CN100371623C - 一种汽车悬架***磁流变液阻尼装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车悬架***磁流变液阻尼装置。该阻尼装置的磁场发生器由永磁体和电磁线圈组成，在磁场发生器的上部设计有导向器和阻尼调节器，其作用分别是确保阻尼通道为一均匀的环形通道和满足阻尼器复原过程阻尼大与压缩过程阻尼小的要求。电磁线圈中的电流按双向设计，实现对阻尼通道中磁场强度的控制，减小电磁线圈中的励磁电流，降低能源消耗，减小阻尼器的发热。本阻尼装置在未加控制的条件下，是一种与传统减振器特性相当的阻尼器，完全可以代替被动减振器使用，配上相应的电流控制器，可以实时调节悬架***的阻尼特性，以提高汽车行驶安全性和平顺性。

Description

一种汽车悬架***磁流变液阻尼装置

技术领域

本发明属于汽车悬架新技术领域，具体涉及一种汽车悬架***用磁流变液阻尼装置。

背景技术

汽车悬架的主要作用是提高汽车的安全性(操纵稳定性)和平顺性(乘坐舒适性)、减少动载荷引起的零部件和货物损坏。目前，汽车上普遍采用由弹性元件和阻尼元件组成的传统悬架***，这种悬架***是针对特定的路面状况和汽车运行状况设计的，其实质是借助弹性和阻尼元件消耗和缓和车辆行驶时由路面产生的振动，而***静动态特性固定不变。只能保证在设计条件下的减振效果，即使采用优化设计方法，改善机械结构，其减振性能也是有限的。随着高速公路网的发展，汽车的速度有很大程度的提高，这对现代汽车的悬架***提出了更高的要求，而传统的被动悬架***难以解决安全性和舒适性之间的矛盾。磁流变阻尼装置是一种阻尼可控的特殊阻尼元件，可能根据道路与汽车行驶状况改变阻尼特性，实现安全性和舒适性平衡。在外加磁场下作用下，磁流变液的粘度能在瞬间(毫秒级)呈现出数量级的变化，从自由流动的液体转变为半固体甚至固体，呈现可控的屈服强度，这种变化是可逆的，当外加磁场消失后，磁流变材料的所有物理特性又自然恢复原状，粘度表观出现类似“液-固-液”的可逆相变过程。利用这个可控的流动特性，磁流变液能以不同形式，构成控制器与执行器之间良好的耦合介质，成为各种不同结构磁流变智能阻尼元器件，利用可控的磁流变阻尼器，先进的传感***和DSP的智能控制器，结合汽车悬架***的机械结构，对汽车悬架的阻尼进行自动调节，从而实现智能化的半主动悬架。这对中国的汽车工业来说，是注入新活力的有效途径之一，对提高汽车产品的技术含量和市场竞争力都具有十分重要的意义。

与电流变液材料相比，磁流变液材料表现出下列优点：磁流变液器件的工作电压较低(一般为0～20伏特)，而电流变液器件则要求强电场(一般为0～4000KV/mm)；在磁场作用下，磁流变液的磁流变效应产生的剪切屈服强度比电流变液在相同功耗条件下产生的剪切屈服强度大一个数量级；磁流变液对使用环境的要求比较宽松，对使用过程中产生杂质的不敏感。虽然磁流变液器件广泛应用于土建工程结构、机械***、汽车、轨道交通运输、飞行器、武器***、家用电器等众多重要领域，但由于汽车悬架***的特殊性，要求功耗低、压缩与复原阻尼力不同、器件体积受限制于悬架空间、活塞杆最大行程必须满足悬架动挠度要求，因此，一般结构的磁流变阻尼器不能满足要求，更不能在悬架***中使用。

