CN1912419A - 充气式阻尼连续可调电流变减振器 - Google Patents

Abstract

一种筒式电流变减振器，具有阻尼连续可调功能，用于车辆悬架系统的半主动控制。该减振器主要包括减振器活塞、浮动活塞、缸筒、柱状电流变弹簧、环状电流变弹簧、减振器压缩阀和拉伸阀、密封圈、卡环等。柱状电流变弹簧或环状电流变弹簧与减振器压缩阀和拉伸阀一起嵌入减振器活塞中，减振器活塞上开有供液压油往复流动的油道，浮动活塞把减振器缸筒分为储油室和储气室上、下两部分。活塞杆为空心结构，有导线通过其中与减振器活塞中的电流变弹簧相连。电流变弹簧中充满表观粘度可受外加电场强度控制的工作介质—电流变液体。

Description

充气式阻尼连续可调电流变减振器

技术领域

本发明专利为一种新型充气式阻尼连续可调电流变减振器。可用于各种轮式车辆及履带车辆的悬架半主动控制中。

背景技术

车辆的悬架装置是连接车身和车轮之间全部零件和部件的总称，主要由弹簧(如板簧、螺旋弹簧、扭杆等)、减振器和导向机构三部分组成。当车辆行驶在不同路面上而使车轮受到随机激励时，由于悬架装置实现了车体和车轮之间的弹性支承，有效地抑制、降低了车体与车轮的动载和振动，从而保证车辆行驶的平顺性和操纵稳定性，达到提高平均行驶速度的目的。车辆行驶的平顺性和操纵稳定性是衡量悬架性能好坏的主要指标，但这两个方面是相互排斥的性能要求。例如，若降低弹簧的刚度，则车体加速度减小使平顺性变好，但同时会导致车体位移的增加，由此产生车体重心的变动将引起轮胎负荷变化的增加，对操纵稳定性产生不良影响；另一方面，增加弹簧刚度会提高操纵稳定性，但硬的弹簧将导致汽车对路面不平度很敏感，使平顺性降低。因此，理想的悬架应在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼，既能满足平顺性要求又能满足操纵稳定性要求。被动悬架因具有固定的悬架刚度和阻尼系数，在结构设计上只能在满足平顺性和操纵稳定性之间矛盾的折衷，无法达到悬架控制的理想目标。为了使被动悬架能够对不同的道路条件具有一定的适应性，通常将悬架的刚度和减振器的阻尼设计成具有一定程度的非线性，如采用变节距螺旋弹簧和三级阻力控制的液压减振器等。

由于被动悬架设计的出发点是在满足平顺性和操纵稳定性之间进行折衷，所以，对于不同的使用要求，只能是在满足主要性能要求的基础上牺牲次要性能，无法适应广泛的性能需求和道路条件。尽管被动悬架在设计上以不断改进被动元件而实现了低成本、高可靠性的目标，但始终无法彻底解决同时满足平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求。为此，自上世纪60年代起产生了主动悬架的概念，并且随着现代控制理论和电子技术的发展及其在车辆上的广泛应用，为从根本上解决平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求展示出了新的途径。

主动悬架同时改善了车辆的平顺性和操纵稳定性，为悬架的理论和实践研究带来了重大变革。但是，尽管其优点显而易见，而且在发达工业国家中已经出现了装有主动悬架的样车，但将主动悬架推上车辆生产线仍然是一个审慎而缓慢的过程。首先，因为主动悬架的控制系统需要复杂的传感器和电子控制设备，执行机构不仅要选用高精度的液压伺服装置，而且要较大的外部动力来驱动，导致成本高、结构复杂、可靠性低，只有主动悬架所需的硬件，特别是执行机构变得更为经济可靠时，才有可能使之进入决定性的市场发展阶段；其次，主动悬架研究的基本经验和教训是“现行的主动悬架”摆脱了众所周知的“平顺性和操纵稳定性”之间的矛盾，但却引起了新的“性能与执行机构功率”之间的矛盾，即主动悬架驱动执行机构所需的功率相当可观，为此，自上世纪70年代开始就产生了介于主动悬架与被动悬架之间的折衷方案，即半主动悬架。

