CN114838082B - 一种基于磁流变材料的多级变阻尼变刚度减振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于磁流变材料的多级变阻尼变刚度减振器，包括：减振器上盖、减振器套筒、减振器缸、减振器刚度元件、传力弹簧、减振器活塞、浮动活塞、减振器活塞杆和减振器下盖。本发明使减振器的阻尼实现多级大范围调节，并使减振器的刚度实现自适应变化，从而达到主被动一体化控制的减振效果。

Description

一种基于磁流变材料的多级变阻尼变刚度减振器

技术领域

本发明涉及涉及智能材料减振器领域，特别地，涉及一种基于磁流变材料的变阻尼变刚度减振器。

背景技术

机械振动普遍存在于各动力机械及机械产品中，振动会引起机械零部件损坏，影响精密仪器的工作效果，甚至对人体产生不良影响。在航空、航天、机械、汽车、建筑、精密仪器等领域中，通过减振器来消除振动的不良影响，目前，减振器的类型按控制方式可分为被动控制型、主动控制型和半主动控制型。

被动式减振器由弹簧和阻尼器组成，其性能参数刚度和阻尼系数一旦确定无法改变，减振性能在某一承载质量与某一激励频率下效果最佳，结构简单，制造成本低，可靠性高；主动式减振器是在被动式减振器的基础上附加可控制力发生器，通过控制力发生器的作用力大小实现减振控制，其主动减振效果良好，但需要外界提供控制力的能源装置，制造成本高，能耗大，可靠性低；半主动控制减振器的特点是，刚度或阻尼系数可调节，其减振性能优于被动式减振器，耗能量低于主动控制减振器，综合性能较高。

近年来，磁流变智能材料发展迅速，目前应用较为广泛的是磁流变液及磁流变弹性体材料。该新型智能材料的刚度及阻尼系数可在磁场作用下迅速发生变化，利用磁流变材料的磁流变特性研制出了许多新型可控减振器。授权公告号为CN104595412B的专利提供了一种基于流动模式的双筒结构磁流变液减振器，减振器外缸筒与内缸筒之间留有间隙，活塞在内缸筒中运动，推动磁流变液在内缸筒及内、外缸筒的间隙处流动，磁场调节装置固定于减振器底座上，通过调节磁场强度改变磁流变液的粘度，达到控制减振器阻尼力的目的。授权公告号为CN105508495B的专利提供了一种馈能式磁流变弹性体车辆减振装置，其减振装置本体包括缸筒和设置在缸筒内的活塞杆，活塞杆的中部套装有多个压电模块和多个磁流变弹性体，压电模块中镶嵌有压电振子，通过正压电效应产生电能并给车载蓄电池充电，通过控制磁流变弹性体外侧的励磁线圈电路电流大小，改变其所处磁场强度大小来控制磁流变弹性体的挤压刚度，最终达到控制减振器刚度的目的。

对于磁流变液和磁流变液和磁流变弹性体两种材料，前者可实现减振器的变阻尼控制，后者可实现减振器的变刚度控制，而使用其中一种材料，很难实现对刚度和阻尼的同时控制。此外，现阶段使用的磁流变液减振器，大部分属于活塞空隙流动模式，这种磁流变减振器因阻尼力可调范围窄、磁场作用区域小、磁流变液利用率低等缺点，所能提供的阻尼力范围有限；并且磁流变液减振器在低速，尤其是速度接近于零时，产生的阻尼力很小，因此，汽车低速工作在非铺装路面或是低速过弯时，不能够提供足够的阻尼力，从而影响汽车的操纵稳定性和平顺性。此外车辆在使用中其负载会随着实际情况发生变化，车辆负载越大，需要的减振器刚度也越大，而现有的车辆减振器无法根据车辆负载的变化自动调整减振器的刚度，缺乏自适应性。

因此，为解决目前磁流变材料减振器中存在的刚度、阻尼难以同时控制问题，现有技术中亟需一种制造成本低，刚度及阻尼参数均可控制的新型智能材料减振器。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于磁流变材料的多级变阻尼变刚度减振器，包括：

