CN110242696B - 一种多级可控变阻尼减振器的变阻尼控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级可控变阻尼减振器的变阻尼控制方法，根据加速度传感器检测出振动信号的大小，通过对减振器内部的磁流变液的阻尼系数、压力以及流通量的共同调节，来实现多级变阻尼的效果，控制方法如下：(1)控制通过工作活塞两侧线圈绕组的电流大小并产生不同磁感应强度大小的磁场，使得磁流变液的阻尼系数发生改变；(2)控制工作活塞内部的预紧力控制转子位置，使得预紧力控制转子内部的两条通道分别与具有不同预紧力单向阀弹簧的伸张阀和压缩阀连接；(3)控制工作活塞下端的流量控制盘的位置，使得预紧力控制转子内部的两条通道分别于不同孔径的流通孔连接，实现对减振器阻尼的控制。

Description

一种多级可控变阻尼减振器的变阻尼控制方法

技术领域

本发明属于阻尼器及智能材料领域，尤其涉及一种旋转式阻尼力多级可调的磁流变液减振器。

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、建筑、精密仪器等领域中，主要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减振器组成，其性能参数刚度和阻尼系数一旦确定无法改变，因此减振性能只在某一承载质量与某一激励频率下效果最佳；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；半主动控制减振器其刚度或阻尼系数可调节，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。

磁流变液是一种场致流变的智能材料，在磁场力的作用下能够快速、可逆地由流动性能良好的牛顿流体转变为高粘度、低流动性的Bingham弹塑性体。磁流变液能够随着外部磁场的变化快速的改变自身状态，从而使整个悬浮液体的屈服应力和表现粘度发生2-3个数量级的变化。由于具有上述优点，磁流变液减振器作为半主动减振器具有很好的应用前景。

虽然磁流变液减振器因其具有结构简单、能耗低、输出阻尼力可调以及响应迅速等优点，从而广泛的应用于汽车悬架、建筑、桥梁减振等领域，但目前仍有一些问题需要解决：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。为了获得更大的输出阻尼力，传统方案大多是通过增加阻尼间隙的长度的方法，但是这种方法会使磁流变减振器的体积变得更加庞大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种旋转式阻尼力多级可调的磁流变液减振器的变阻尼控制方案，使减振器具有可调阻尼力范围大、调节级数高、低频阻尼性能好等优点，不仅能够提高车辆在低速行驶时的平顺性，同时也能提高操纵稳定性，本发明分别通过控制工作活塞内部的弹簧预紧力控制转子、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单向阀弹簧的预紧力、活塞内磁流变液的流通量以及磁流变液阻尼系数的调整，并通过三者共同作用来实现阻尼力的多级调节。本发明的技术方案如下：

一种多级可控变阻尼减振器的变阻尼控制方法，所采用的多级可控变阻尼减振器，包括工作缸21、位于工作缸21内的浮动活塞3，通过浮动活塞3将工作缸分割为充有高压气体的密闭气室2和容纳有作为工作液的磁流变液4的液体腔体；

在容纳有作为工作液的磁流变液4的腔体内设置有具有中空腔体的工作活塞5，工作活塞的侧壁开有环槽，环槽内缠绕有励磁线圈18，用于对工作缸内工作液的阻尼系数进行调整；在工作活塞5的中空腔体内设置有预紧力控制转子15，在工作活塞5的上部对称分布有多个伸张阀26和多个压缩阀27，各个伸张阀与压缩阀上装有不同预紧力的预紧弹簧，工作活塞的下端设置有流量控制盘19，在流量控制盘19上开设有不同孔径的流通孔，预紧力控制转子15的内部有两条通道，用于将不同预紧力的伸张阀和压缩阀与不同孔径的流通孔连接，压缩阀和伸张阀分别在减振器压缩和伸张的过程中开启，用于控制在压缩和伸张过程中工作液的压力；