现有公开的磁流变阻尼装置结构各有不同，如美国专利US6311810“MAGNETORHEOLOGICAL FLUID DAMPER”(磁流变液阻尼器)、美国专利US6260675“MAGNETORHEOLOGICAL FLUID DAMPER”(磁流变液阻尼器)、美国专利US6497309“MAGNETORHEOLOGICAL DAMPER WITH AN EXTERNAL COIL”(具有外置线圈的磁流变阻尼器)。它们所使用的磁场发生器均为励磁线圈，并且为单向施加电流，在要求中等阻尼力的情况下，需要中等的电流强度，而汽车悬架在中等阻尼条件下工作的时间较多，所以功耗较大；另外，美国专利US5277281“MAGNETORHEOLOGICAL FLUID DAMPERS”(磁流变液阻尼器)采用了浮动活塞补偿器，这种补偿器在活塞杆压缩过程中，由于补偿空间体积减小，阻尼器的阻尼力随压缩行程的增加而增加。另外，在压缩过程中，活塞作用面积大，而复原过程中，活塞作用面积小，导致压缩阻尼力大而复原阻尼力小，这与汽车悬架***要求的阻尼力相反。后者采用双伸出杆结构，只对磁流变液的温度进行补偿。这些结构的阻尼器要在汽车悬架***中应用，还有改进的必要。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，目的在于提供一种汽车悬架***用磁流变液阻尼控制装置，本装置将磁流变液作为阻尼控制装置的可控阻尼介质，在可控磁场发生器的共同作用下，磁流变液在环形阻尼通道中流动时，其流动特性(表观粘度和剪切屈服应力)迅速发生变化，改变阻尼器上下腔之间的压力差，进而实现对本装置的阻尼特性进行实时控制；该阻尼装置的磁场发生器的电磁线圈未通励磁电流时，阻尼通道中的磁流变液被永磁体磁化，处于中等磁化状态，阻尼器的阻尼满足汽车被动悬架所要求的阻尼值，相当于被动阻尼器；电磁线圈中的电流按双向设计，电磁线圈产生的磁场分别增加或减小永磁体的磁场强度，实现对阻尼通道中磁场强度的控制；通过设计有导向器和阻尼调节器，确保阻尼通道为一均匀的环形通道和满足阻尼器复原过程阻尼大与压缩过程阻尼小的要求；通过设置有补偿器，补偿阻尼器活塞杆的体积变化和阻尼器工作温度引起的磁流变液体积变化。

本发明的技术方案如下：

汽车悬架***磁流变阻尼控制装置，包括工作缸、活塞总成、补偿器和密封装置，工作缸内充满磁流变液，并被活塞总成分成上下两腔，活塞总成与工作缸壁之间留有阻尼通道，补偿器位于工作缸底部，工作缸的端部由密封装置密封，这与现有的磁流变阻尼控制装置相似。本装置的活塞总成包括空心活塞杆、导向器和活塞式磁场发生器，将活塞杆与导向器和磁场发生器组合在一起，导向器和活塞式磁场发生器与活塞杆同轴连接，它们之间有同轴度要求，这样可以确保阻尼器的环形通道的尺寸和磁场分布是均匀的。电磁线圈的引出线通过活塞杆的中心穿出，导向器本体内设置有连通阻尼通道和工作缸上腔的阻尼孔。

所述的活塞式磁场发生器由永磁体、电磁线圈、端部磁芯、内磁芯和外磁芯组成。将永磁体置于电磁线圈中，使两者的磁场强度进行矢量相加来控制阻尼器通道中的磁场强度。这种设置能够有效降低磁流变阻尼控制装置的功耗。当电磁线圈未通电时，由于永磁体的作用，环形阻尼通道中的磁场强度处于中等磁场强度；当线圈中电流产生的磁场与永磁体的磁场方向相同时，环形阻尼通道中的磁场强度增大；反之，环形阻尼通道中的磁场强度减小。这样实现环形阻尼通道中磁流变体的流动特性控制，进而控制阻尼装置的阻尼特性。在磁场发生器中设置永磁体的目的在于，未加控制电流时阻尼器的阻尼特性与传统的汽车减震器的阻尼特性相当，可以有效地降低阻尼器的能耗，同时在控制***出现故障时阻尼器的阻尼特性与传统的汽车减震器的阻尼特性相当，汽车也可以安全行驶。磁场发生器的内磁芯和外磁芯分别由活塞杆和工作缸兼做，工作缸作为磁路的组成部分，可以保证工作缸的结构强度和降低阻尼器的制造成本。阻尼通道位于端部磁芯和外磁芯之间，这样有利于减小磁路的磁阻和磁滞损耗，减小涡流引起的磁路发热。电磁线圈中的电流设计为双向，这样电流较小有利于减小阻尼器的功耗和发热。