半主动悬架通常是指悬架元件中弹簧刚度和减振器阻尼系数之一可以根据需要进行调节控制的悬架。为了减少执行机构所需的功率，半主动悬架研究主要集中在调节减振器的阻尼系数方面，阻尼可以根据需要进行调节的减振器也称为可调阻尼减振器或主动减振器。完成这一工作仅需要对减振器阻尼力大小进行控制就能够达到半波近似主动悬架的控制规律，同时消耗的功率也比较小。按对减振器阻尼力大小调节过程分类，可调阻尼减振器可分为有级可调减振器和无级可调减振器。有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀使通流面积在最大、中等或最小之间进行有级调节，通过减振器顶部的电机控制旋转阀的旋转位置使减振器的阻尼力在软/中/硬三档之间变化，有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单，但在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性。无级可调减振器的阻尼调节常采用以下两种方法：(1)节流孔径调节：通过步进电机驱动减振器的阀杆连续调节减振器的通流面积，来改变阻尼节流阀或其它形式的驱动阀来实现。这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高；(2)减振器液体粘度调节：使用粘性连续可控的新型的功能材料电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无级变化，电(磁)流变液体在外加电(磁)场作用下，其流变材料性能(如剪切强度，表观粘度等会发生显著的变化，将这种电(磁)流变液体装入减振器并在内外筒之间(减振器活塞)加上电(磁)场通过改变电(磁)场强度使电(磁)流变液体的粘度改变，从而改变减振器的阻尼力。由于电(磁)流变减振器的阻尼可随电(磁)场强度的改变而连续变化，这无疑是一个较好的选择。

电(磁)流变液体减振器一个致命的问题是在高剪切速率下其表观粘度下降非常快，甚至会低于零场下的粘度值，这是由其在电(磁)场作用下成为一种非牛顿流体的本身特性所决定的。表现出来的减振效果就是在大振幅或高频率振动条件下阻尼力与零场时相同，甚至还不如零场时的减振效果好。

电流变液体的另一个显著特征是其在外加电场作用下的抗挤压应力相对抗剪切应力有较大的变化效果，因此近年来对电流变液体的抗挤压应力的研究日益受到研究人员的重视，也取得了一些令人满意的研究结果。结合可调阻尼减振器的第一种调节方法，可以利用电流变液体在受到挤压时的变形程度的不同，对减振器活塞上的节流孔进行调节。具体的调节过程就是通过控制电流变弹簧的刚度来控制减振器压缩阀和拉伸阀的行程，从而实现对节流孔开度的调节。

发明内容

充气式阻尼可调电流变减振器，主要包括减振器上端盖、活塞杆、缸筒、活塞、电流变弹簧、与气室隔开的浮动式活塞、减振器底盖等。本发明用电流变弹簧代替普通液压减振器活塞上的弹性阀片，利用电流变弹簧的刚度可控性使减振器压缩阀与拉伸阀在减振器液体压力的作用下有不同的位移来控制减振器活塞上节流孔的开度，从而实现对减振器阻尼力大小的连续调节。利用电流变弹簧刚度控制方法控制减振器阻尼力大小有较强的适应性，只需对普通液压减振器活塞进行改进即可实现，在电流变弹簧失效的情况下能够保持普通减振器的减振效果，更换电流变弹簧或活塞总成即可完成减振器的修理或改进工作。

附图说明

图1为充气式阻尼可调电流变减振器结构示意图；图中主要结构为活塞杆1、密封圈2、缸筒3、活塞总成4、浮动活塞5、气室6、减振器上端盖7、减振器上腔8、锁止螺栓9、减振器下腔10、密封圈11、减振器下端盖12。