在工作活塞上固定有活塞杆11，在活塞杆上设有控制室，控制室内装有步进电机22以及拨杆15，步进电机22通过控制杆对预紧力控制转子和流量控制盘进行控制。

根据加速度传感器检测出振动信号的大小，通过对减振器内部的磁流变液的阻尼系数、压力以及流通量的共同调节，来实现多级变阻尼的效果，控制方法如下：

(1)控制通过工作活塞两侧线圈绕组的电流大小并产生不同磁感应强度大小的磁场，使得磁流变液的阻尼系数发生改变；

(2)控制工作活塞内部的预紧力控制转子位置，使得预紧力控制转子内部的两条通道分别与具有不同预紧力单向阀弹簧的伸张阀和压缩阀连接，当工作缸内磁流变液的压力达到弹簧预紧力时，伸张阀或压缩阀开启，工作液流通，通过伸张阀与压缩阀的对磁流变液的节流作用，便形成减振器在伸张和压缩过程中阻尼力的变化；

(3)控制工作活塞下端的流量控制盘的位置，使得预紧力控制转子内部的两条通道分别于不同孔径的流通孔连接，在减振器伸张和压缩的过程中，通过控制流量控制盘中流通孔的大小，来实现对工作活塞内部磁流变液的流量控制，进而实现对减振器阻尼的控制。

优选地，控制杆底端、预紧力控制转子底端以及流量控制盘上端加工有齿圈，接合套17内外两侧分别加工有与控制杆底端齿圈相啮合的齿以及与预紧力控制转子底端齿圈和流量控制盘上端齿圈相啮合的齿，接合套内侧齿始终与控制杆底端齿圈相啮合，所有的齿圈及接合套齿的端部两侧都制有倒斜面，以便于接合套与不同齿圈的接合，利用拨杆15和接合套17实现实现控制杆与预紧力控制转子或流量控制盘的接合。

本发明的积极效果在于：

(一)阻尼力的调节范围更大，适用于更多领域。

(二)阻尼力输出控制更加精准，阻尼力输出分为多个级别，针对不同的工况可以实现更为理想的实现阻尼力选择，控制效果更好。

(三)在低速、低频的环境中，也能够具有大阻尼的性能，不仅能改善车辆的平顺性，也能够提高车辆的操纵稳定性。

附图说明

图1为本发明采用的减振器的结构示意图，图2为工作活塞的结构示意图，图3为工作活塞A-A向结构剖视图，图4为工作活塞B-B向结构剖视图，图5为接合套连接处的结构示意图，图6为控制室内结构示意图，图中：

1—下吊环2—密封气室3—浮动活塞4—磁流变液5—工作活塞6—预紧力控制转子7—伸张阀弹簧8—控制杆9、16—滑动轴承10—上吊环11—活塞杆12—控制室13—压紧螺母14—压缩阀弹簧、15—拨杆17—接合套18—励磁线圈18—流量控制盘20—O型密封圈21—工作缸22—步进电机23—预紧弹簧24—拨叉控制杆25—拨叉26—伸张阀27—压缩阀28—节流孔

具体实施方式

下面通过具体的实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。

本发明通过步进电机来对预紧力控制转子与流量控制盘分别进行调整，从而实现对缸内工作液的压力与流通量的控制，通过两者之间的搭配，以及对励磁线圈的电流的控制来实现对缸内工作液的阻尼系数进行调整，最终实现阻尼多级可控的目的。该减振器阻尼大，阻尼力调节范围广，可靠性高，适用于在多领域内工作，并且在低频时也具有大阻尼的性能，不仅能改善车辆的平顺性，也能提高车辆的操纵稳定性。

如图1所示，浮动活塞3位于工作缸21内，与缸体内壁形成密封滑动配合，浮动活塞的一端和工作缸的一端形成密闭气室2，密封气室内充有高压气体，能够有效地减少受到突然冲击时产生的高频振动，并有助于消除噪声。浮动活塞的另一端是工作液(磁流变液4)，浮动活塞上装有大断面的O型密封圈20，把油和气完全分隔开。工作活塞5位于气室上部的工作液中，两侧开有环槽，环槽内缠绕有励磁线圈18，用于对工作缸内工作液的阻尼系数进行调整。工作活塞内部有预紧力控制转子15和流量控制盘19，分别用于对工作缸内工作液的压力与工作液的流通量进行控制。活塞杆11与工作活塞通过压紧螺母13固定在一起。活塞杆上焊接有控制室，控制室内装有步进电机22以及拨杆调整器23、24、25，用于分别控制预紧力控制转子和流量控制盘转动。