减振器上盖；

减振器套筒，其中，所述减振器上盖套设在所述减振器套筒的上方；所述减振器套筒内壁缠绕设置有上线圈绕组；

减振器缸，其中，所述减振器套筒套设在所述减振器缸的上部；

减振器刚度元件，所述减振器刚度元件设置在所述减振器套筒内；

传力弹簧，所述传力弹簧设置在所述减振器套筒内，且所述传力弹簧上端与所述减振器刚度元件连接，所述传力弹簧下端与所述减振器缸连接；

减振器活塞，所述减振器活塞设置在所述减振器缸内；所述减振器活塞的上部空间设置有步进电机，所述减振器活塞内部设置有用于磁流变液流动的通道式结构，在所述减振器活塞中部缠绕设置有下线圈绕组；所述减振器活塞的下部设置有活塞磁流变液流通孔，所述活塞磁流变液流通孔与所述通道式结构连通；

浮动活塞，所述浮动活塞设置所述减振器缸内，且位于减振器活塞下方，所述浮动活塞将所述减振器缸的内部分为上下两部分，其中，上半部分为充满磁流变液的变阻尼工作腔，下半部分为气室；

减振器活塞杆，所述减振器活塞杆设置在所述减振器套筒中，并依次贯穿所述减振器刚度元件和所述传力弹簧，并且，所述减振器活塞杆的上端与所述减振器上盖连接，所述减振器活塞杆的下端插入所述减振器缸中并与所述减振器活塞连接；和

减振器下盖，所述减振器下盖套设在所述减振器套筒的下方。

所述减振器缸包括：

减振器缸筒，其中，所述减振器套筒套设在所述减振器缸筒的上部；和

减振器缸盖，所述减振器缸盖盖设在所述减振器缸筒的顶端；

所述减振器刚度元件包括：

两个永磁体；和

挤压式磁流变弹性体，所述挤压式磁流变弹性体设置在两个所述永磁体之间。

所述传力弹簧上端和下端分别通过弹簧卡盘与两个所述永磁体连接。

所述减振器活塞包括：

流量控制杆，所述流量控制杆与所述步进电机连接；和

流量控制盘，所述流量控制盘固定设置在所述流量控制杆的底端，所述流量控制盘上设置有所述控制盘磁流变液流通孔；

其中，步进电机带动所述流量控制杆和所述流量控制盘旋转，改变所述控制盘磁流变液流通孔和所述活塞磁流变液流通孔的重合面积，进而改变所述减振器的阻尼，与改变所述下线圈绕组的通电电流相结合，实现对所述减振器的阻尼的多级调节。

所述浮动活塞上安装有浮动活塞密封圈，从而将浮动活塞上方的腔体中的磁流变液与浮动活塞下方的所述气室隔绝。

所述减振器活塞上部和下部分别安装有两道减振器活塞密封圈，从而与所述减振器缸筒的内壁配合。

所述减振器缸盖中间设置有活塞杆密封圈以保证所述减振器缸体内的密封。

所述减振器上盖上设置有减振器上安装孔，所述减振器下盖上设置有减振器下安装孔。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

通过电磁控制挤压式磁流变弹性体的方法控制刚度变化，通过电磁控制磁流变液材料和流量控制盘控制磁流变液流通孔面积的方法控制减振器阻尼，最终能够使刚度与阻尼参数均可控。

针对不同载荷下减振器刚度难以自适应调节的问题，通过在变刚度元件磁流变弹性体上下布置永磁体的方式，可以使减振器有受到载荷越大，减振器刚度也越大的特点，并与电磁控制挤压式磁流变弹性体相结合，使减振器的刚度变化达到主被动一体化控制的减振效果。

分别通过控制工作活塞下部的流量控制盘以及活塞内部线圈绕组的电流大小来实现活塞内磁流变液的流通量以及磁流变液阻尼系数的调整，并通过二者共同作用来实现阻尼力的多级调节，提高了磁流变液减振器阻尼力可调范围。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2为减振器活塞的局部放大图。

