁体1沿纵向安装在导向管2上，沿导向管2做直线运动，且相邻永磁体1之间异级相对；最上面的永磁体1和最下面的永磁体1的一端相连，最下面的永磁体1的另一端与空气弹簧7的底板相连，中间的永磁体1与空气弹簧7的上端盖板9相连。所述磁弹簧机构为负刚度装置，提供负刚度，所述空气弹簧7提供正刚度，隔振器采用通过正负刚度并联的方式进一步降低了隔振器的固有频率，有利于提高隔振器的隔振效果。

所述隔振器还包括ECU10、检测机构和执行机构；所述执行机构包括金属线圈4，所述金属线圈4安装在永磁体1上；所述检测机构用于检测空气弹簧7振幅大小、空气弹簧7内部气体压力和金属线圈4的电流信号；所述ECU10分别与检测机构和执行机构连接。

所述检测机构包括位移传感器11、气压传感器12和电流传感器13；所述位移传感器11用于检测空气弹簧7的振幅大小；所述气压传感器12用于检测空气弹簧7内部气体压力；所述电流传感器13用于检测金属线圈4的电流。

所述隔振器利用条形永磁体1异级相吸的吸引力作为负刚度装置中的弹力，此弹力对于质量块作用效果与空气弹簧的回复力相反，减小隔振器的固有频率；并利用电磁感应现象，将永磁体1外部加上可控制电流的金属线圈4，实现负刚度的可调。

优选的，所述导向管2为塑料材质制成，各永磁体1均上均有运动导向通孔，对永磁体1的运动起到导向作用；通孔的位置要求：当通孔竖直对齐时，永磁体1的异级应相对，通孔应尽量处于两级中间处。导向管2穿过永磁体1的中间通孔，保证永磁体1只能沿导向管2做直线运动。导向管2两端有外螺纹，与螺母5连接，防止条形永磁体1由于重力问题而自行脱落。

如图2所示，所述最上面的永磁体1和最下面的永磁体1的一端通过u形卡钳3相连。优选的，最上面的永磁体1和最下面的永磁体1的S级外端上下两面均开有长方体小槽，u形卡钳3上下与条形永磁体1接触平面上有凸台，长方体小槽与凸台两者间隙配合，保证u形卡钳3不易脱落的同时也加大了两者之间的受力面积。

中间永磁体1通过空气弹簧7上端盖板9连接到空气弹簧7上，实现与空气弹簧7的同步运动。同样的，中间条形永磁体1与上端盖板9也采用槽连接的方式增加两者之间的可承受力。由于条形永磁体1两两异级相对，相互之间为吸引力，这种吸引力可是作为一种弹力，从而能作为负刚度弹簧。这种负刚度装置不易生锈，并可能长期保持弹性。

所述最下面的永磁体1的另一端与空气弹簧7的下底板8通过固定卡钳6相连，使得整个磁弹簧机构可通过卡钳装置6固定在空气弹簧7上。

如图3所示，固定卡钳6的上端为一U形块，用于与磁弹簧最下端永磁体1连接。永磁体1的N级外端开有小槽，固定卡钳6的U形块与条形永磁体1接触面有凸台，两者相互配合，保证磁弹簧机构不易脱落。固定卡钳6的下半部分为一长方形片，长方形片阵列分布有如图2所示的通孔，利用水平高度相同的两个通孔和螺栓来将固定卡钳6固定到空气弹簧7的下底板8上；竖直方向上分布的通孔用于调整磁弹簧机构的安装高度，使得在平衡状态下的中间条形永磁体1处在上下两永磁体1的对称平面附近。

优选的，所述空气弹簧7的上端盖板9设有向外延伸部分，中间的永磁体1与向外延伸部分连接，用来连接空气弹簧7与磁弹簧机构。此延拓部分也采用卡钳的形式；中间的永磁体1S级外端开有小槽，与上端盖板9上的卡钳相配合，将空气弹簧7的运动传递到磁弹簧机构，实现正负刚度的并联。

一种根据所述的基于磁引力构件的准零刚度隔振器的控制方法，包括以下步骤：

所述检测机构检测空气弹簧7振幅大小、空气弹簧7内部气体压力和金属线圈4的电流信号；

所述ECU10根据检测机构的空气弹簧7振幅大小信号计算得到加速度均方根，并求得加权加速度均方根值，ECU10根据所求的加权加速度均方根值与预设值对比判断隔振器所需的工作状态；