如图2所示，沿工作活塞的轴向方向，将工作活塞分成上中下三部分，工作活塞上、下部分的剖视图如图3、4所示，工作活塞上部对称分布有数量相同的伸张阀26和压缩阀27，压缩阀和伸张阀分别在减振器压缩和伸张的过程中开启，用于控制在压缩和伸张过程中工作液的压力。伸张阀与压缩阀上装有不同预紧力的预紧弹簧7、14，当作用于阀上的油压作用力与弹簧力同向时，阀处于关闭状态，完全不流通，而当油压作用力与弹簧力反向时，只要压力大于预紧力，阀门便能开启。预紧力控制转子位于工作活塞的中部，是一个不规则的柱状结构，可以绕着轴线旋转，内部有两条通道，用于将不同预紧力的伸张阀和压缩阀与不同孔径的流通孔连接。活塞下部装有流量控制盘18，流量控制盘上对称分布有孔径不同的流通孔，用于对通过工作活塞内的磁流变液的流通量进行控制，从而起到改变阻尼的效果。根据减振需求，旋转预紧力控制转子，选择具有合适预紧力的压缩阀、伸张阀；预紧力选择完后，旋转流量控制盘，选择合适孔径的流通孔。当减振器处于压缩行程时，活塞下面的腔室容积减小，工作液压力升高，工作液经由压缩阀27流到活塞上面的腔室，此时整个活塞的右侧通道是导通的，左侧通道是关闭的；同理，当减振器处于伸张行程时，活塞上面的腔室容积减小，工作液压力升高，工作液经由伸张阀26流到活塞下面的腔室，此时整个活塞的左侧通道是导通的，右侧通道是关闭的。

步进电机22通过控制杆对预紧力控制转子和流量控制盘进行控制。如图5所示，控制杆底端8、预紧力控制转子底端6以及流量控制盘上端18加工有齿圈，接合套17内外两侧分别加工有与控制杆底端齿圈相啮合的齿以及与预紧力控制转子底端齿圈和流量控制盘上端齿圈相啮合的齿，接合套内侧齿始终与控制杆底端齿圈相啮合，所有的齿圈及接合套齿的端部两侧都制有倒斜面，以便于接合套与不同齿圈的接合。当拨杆15向上移动时，接合套在拨杆的推动下向上运动，接合套外侧齿与预紧力控制转子底端齿圈相啮合，在接合套的作用下实现控制杆与预紧力控制转子的接合，转动控制杆，便可实现对预紧力控制转子的调节。同理，当拨杆向下移动时，接合套向下移动，在接合套的作用下，控制杆与流量控制盘相连接，转动控制杆，便可实现对流量控制盘的调节。

如图6所示，控制室内装有步进电机22与拨杆调整装置23、24、25，步进电机通过控制杆8对工作活塞内的预紧力控制转子与流量控制盘进行控制，拨杆调整装置通过预紧弹簧23、拨叉控制杆24以及拨叉25的共同作用实现拨杆的上下移动，进而推动接合套上下移动。平常状态下，拨杆在预紧弹簧的作用下处于最下方的位置，当拨叉控制杆通电后，拨叉控制杆推动拨叉一端向下移动，拨叉另一端在杠杆作用下推动拨杆克服弹簧的预紧力向上移动。通过拨杆的上下移动，实现预紧力控制转子、流量控制盘分别与调整杆的连接。最终通过对缸内工作液的阻尼系数、工作压力、工作液的流量进行控制来实现大范围、多级数阻尼力的调整。