图3为流量控制盘的俯视图。

图4为图1中A处的局部放大图。

具体实施方式

通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本发明通过对励磁线圈的电流的控制改变挤压式磁流变弹性体所处位置磁场强度的方法控制刚度变化。通过步进电机来对流量控制盘进行调整，以及对励磁线圈的电流的控制来实现对缸内磁流变液的粘度进行调整两种方法，实现阻尼的多级调整。两种方法结合最终实现减振器刚度和阻尼同时可调的目的。

如图1-4所示，减振器上盖2与减振器套筒4相连接，减振器上盖2上设置有减振器上安装孔1。减振器活塞杆3上方与减振器上盖2连接。

减振器活塞杆3外套有传力弹簧9，其中，传力弹簧9安装在上下两个弹簧卡盘上。减振器刚度元件包括永磁体6和挤压式磁流变弹性体7，两个弹簧卡盘分别和永磁体6以及减振器缸盖11相连接。挤压式磁流变弹性体7设置在两个永磁体6之间，两个永磁体6和挤压式磁流变弹性体7以及缠绕在减振器套筒4内壁的上线圈绕组5作为变刚度原件。

减振器缸包括：减振器缸筒10和减振器缸盖11，其中，减振器套筒4套设在减振器缸筒10的上部；减振器缸盖11盖设在减振器缸筒10的顶端。

减振器活塞13包括：流量控制杆24和流量控制盘25，流量控制杆24与步进电机23连接；流量控制盘25固定设置在流量控制杆24的底端。如图3所示，流量控制盘25上设置有控制盘磁流变液流通孔26。

活塞杆3下方与减振器活塞13相连，减振器缸筒10的上方与减振器缸盖11相连接，减振器缸盖中间安装有活塞杆密封圈12保证减振器缸体内的密封。减振器活塞13的上下部分安装有两道减振器活塞密封圈17与减振器缸筒10内壁配合。在活塞内部设有通道式结构14用于磁流变液流动。在减振器活塞13中部缠绕有下线圈绕组线圈16，用于产生磁场实现变阻尼的目的。在减振器活塞13下方安装有浮动活塞18将减振器缸筒内部分为上下两部分。上半部分为变阻尼工作腔，其中，充满磁流变液15作为工作介质，浮动活塞18上安装有浮动活塞密封圈19可以将上方工作腔中的磁流变液15与下方气室20隔绝。浮动活塞18下方为气室20，气室20中的高压气体会起到一定的缓冲作用并补偿减振器拉伸行程活塞杆伸出工作腔之后产生的体积差，压缩行程的工作过程反之。

减振器缸筒10下方与减振器下盖21相连接，减振器下盖21上设置有减振器下安装孔22。

减振器在工作时通过调节上线圈绕组5的电流改变磁流变弹性体7周围的磁场环境从而改变减振器的刚度，当上线圈绕组的电流增大时，挤压式磁流变弹性体内的磁性颗粒快速产生磁化现象，从而使减振器刚度变大。在减振器受到压缩时，其上下两永磁体间距也随之改变，间距减小，磁场增强，间距增大，磁场减弱，减振器此变化磁场也叠加在弹性体上。受此规律影响减振器受到载荷越大，上下两永磁体间磁场强度越大，磁流变弹性体的刚度也越大，这使减振器的刚度变化达到主被动一体化控制的减振效果。

如图2所示，通过控制下线圈绕组通电电流的大小并产生不同磁感应强度大小的磁场，使通过活塞通道内的磁流变液黏度发生改变，从而改变减振器阻尼。此外，通过减振器活塞13上方空间内设置的步进电机23带动下方的流量控制杆24和流量控制盘25旋转，改变流量控制盘磁流变液流通孔26和活塞下方的磁流变液流通孔的重合面积，从而改变磁流变液流过减振器活塞时的通过面积，进而改变减振器的阻尼，与改变下线圈绕组通电电流相结合，实现对减振器阻尼的多级调节。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于磁流变材料的多级变阻尼变刚度减振器，其特征是，包括：