所述的导向器由导向器本体和活塞环组成，活塞环要确保阻尼通道为一均匀的环形通道。导向器本体又兼做阻尼调节器。导向器本体上端面设置有阻尼力调节阀片和调节弹簧，阻尼力调节阀片遮挡住导向器本体内的一部分阻尼孔，其作用是通过阻尼调节阀片调节复原和压缩过程中的阻尼力，满足阻尼器复原过程阻尼大与压缩过程阻尼小的要求。当活塞杆向上运动(复原过程)时，阀片在弹簧的作用下，将一部分阻尼孔被关闭，实现磁流变液从阻尼器上腔流入下腔阻力大；当活塞杆向下运动(压缩过程)时，阀片在下腔压力的作用下克服弹簧的作用力，将被关闭的阻尼孔打开，实现磁流变液从阻尼器下腔流入上腔阻力小，满足汽车悬架对阻尼器特性的要求。磁流变阻尼控制装置的阻尼力为导向器本体的阻尼孔所产生的阻尼力与环形阻尼通道产生的可控阻尼力的叠加。

所述的补偿器包括补偿阀、补偿器壳体、补偿气囊。补偿阀固定在补偿器壳体的上部，其两向流动阻尼特性不同。补偿阀内设置有流通孔，连通补偿器壳体内腔与工作缸下腔。补偿阀上端面设置有阻尼调节阀片和压紧弹簧，遮盖住一部分流通孔。补偿器壳体内设置有补偿气囊，补偿胶囊内充工业氮气，其外由磁流变液包围。补偿器的作用是补偿阻尼器活塞杆的体积变化和阻尼器工作温度引起的磁流变液体积变化。当活塞杆向上运动时，工作缸下腔压力降低，由于补偿气囊的推动作用，补偿阀的单向阀片打开，磁流变体通过补偿阀由补偿器壳内向工作缸下腔流动，此时流动阻力小；当活塞杆向下运动时，工作缸下腔压力增大，克服气囊的推动作用，补偿阀的单向阀片关闭，磁流变体通过专用补偿阀内部小孔由工作缸下腔向补偿器壳内流动，此时流动阻力大，使磁流变体充分填充工作缸上腔。气囊的推动作用对磁流变体的二次起浮作用，在一定程度上，可以防止磁流变体的沉降。

所述的密封装置安装在工作缸的上端，具有导向功能，它由导向套、橡胶密封套、密封定位环组成，导向套采用密封定位环来固定，并使之与工作缸内孔同轴。密封定位环嵌入在工作缸的内凸台上，在密封定位环的外凸缘上设置有流通孔，其作用在于磁流变体通过小孔对密封圈产生径向压力，提高密封性能。工作缸向内环形翻边压紧密封装置的外缘部分。

本阻尼装置为单筒式结构，在未加控制的条件下，是一种与传统减振器特性相当的阻尼器，完全可以代替被动减振器使用，配上相应的电流控制器，可以实时调节悬架***的阻尼特性，以提高汽车行驶安全性和平顺性，其具体的优点表现如下：

(一)将永磁体磁场发生器置于线圈磁场发生器中，使两者的磁场强度进行矢量相加来控制阻尼器通道中的磁场强度，励磁线圈中的电流是双向的，电流较小，降低了磁流变阻尼装置的功耗。

(二)本阻尼装置为单筒式结构，阻尼器的工作缸筒作为磁路的组成部分，采用具有较高磁饱和强度和较宽磁化过程的低碳钢来制作，这样既保证了阻尼器的机构强度，减小磁路的磁阻和磁滞损耗，减小涡流引起的磁路发热，同时可以增大阻尼器的调节范围。

(三)活塞上端的导向器内部设有阻尼调节器，其作用是通过阻尼调节阀片调节复原和压缩过程中的阻尼力，可以达到阻尼器复原过程阻尼大与压缩过程阻尼小的目的，满足汽车悬架对阻尼器特性的要求。

(四)补偿器壳顶部安装有两向流动阻尼特性不同的补偿阀，补偿阻尼器活塞杆的体积变化和阻尼器工作温度引起的磁流变液体积变化，也达到阻尼器复原过程阻尼大与压缩过程阻尼小的目的，满足汽车悬架对阻尼器特性的要求。