当减振器工作在某一个工况下时，外部传感器将检测到的加速度信号传给处理器，经过分析，按照所需要的减振需求产生相应的控制信号，并将控制信号分别传递到直流稳压电源和活塞杆上的控制室内；控制室会根据接收到的信号首先对工作液的压力进行调整，拨杆在拨杆调整装置的作用下向上移动，接合套将预紧力控制转子与控制杆连接在一起，步进电机根据接收到的信号旋转控制杆，将预紧力控制转子旋转到理想位置。当作用于阀上的油压作用力与弹簧力同向时，阀处于关闭状态，完全不流通，而当油压作用力与弹簧力反向时，只要压力大于预紧力，阀门便能开启，同时阀体内部做成倒梯形的结构，在一定程度上能够对流经工作活塞的工作液的流量进行控制。对工作缸内的工作液压力调整结束后，紧接着对工作腔内的工作液流量进行调整。接合套在拨杆的推动下向下移动，控制杆与流量控制盘连接在一起，步进电机根据接收到的信号，旋转调整杆来对流经工作活塞内的工作液流通量进行调整。在步进电机对预紧力控制转子与流量控制盘进行调整的同时，直流稳压电源会根据接收到的信号来控制励磁线圈的输入电流，从而对工作缸内工作液的阻尼系数进行调整。通过上述共同作用来实现减振器阻尼的多级调节。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多级可控变阻尼减振器的变阻尼控制方法，所采用的多级可控变阻尼减振器，包括工作缸、位于工作缸内的浮动活塞，通过浮动活塞将工作缸分割为充有高压气体的密闭气室和容纳有作为工作液的磁流变液的液体腔体；

在容纳有作为工作液的磁流变液的腔体内设置有具有中空腔体的工作活塞，工作活塞的侧壁开有环槽，环槽内缠绕有励磁线圈，用于对工作缸内工作液的阻尼系数进行调整；在工作活塞的中空腔体内设置有预紧力控制转子，在工作活塞的上部对称分布有多个伸张阀和多个压缩阀，各个伸张阀与压缩阀上装有不同预紧力的预紧弹簧，工作活塞的下端设置有流量控制盘，在流量控制盘上开设有不同孔径的流通孔，预紧力控制转子的内部有两条通道，用于将不同预紧力的伸张阀和压缩阀与不同孔径的流通孔连接，压缩阀和伸张阀分别在减振器压缩和伸张的过程中开启，用于控制在压缩和伸张过程中工作液的压力；

在工作活塞上固定有活塞杆，在活塞杆上设有控制室，控制室内装有步进电机以及拨杆，步进电机通过控制杆对预紧力控制转子和流量控制盘进行控制；

根据加速度传感器检测出振动信号的大小，通过对减振器内部的磁流变液的阻尼系数、压力以及流通量的共同调节，来实现多级变阻尼的效果，控制方法如下：

(1)控制通过工作活塞两侧线圈绕组的电流大小并产生不同磁感应强度大小的磁场，使得磁流变液的阻尼系数发生改变；

(2)控制工作活塞内部的预紧力控制转子位置，使得预紧力控制转子内部的两条通道分别与具有不同预紧力单向阀弹簧的伸张阀和压缩阀连接，当工作缸内磁流变液的压力达到弹簧预紧力时，伸张阀或压缩阀开启，工作液流通，通过伸张阀与压缩阀的对磁流变液的节流作用，便形成减振器在伸张和压缩过程中阻尼力的变化；

(3)控制工作活塞下端的流量控制盘的位置，使得预紧力控制转子内部的两条通道分别于不同孔径的流通孔连接，在减振器伸张和压缩的过程中，通过控制流量控制盘中流通孔的大小，来实现对工作活塞内部磁流变液的流量控制，进而实现对减振器阻尼的控制。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，控制杆底端、预紧力控制转子底端以及流量控制盘上端加工有齿圈，接合套内外两侧分别加工有与控制杆底端齿圈相啮合的齿以及与预紧力控制转子底端齿圈和流量控制盘上端齿圈相啮合的齿，接合套内侧齿始终与控制杆底端齿圈相啮合，所有的齿圈及接合套齿的端部两侧都制有倒斜面，以便于接合套与不同齿圈的接合，利用拨杆和接合套实现控制杆与预紧力控制转子或流量控制盘的接合。

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