减振器上盖(2)；

减振器套筒(4)，其中，所述减振器上盖(2)套设在所述减振器套筒(4)的上方；所述减振器套筒(4)内壁缠绕设置有上线圈绕组(5)；

减振器缸，其中，所述减振器套筒(4)套设在所述减振器缸的上部；

减振器刚度元件，所述减振器刚度元件设置在所述减振器套筒(4)内；

传力弹簧(9)，所述传力弹簧(9)设置在所述减振器套筒(4)内，且所述传力弹簧(9)上端与所述减振器刚度元件连接，所述传力弹簧(9)下端与所述减振器缸连接；

减振器活塞(13)，所述减振器活塞(13)设置在所述减振器缸内；所述减振器活塞(13)的上部空间设置有步进电机(23)，所述减振器活塞(13)内部设置有用于磁流变液流动的通道式结构(14)，在所述减振器活塞(13)中部缠绕设置有下线圈绕组(16)；所述减振器活塞(13)的下部设置有活塞磁流变液流通孔(27)，所述活塞磁流变液流通孔(27)与所述通道式结构(14)连通；

浮动活塞(18)，所述浮动活塞(18)设置所述减振器缸内，且位于减振器活塞(13)下方，所述浮动活塞(18)将所述减振器缸的内部分为上下两部分，其中，上半部分为充满磁流变液(15)的变阻尼工作腔，下半部分为气室(20)；

减振器活塞杆(3)，所述减振器活塞杆(3)设置在所述减振器套筒(4)中，并依次贯穿所述减振器刚度元件和所述传力弹簧(9)，并且，所述减振器活塞杆(3)的上端与所述减振器上盖(2)连接，所述减振器活塞杆(3)的下端插入所述减振器缸中并与所述减振器活塞(13)连接；和

减振器下盖(21)，所述减振器下盖(21)套设在所述减振器套筒(4)的下方。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变材料的多级变阻尼变刚度减振器，其特征是，所述减振器缸包括：

减振器缸筒(10)，其中，所述减振器套筒(4)套设在所述减振器缸筒(10)的上部；和

减振器缸盖(11)，所述减振器缸盖(11)盖设在所述减振器缸筒(10)的顶端。

3.根据权利要求1所述的基于磁流变材料的多级变阻尼变刚度减振器，其特征是，所述减振器刚度元件包括：

两个永磁体(6)；和

挤压式磁流变弹性体(7)，所述挤压式磁流变弹性体(7)设置在两个所述永磁体(6)之间。

4.根据权利要求3所述的基于磁流变材料的多级变阻尼变刚度减振器，其特征是，所述传力弹簧(9)上端和下端分别通过弹簧卡盘(8)与两个所述永磁体(6)连接。

5.根据权利要求1所述的基于磁流变材料的多级变阻尼变刚度减振器，其特征是，所述减振器活塞(13)包括：

流量控制杆(24)，所述流量控制杆(24)与所述步进电机(23)连接；和

流量控制盘(25)，所述流量控制盘(25)固定设置在所述流量控制杆(24)的底端，所述流量控制盘(25)上设置有所述控制盘磁流变液流通孔(26)；

其中，步进电机(23)带动所述流量控制杆(24)和所述流量控制盘(25)旋转，改变所述控制盘磁流变液流通孔(26)和所述活塞磁流变液流通孔(27)的重合面积，进而改变所述减振器的阻尼，与改变所述下线圈绕组(16)的通电电流相结合，实现对所述减振器的阻尼的多级调节。

6.根据权利要求1所述的基于磁流变材料的多级变阻尼变刚度减振器，其特征是，所述浮动活塞(18)上安装有浮动活塞密封圈(19)，从而将浮动活塞(18)上方的腔体中的磁流变液(15)与浮动活塞(18)下方的所述气室(20)隔绝。

7.根据权利要求2所述的基于磁流变材料的多级变阻尼变刚度减振器，其特征是，所述减振器活塞(13)上部和下部分别安装有两道减振器活塞密封圈(17)，从而与所述减振器缸筒(10)的内壁配合。

8.根据权利要求2所述的基于磁流变材料的多级变阻尼变刚度减振器，其特征是，所述减振器缸盖(11)中间设置有活塞杆密封圈(12)以保证所述减振器缸体(10)内的密封。

9.根据权利要求1所述的基于磁流变材料的多级变阻尼变刚度减振器，其特征是，所述减振器上盖(2)上设置有减振器上安装孔(1)，所述减振器下盖(21)上设置有减振器下安装孔(22)。