所述ECU10结合加权加速度均方根和空气弹簧7内部气压，判断出所需电流值，再根据检测机构所检测的电流信号计算出金属线圈4所要输出的电流，通过金属线圈4调节永磁体1的磁力，实现负刚度的可调。

所述ECU10判断隔振器所需的工作状态的具体步骤为：

当所求的加权加速度均方根值超过上极限值时，所述ECU10控制金属线圈4的电流反向，磁弹簧机构负刚度减小；

当所求的加权加速度均方根值在两极限值中间时，所述ECU10控制金属线圈4的电流正向，但控制金属线圈4电流降低；

当所求的加权加速度均方根值超过下极限值时，所述ECU10控制金属线圈4的电流正向，控制金属线圈4电流值增加，磁弹簧机构负刚度增大，使总体刚度趋近于零。

平衡状态下，如图1所示，中间条形永磁体1需位于上下永磁体1的中间平面，可通过固定卡钳6与下底板8的相对位置粗调，以及空气弹簧7内部气压的微调。

条形永磁体1两两异级相对，上下永磁体对中间永磁体1的吸引力可相互抵消。当外加向下的位移时，空气弹簧7对于外加质量块的力为回复力，表现为推动质量块回到平衡位置；中间永磁体1与空气弹簧7同时向下，下端永磁体1的吸引力大于上端永磁体1，使得磁弹簧机构拉动空气弹簧7远离平衡位置。若磁弹簧对空气弹簧7的拉力与空气弹簧7的回复力相抵消，隔振器则达到准零刚度。

上下两端的永磁体1外部均缠有金属线圈4，金属线圈4缠绕长度与永磁体1长度相对应。金属线圈4的电流由ECU控制。位移传感器11用于感知外加振幅大小；气压传感器12用于感知空气弹簧7内部气体压力；电流传感器13用于检测金属线圈4中的电流。初始时，控制电流均为零，上下永磁体1的磁强度相同，调节隔振器与固定卡钳6的相对位置，使得中间永磁体1处于上下永磁体1的对称平面内，上下永磁体1对于中间永磁体1的吸引力相抵消。执行机构为稳压电源和永磁体1外部的金属线圈4。

检测机构将检测的信号传递给ECU10，ECU10收集信息并进行辨识，本实施例中可利用质量块高度信息来建立外加振动模型，并对位移求导，求取得振动的速度与加速度值。为防止ECU10接收分析信号过于频繁，影响控制系统的稳定性，在接收振动信号并求取加速度后，对在一定加速度时间历程at，通过频率加权求在这段加速度时间历程内的加权加速度均方根值。ECU10根据所求的加权加速度均方根值与预设值相比，具体判断负刚度所需的工作状态。例如可设定上极限值2m/s²和下极限值0.315m/s²，当所求的加速度均方根值超过上极限值时，振动能较大，整体的刚度过小对振动没有明显的吸收作用，反而会延长了调整时间，使得隔振器长期处于大幅振动状态下，故负刚度装置选择较“硬”的状态，即模式一；当在两极限值中间时，负刚度装置可在正常工作状态下进行，即模式二；而均方根值小于下极限值时，振动能小，隔振器可对隔振性能做更高要求，选取较“软”的准零状态，即模式三。

正负刚度处于并联状态，整体刚度为两者之和。负刚度装置主要有三种模式可供选择。模式一：负刚度较小，整体刚度大。控制金属线圈4的电流反向，利用控制电流产生的磁场减弱磁弹簧机构的作用。模式二：负刚度适中。这时候控制金属线圈4的电流正向，但较微弱，负刚度大多靠永磁体1本身的机械结构来实现。模式三：负刚度较大，整体刚度小。控制金属线圈4内电流正向，数值也明显增加，此时负刚度大，总体刚度可趋近于零。控制电流的大小取决于所选的模式、气压传感器12和电流传感器13所传来的信号。当控制金属线圈4的电流反向时，电流的大小与空气弹簧7内部气压呈反比关系；电流正向时，电流值与气压值呈正比。ECU10根据加权加速度均方根和空气弹簧7内部气压，判断出当前状态下所需电流值。再根据电流传感器13所输入的电流信号计算出执行模块所要输出电流，并将其传入控制金属线圈4的电流。

