CN202048132U - 磁流变式智能减振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种磁流变式智能减振器，包括，一个单筒充气磁流变阻尼器，所述磁流变阻尼器有一个由单筒缸体(17)和浮动缸体(18)组成的缸筒组合(1)和在单筒缸体缸体内运动的中空活塞(3)，在所述中空活塞的中空腔体内设置有双级电磁线圈(2)，该双级电磁线圈的引出线通过与中空活塞相连的空心活塞杆(7)的通孔，连接外部可控电源和模糊半主动控制器，并将其产生的磁场穿过位于中空活塞上的环形阻尼通道，调节阻尼通道中的磁流变液的流动粘度，并通过浮动活塞(10)输出到补偿腔(11)产生可控性强的阻尼力。本实用新型解决了传统减振器漏油失效的困境。能够根据路况，自动调整阻尼，减少车身晃动和倾斜，满足舒适性和平稳性。

Description

磁流变式智能减振器

技术领域

本实用新型涉及一种汽车悬架系统中的筒式磁流变式智能减振器，更具体地说，本实用新型是以磁流变液作为阻尼介质的减振装置。 

背景技术

现有技术中的磁流变式减振器(MagneRideTM)是一种采用磁流变液作为工作介质的可控阻尼器，与传感器、控制器一起组成汽车半主动悬架系统。磁流变减振器技术是自适应悬架技术中的一项全新技术。目前，不同用途的直线运动的磁流变减振器都是基于下列三种工作模式进行设计的： 

1)流动模式——利用这种工作模式可以设计开发流体控制阀和减振器等器件。流动模式的两极板固定，由装置中存在的压力差产生液体流动。磁流变减振器在流动模式下的阻尼力为在两固定不动的极板之间充满磁流变液，外加磁场经过极板垂直作用十两极板之间的磁流变液，使磁流变液的流动性能发生变化，从而使推动磁流变液流动的活塞所受的阻力发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。磁流变减振器在流动模式下的阻尼力为： 

$F_1=\frac{12\mathrm{\η}{A}_{p}l}{{\mathrm{bh}}^3}{v}_0+\frac{2l}{\mathrm{\η}}{\mathrm{\τ}}_y---\left(1\right)$

式中：η为磁流变液体的零磁场粘度；l为极板长度；b为极板宽度；h为极板间距；τy为屈服应力；Ap为活塞有效作用面积；v0为活塞杆的运动速度。 

2)剪切模式——利用这种工作模式可以设计开发流体离合器、制动器、机床夹具和减振器等器件。在两相对运动的极板之间充满磁流变液，外加磁场经过极板垂直作用在两极板之间的磁流变液，使磁流变液的流动性能发生 变化，从而使推动极板运动的活塞所受阻力发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。在移动平板的影响下，磁流变减振器发生屈服流动，产生的剪切阻尼力为： 

$F_2=-\frac{2\mathrm{\ηbl}}{h}{v}_0-{2\mathrm{bl\τ}}_y---\left(2\right)$

式中：η为磁流变液体的零磁场粘度；l为极板长度；b为极板宽度；h为极板间距；τ_y为屈服应力；v₀为活塞杆的运动速度。 

3)挤压模式：两极板之间充满磁流变液，磁流变液受极板的挤压向四周流动，外加磁场经过极板作用使两极板之间的磁流变液，极板的运动方向平行于外加磁场方向，使磁流变液的流动性能发生变化，从而使推动极板运动的活塞所受阻力发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。利用这种工作模式可以设计开发行程较小的阻尼器件。 

由于平行于磁流变液方向的磁力线对磁流变液的磁流变效应贡献较小，垂直于磁流变液流动方向的磁力线分量对磁流变效应的贡献较大，因此在磁流变减振器设计中应使阻尼通道中的磁流变液流动方向垂直于磁场方向，以便充分利用磁流变效应来改变减振器的阻尼力。而采用剪切模式和流动模式的减振器，磁力线的方向必须垂直于活塞的运动方向。采用挤压模式的减振器，磁力线的方向必须平行于活塞的运动方向，加之道路车辆悬架用减振器的行程较大，且在结构尺寸和结构强度上有严格要求，因此磁流变减振器设计不能采用挤压模式，而通常采用剪切模式和流动模式共同作用，即混合工作模式。 

在混合工作模式下，磁流变减振器阻尼力理论上可视为在流动和剪切模式下的阻尼力的叠加，即阻尼力 

F＝F₁+F₂

磁流变式智能减振器大致可以分为机械结构、磁流变液、传感系统、控制系统(ECU)几个分系统。机械结构部分类似单筒充气式减振器的结构， 无论在哪个分系统领域，国内的技术水平都具备了研制能力。 