图2为减振器活塞结构示意图；图中主要结构为活塞体403、压缩油道404、拉伸油道405。

图3为减振器活塞的上、下盖板示意图，图中主要结构为拉伸阀阀芯及弹簧孔406、压缩阀阀芯及弹簧孔407、活塞杆连接孔408、压缩阀和拉伸阀油道409。

图4为柱状电流变弹簧结构示意图；

图5为环状电流变弹簧结构示意图；

具体实施方式

一种充气式阻尼可调电流变减振器，主要包括活塞杆(1)、减振器密封圈(2)、减振器缸筒(3)、减振器活塞总成(4)、浮动活塞环(5)、封闭气室(6)、减振器顶盖(7)、减振器上腔(8)、锁止螺母(9)、减振器下腔(10)、浮动活塞(11)、减振器下端盖(12)组成。减振器活塞总成(4)由柱状电流变弹簧(401)或环状电流变弹簧(402)、压缩阀、拉伸阀及相关油道组成。与电流变弹簧(401)或(402)相连接的导线通过空心结构的活塞杆(1)与减振器外部高压电源相接，活塞杆(1)与活塞总成(4)通过锁止螺母(9)固定在一起。浮动活塞(11)位于减振器下部，与减振器下端缸筒形成一密闭气室(6)，充有一定压力的惰性气体。当车辆受到外部振动激励时，减振器活塞(4)在油液中作往复运动，使减振器上腔(8)和下腔(10)之间产生压力差，压力油便推开压缩阀或拉伸阀而在相应的油道间来回流动，由于阀及油道的阻尼作用，使车辆受到的振动得以衰减。由于减振器活塞杆(1)的进出而引起的缸筒容积的变化，则由浮动活塞(11)的上、下运动来补偿。当没有外加电场作用时，活塞总成(4)中的压缩阀和拉伸阀随活塞运动的大小而有不同的位移使相应的油道有不同的开度。在给电流变弹簧(401)或(402)施加一个外加电场后，由于电流变液体的抗挤压应力的变化，在受到外力时其相应的变化也会发生改变，与之相连的压缩阀和拉伸阀位移也会有相应的改变，即阀的开度发生改变，由阀及油道产生的阻尼改变，实现了减振器阻尼力的改变，由于外加电场强度可以无级连续变化，活塞上阀的开度也相应会有连续无级变化，对应的减振器所产生的阻尼力大小也是连续无级变化的。压缩油道与拉伸油道数目及孔径的不同，可使减振器产生不同的压缩阻尼力与拉伸阻尼力。压缩阀和拉伸阀及相应的电流变弹簧在活塞总成(4)中的定位靠减振器活塞的上、下盖板完成，上、下盖板由卡环完成在活塞总成(4)上的定位，定位时应注意其上面的通油孔与活塞上的油道对齐。

该活塞总成同样适用于双向作用筒式减振器和摇臂式减振器。

柱状电流变弹簧(401)由上极板(401a)、下极板(401b)、金属弹簧(401c)和耐油橡胶(401d)组成一封闭结构，中间装有电流变液体。上极板(401a)由绝缘材料作为支撑结构，中间嵌有金属板与上极板(401a)形成一平行电场。耐油橡胶(401d)通过卡环与上极板(401a)和下极板(401b)紧密联接形成一鼓形结构，上、下极板内侧边缘开有对金属弹簧定位的环形槽，上极板由绝缘材料做成，中间嵌有导电性能良好的金属材料，电流变液体由上极板中心螺纹孔注入，完毕后由螺堵密封并作为电流变弹簧的正极由导线通过空心活塞杆外接高压电源。金属弹簧(401c)的作用是防止减振器长时间振动温度升高后橡胶的弹性下降，影响电流变弹簧(401)的工作性能。若在能保证电流变弹簧在常温下工作的条件下，金属弹簧(401c)也可以去掉。