为保证左右两磁弹簧机构刚度相同，永磁体1外部控制金属线圈4均串联。

优选的，为保证中间条形永磁体1的运动，N级与外侧U形块之间因留有至少1cm以上的空隙，导向管2与通孔之间有3-5mm的径向间隙。

所述固定卡钳6、u形卡钳3、导向管2均采用高强度塑料等不导磁的材料，防止金属等顺磁性物质集中外部磁场，削弱磁弹簧效果。

所述ECU10可采用单片机来实现，执行机构则可采用稳压电源来实现控制电流的可调。

本发明的隔振器具有结构简单、体积小、隔振效果好、成本底、安装方便等特点，除此之外，该装置还具备智能控制功能，适应能力强。

实施例2

一种车辆，包括实施例1所述的基于磁引力构件的准零刚度隔振器，因此具有实施例1的有益效果，此处不再赘述。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁引力构件的准零刚度隔振器，其特征在于，包括磁弹簧机构和空气弹簧(7)；

所述磁弹簧机构沿空气弹簧(7)的轴线对称布置在空气弹簧(7)的两侧；

所述磁弹簧机构包括3n个永磁体(1)，n为正整数，所述永磁体(1)沿纵向安装在导向管(2)上，沿导向管(2)做直线运动，且相邻永磁体(1)之间异级相对；

最上面的永磁体(1)和最下面的永磁体(1)的一端相连，最下面的永磁体(1)的另一端与空气弹簧(7)的下底板(8)相连，中间的永磁体(1)与空气弹簧(7)的上端盖板(9)相连。

2.根据权利要求1所述的基于磁引力构件的准零刚度隔振器，其特征在于，还包括ECU(10)、检测机构和执行机构；

所述执行机构包括金属线圈(4)，所述金属线圈(4)安装在永磁体(1)上；

所述检测机构用于检测空气弹簧(7)振幅大小、空气弹簧(7)内部气体压力和金属线圈(4)的电流信号；

所述ECU(10)分别与检测机构和执行机构连接。

3.根据权利要求2所述的基于磁引力构件的准零刚度隔振器，其特征在于，所述检测机构包括位移传感器(11)、气压传感器(12)和电流传感器(13)；

所述位移传感器(11)用于检测空气弹簧(7)的振幅大小；

所述气压传感器(12)用于检测空气弹簧(7)内部气体压力；

所述电流传感器(13)用于检测金属线圈(4)的电流。

4.根据权利要求1所述的基于磁引力构件的准零刚度隔振器，其特征在于，所述最上面的永磁体(1)和最下面的永磁体(1)的一端通过u形卡钳(3)相连。

5.根据权利要求1所述的基于磁引力构件的准零刚度隔振器，其特征在于，所述最下面的永磁体(1)的另一端与空气弹簧(7)的底板通过磁弹簧固定卡钳(6)相连。

6.根据权利要求5所述的基于磁引力构件的准零刚度隔振器，其特征在于，所述磁弹簧固定卡钳(6)与空气弹簧(7)的底板的纵向设有若干通孔，所述磁弹簧固定卡钳(6)与空气弹簧(7)的底板通过螺栓和通孔连接。

7.根据权利要求1所述的基于磁引力构件的准零刚度隔振器，其特征在于，所述空气弹簧(7)的上端盖板(9)设有向外延伸部分，中间的永磁体(1)与向外延伸部分连接。

8.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述的基于磁引力构件的准零刚度隔振器。

9.一种根据权利要求2-7任意一项所述的基于磁引力构件的准零刚度隔振器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述检测机构检测空气弹簧(7)振幅大小、空气弹簧(7)内部气体压力和金属线圈(4)的电流信号；

所述ECU(10)根据检测机构的空气弹簧(7)振幅大小信号计算得到加速度均方根，并求得加权加速度均方根值，ECU(10)根据所求的加权加速度均方根值与预设值对比判断隔振器所需的工作状态；

所述ECU(10)结合加权加速度均方根和空气弹簧(7)内部气压，判断出所需电流值，再根据检测机构所检测的电流信号计算出金属线圈(4)所要输出的电流，通过金属线圈(4)调节永磁体(1)的磁力，实现负刚度的可调。

10.根据权利要求9所述的基于磁引力构件的准零刚度隔振器的控制方法，其特征在于，所述ECU(10)判断隔振器所需的工作状态的具体步骤为：

当所求的加权加速度均方根值超过上极限值时，所述ECU(10)控制金属线圈(4)的电流反向，磁弹簧机构负刚度减小；

当所求的加权加速度均方根值在两极限值中间时，所述ECU(10)控制金属线圈(4)的电流正向，但控制金属线圈(4)电流降低；

当所求的加权加速度均方根值超过下极限值时，所述ECU(10)控制金属线圈(4)的电流正向，控制金属线圈(4)电流值增加，磁弹簧机构负刚度增大，使总体刚度趋近于零。