由于磁流变式减振器结构很简单，不以空气、液压主动悬挂那样采用机电控制阀和众多的小运动部件，因此其可靠性是超过以阀门为基础的产品。正是由于这些特点，磁流变减振器首先在豪华轿车和高性能跑车上得到了应用。因而磁流变式减震器具有结构简单、响应迅速、能耗低、动态范围大、控制相对简单等优点。但由于磁流变减震器活塞头上要缠绕线圈，活塞头的封装是一个需要解决的问题；由于用磁流变液替代了传统的减振油，需要解决阻尼器的密封问题；由于其应用范围小，涉及到复杂的电气化设备，而磁流变液价格也较高，所以其制造成本较高；由于磁流变颗粒的密度大于载体的密度，颗粒会在磁流变液中产生沉淀，严重影响磁流变液的磁流效应，同时我国目前对磁流变液没有统一的国家标准，这将影响磁流变式减振器的应用；另外磁流变减振器的汽车悬架系统具有明显的滞后非线性，系统中的非线性阻尼和非线性刚度等对其动力学行为产生了很大的影响。 

发明内容

本实用新型的任务是提供一种利用磁流变液的特殊性能，通过控制外加磁场强度变化来使减振器阻尼力可控的智能减振器。 

本实用新型的上述目的可以通过以下措施来达到，一种磁流变式智能减振器，包括，一个单筒充气磁流变阻尼器，其特征在于，所述磁流变阻尼器有一个由单筒缸体17和浮动缸体18组成的缸筒组合1和在单筒缸体17缸体内运动的中空活塞3，在所述中空活塞3的中空腔体内设置有双级电磁线圈2，该双级电磁线圈的引出线通过与中空活塞3相连的空心活塞杆7的通孔，连接外部可控电源和连续实时调节阻尼器阻尼力的模糊半主动控制器，并将其产生的磁场穿过位于中空活塞3上的环形阻尼通道，调节阻尼通道中的磁流变液的流动粘度，并通过浮动活塞10输出到补偿腔11产生可控性强的阻尼力。 

本实用新型相比于现有技术具有如下有益效果。 

本实用新型通过利用多种传感器信息来检测路面状况、各种行驶工况和减振器工作状况，并通过状态估计的算法，提前预测路面信息，以实现自适应调节。本实用新型采用的相对于单极线圈结构形式的双级电磁线圈，相对于单极结构形式，由于双级减振器缸壁一部分磁路的抵消，缸壁磁感应强度比单极的小，不会出现饱和现象，并且提高了磁流变液间的磁感应强度。这为减振器快速响应和可控最大阻尼力提供保障。当液体被注入减振器活塞内的电磁线圈后，线圈的磁场将改变其流变特性(或产生流体阻力)，从而在没有机电控制阀且机械装置简单的情形下产生反应迅速、可控性强的阻尼力。 

本实用新型用电磁场瞬时消能减震代替油摩擦滞时消能减震，反应更快，能快速反应路况，并根据采集的信息快速调整阻尼力，减小振动幅度和振动频率，本质上解决了传统减振器漏油失效的困境。能够根据路况，自动调整阻尼，减少车身晃动和倾斜，满足舒适性和平稳性。减震效果好，延长了变速箱，车轮，转向器，轮胎等部件及整车的使用寿命。紧急制动时，瞬时产生的震动能量可通过电磁场的能量转化迅速消耗掉，控制轮胎紧贴路面，明显提高制动效率，急刹时稳定性好，驾乘更安全。 

结构更简单可靠，由于没有传统减振器的阀系结构，使其结构更简单，从而可靠性有所提高。 

缸体上腔内设置的填充气体的体积补偿腔，解决了减振器在压缩过程中产生“空行程”现象的问题。 

附图说明

图1是本实用新型单筒充气磁流变阻尼器的剖视构造示意图。 

图2是本实用新型双级电磁线圈的构造示意图。 

图中：1缸筒组合，2电磁线圈，3中空活塞，4前导向，5后导向，6油封，7空心活塞杆，8导线，9磁流变液，10浮动活塞，11氮气，12密封 座，13隔磁体，14下腔，15上腔，16密封层，17单筒缸体，18浮动缸体。 