环状电流变弹簧(402)由上圆环极板(402a)、下圆环极板(402b)、金属弹簧(402c)、耐油橡胶(402d)，其圆环截面与柱状电流变弹簧(401)相同，至少采用三根性能相同的金属弹簧安装在上、下极板间。之所以考虑环状电流变弹簧，是出于对减振器活塞(4)尺寸及安装条件方面的考虑。当减振器活塞(4)尺寸较大时，可以采用环状电流变弹簧(402)。

减振器下端盖(12)与缸筒(3)焊接在一起，装入带有密封圈(11)的浮动活塞(5)，再装入与活塞杆(1)通过螺母(9)联接好的活塞总成(4)，注入适量普通减振器用液压油。将装有密封圈(2)的减振器上端盖(7)通过活塞杆(1)后与缸筒(3)通过螺纹联接或过盈联接再焊接在一起。使用螺纹联接方式时应在螺纹处涂密封胶或采取一定的密封手段处理。使用前应首选给减振器充入适当压力的惰性气体，惰性气体充入孔未在图1中标出，应根据使用情况在减振器下端合适部位开设。

装配好的充气式阻尼可调电流变减振器的外壳作为接地极与车架相连，其正极是穿过活塞杆空心部分的导线，与高压电源正相接。

Claims (5)

1.一种充气式阻尼连续可调电流变减振器，其特征在于：包括活塞杆(1)、密封圈(2)、减振器缸筒(3)、活塞总成(4)、浮动活塞(5)、气室(6)、减振器上端盖(7)、减振器上腔(8)、锁止螺母(9)、减振器下腔(10)、浮动活塞密封圈(11)、减振器下端盖(12)等。减振器活塞(4)中嵌有柱状电流变弹簧(401)或环状电流变弹簧(402)和减振器压缩阀(403)、拉伸阀(404)。减振器活塞(4)与空心结构的活塞杆(1)靠螺栓联接，导线通过空心活塞杆与电流变弹簧相联接。浮动活塞(11)把减振器分为储油室和储气室上、下两部分。通过减振器活塞阻尼孔往复流动的工作介质为普通减振器用液压油，电流变液体被封装在柱状或环状电流变弹簧中。柱状电流变弹簧由上极板(401a)、下极板(401b)、金属弹簧(401c)和耐油橡胶(401d)组成一封闭结构，中间装有电流变液体。上极板(401a)由绝缘材料作为支撑结构，中间嵌有金属板与上极板(401a)形成一平行电场。环状电流变弹簧由上圆环极板(402a)、下圆环极板(402b)、金属弹簧(402c)、耐油橡胶(402d)。针对不同的减振器活塞结构，电流变弹簧的其中一个极板可与活塞阀芯做成一体或能够有效接触的两部分。

2.如权利要求1所述的充气式阻尼连续可调电流变减振器，其特征在于：所述减振器活塞(3)上至少有一个柱状电流变弹簧(401)或环状电流变弹簧(402)。

3.如权利要求1所述的充气式阻尼连续可调电流变减振器，其特征在于：柱状电流变弹簧(5)由上、下两极板(401a)(401b)、金属弹簧(401c)、耐油橡胶(401d)组成一封闭结构，中间装有电流变液体。上、下两极板(401a)(401b)至少有一个为绝缘材料制成，中间嵌有金属导电材料。

4.如权利要求1所述的充气式阻尼连续可调电流变减振器，其特征在于：环状电流变弹簧(402)由上、下两圆环极板(402a)(402b)、至少三根金属弹簧(402c)、耐油橡胶(402d)组成一封闭结构，中间装有电流变液体。上、下两极板(402a)(402b)至少有一个为绝缘材料制成，中间嵌有金属导电材料。

5.如权利要求1所述的充气式阻尼连续可调电流变减振器，其特征在于：通过外加电场对电流变弹簧刚度控制，控制减振器活塞压缩阀和拉伸阀的开度，从而达到控制减振器阻尼力大小的目的。减振器油为普通液压减振器用油，减振器压缩力与拉伸力在零电场情况下的大小由在活塞上开设的各自油道的数量不同来设定。

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