在图1描述磁流变式智能减振器的最佳实施例中，所述的磁流变阻尼器有一个在缸体内运动的空心活塞3和空心活塞杆7。该单筒充气磁流变阻尼器，基本组成构件包括，缸筒组合1、在缸体内运动的空心活塞3和空心活塞杆7，内含电磁线圈的中空活塞3、由前导向4，后导向5组成的导向零件、补偿腔11、油封6等元件。所述磁流变阻尼器有一个由单筒缸体17和浮动缸体18组成的缸筒组合1。所述浮动缸体18并联连通单筒缸体17。在中空活塞头两端设置有减少磁漏的隔磁零件。隔磁零件由位于中空活塞头两端的前导向4和隔磁体13组成。浮动缸体18尾端上的密封座12和油封6将浮动活塞10密封在浮动缸体18内，其上有供氮气充入的气门芯组合。为防止减振器在压缩过程中产处空行程，在上腔15内设填充有氮气的体积补偿腔11。中空活塞3将工作油缸分为前、后两腔。在所述中空活塞3的中空腔体内设置有双级电磁线圈2，所述电磁线圈2分别绕制在中空活塞3的两个相隔离的平行环槽内，并进行有效的密封。该双级电磁线圈的引出线8通过空心活塞杆7通孔，连接外部可控电源和阻尼器的模糊半主动控制器。双级电磁线圈2将其产生的磁场穿过位于中空活塞3上的环形阻尼通道。调节从上腔15经上述阻尼通道流入下腔14的磁流变液的流动粘度，使减振阻尼器输出的阻尼发生变化，并通过上腔15内的浮动活塞10输出到补偿腔11，经体积补偿腔11隔离的填充气体进行补偿，使减振阻尼器输出的阻尼发生变化，产生可控性强的阻尼力，从而达到调节阻尼力的作用。 

为保证阻尼通道三段间隙内磁感应强度分布均匀，阻尼通道可以是上下两端有效长度相等的结构形式，且上、中、下间的间隙长度比例为7∶16∶7。单筒缸体17内的磁流变液体9是一种由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁体液体混合而成的磁性软粒悬浮液，这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的特性，而在强磁场作用下，呈现出高粘度、低流动性的液 体特性。磁流变液的这种流变可控性使其能够实现阻尼力的连续可变，达到对振动的主动控制。当磁流变液被注入减振器活塞周围后，线圈的磁场将改变其流变特性及流体阻力。 

减振器的正常工作由连续而交变的复原和压缩两个行程完成。在复原行程末期，中空活塞3处于减振器工作腔顶部，此时，从上腔15流入下腔14的工作液不足以充满减振器下腔14，则在压缩行程初期，中空活塞3便会“空行”一段距离，表现为示功图上的空程。由于该减振器为单缸结构，没有办法像双缸结构那样采用补偿阀来解决“空行程”问题，因此在浮动缸体18内充入一定压力的氮气，调节上腔15、下腔14的体积和压力差来减小压缩行程初期的空行程畸变。 

参阅图2。双级电磁线圈2的磁芯磁感应强度的分布是通过缸体中的线圈不同位置和不同的匝数及通电情况实现的。设置在中空活塞3，中空腔体中的磁芯，其上制有双级环槽，双级电磁线圈2绕制在双级环槽中，并由密封材料进行有效密封。双级电磁线圈2在缸壁产生的磁路，其磁力线和流体的工作间隙相垂直，且在流体间隙处，达到最高的集中磁场强度。为了能使磁流变减振器达到设计要求的最大1984N阻尼力。则要满足磁流变液最大的剪切屈服应力τ_y＝44.5kp_a。根据磁流变液J01的τ_y-B特性曲线(即剪切屈服应力磁感应强度曲线)，当τ_y＝44.5kp_a时，此时对应的磁感应强度B＝0.32T。为了满足当电流为2A时，间隙处最大的磁感应强度能达到B＝0.32T。在活塞头长度一定的情况下。通过调整活塞头与缸壁的间隙C的距离的大小，或增减线圈的匝数。通过Ansys软件进行磁路建模仿真，最后进行台架试验验证，重复这个过程，最后达到设计要求。 

Claims (4)

1.一种磁流变式智能减振器，包括，一个单筒充气磁流变阻尼器，其特征在于，所述磁流变阻尼器有一个由单筒缸体(17)和浮动缸体(18)组成的缸筒组合(1)和在单筒缸体(17)缸体内运动的中空活塞(3)，在所述中空活塞(3)的中空腔体内设置有双级电磁线圈(2)，该双级电磁线圈的引出线通过与中空活塞(3)相连的空心活塞杆(7)的通孔，连接外部可控电源和连续实时调节阻尼器阻尼力的模糊半主动控制器，并将其产生的磁场穿过位于中空活塞(3)上的环形阻尼通道，调节阻尼通道中的磁流变液的流动粘度，并通过浮动活塞(10)输出到补偿腔(11)产生可控性强的阻尼力。

2.如权利要求1所述的磁流变式智能减振器，其特征在于，所述浮动缸体(18)并联连通单筒缸体(17)。

3.如权利要求1所述的磁流变式智能减振器，其特征在于，浮动缸体(18)尾端上的密封座(12)和油封(6)将浮动活塞(10)密封在浮动缸体(18)内，其上有供氮气充入的气门芯组合。

4.如权利要求1所述的磁流变式智能减振器，其特征在于，所述阻尼通道是上下两端有效长度相等的结构形式，且上、中、下间的间隙长度比例为7∶16∶7。 

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