(五)密封装置中设置了导向套，定位环的外凸缘设置了均匀分布的小孔，使磁流变体通过小孔对密封圈产生径向压力，提高密封性能。

(六)活塞与补偿器结构简单，减低了阻尼器制造成本。

附图说明

图1是本发明磁流变阻尼装置的总体结构图

图2是磁流变阻尼装置的导向器与磁场发生器的原理图

图3是磁流变阻尼装置的补偿器原理与安装图

图4是磁流变阻尼装置的密封原理与导向图

具体实施方式

下面参照图1、图2、图3和图4进一步描述本本发明：

参照图1，本发明所涉及的汽车悬架***磁流变阻尼控制装置为单筒式阻尼器，工作缸9的下端焊接有底盖31，工作缸9的上端安装具有导向功能的橡胶密封套3、导向套4，工作缸9内装活塞总成19，活塞总成19将工作缸9分成上下两腔，活塞总成与工作缸壁间留有阻尼通道18。工作缸9底部设补偿器。

参见图1和图2，活塞总成19包括空心活塞杆2、导向器和活塞式磁场发生器，导向器和活塞式磁场发生器通过活塞杆2同轴连接，活塞式磁场发生器的电磁线圈的引出线1通过活塞杆2的中心孔17穿出，导向器内设置有连通阻尼通道18和工作缸上腔的阻尼孔11、14。当活塞杆2上下运动时，工作缸9中的磁流变液在活塞与工作缸之间的阻尼通道18中流动，在电磁线圈21产生的电磁场和永磁体46的共同作用下，磁场发生器产生的磁场控制磁流变液在阻尼通道中的流动状态，从而控制了阻尼器工作缸上下腔之间的压力差，对磁流变阻尼装置的阻尼力进行控制。

其中，导向器由导向器本体16、活塞环15组成，也兼作阻尼调节器本体。导向器本体16固定在空心活塞杆2上。导向器本体16上有可调节阻尼孔14、11，上端面还设置有阻尼力调节阀片13和调节弹簧12，当活塞杆2复原时调节阀片13在调节弹簧12的作用下，阻尼孔14关闭，磁流变液只能通过阻尼孔11流入可控阻尼通道18，流动方向48；当活塞杆2压缩时调节阀片13在磁流变液的作用下，阻尼孔14打开，磁流变液只能通过流通孔11和流通孔14流入工作缸上腔，流动方向49；这样设置的作用是提高阻尼器在复原过程中的阻尼力，降低阻尼器在压缩过程中的阻尼力，满足汽车悬架对阻尼力的要求。

磁场发生器由永磁体46、电磁线圈21、端部磁芯19、内磁芯即活塞杆2和外磁芯即工作缸9等组成。端部磁芯19与外磁芯即工作缸9之间的间隙构成两个结构尺寸完全相同的环形的阻尼通道18，端部磁芯19的端部设计为圆角47，利于磁流变液流通。由永磁体46和电磁线圈21产生的合磁场的磁力线22，能够满足磁流变器件的设计准则：磁流变液在阻尼通道中的流动方向与外加磁场的磁力线方向垂直。电磁线圈21的引出线1通过引出孔23和活塞杆中的中心孔17引出，在活塞底部采用环氧树脂密封，同时采用端盖24与压紧螺拴44保护引出线和环氧树脂密封。电磁线圈21的外部采用保护套20来防止磁流变液对线圈的冲刷，使磁场通过阻尼通道18。永磁体46和端部磁芯19固定在活塞杆2即内磁芯上，压紧后采用环形焊接45来确保活塞的相对位置。导向器本体16与端部磁芯19安装后应同轴，否则将导致阻尼通道18不均匀。

参见图1和图3，本发明所涉及磁流变阻尼装置的补偿器由补偿阀38、补偿器壳体28、补偿气囊27、补偿阀支持圈26和补偿阀压紧圈25等组成。补偿阀38内设置有两圈流通孔39和40，通过轴销固定阻尼调节阀片41，阻尼调节阀片41有压紧弹簧42，通过补偿阀支持圈26和补偿阀压紧圈25，补偿阀38固定在补偿器壳体28的上部，采用铆接方式固定43。补偿器壳体28内设置有补偿气囊27，补偿气囊27通过螺帽32固定在工作缸底盖31上，连接螺母33与底盖31之间设置有密封圈30来防止磁流变液泄漏，连接螺母33的内部设置有单向充气阀36，补偿气囊27内充工业氮气，在底盖31后端填满环氧树脂34，进一步提高密封性能。当活塞杆2向下运动(压缩过程)时，磁流变液进入补偿器壳体28内，在磁流变液和弹簧42作用下，流通孔40关闭，其流动阻力大；当活塞杆2向上运动(复原过程)时，在补偿气囊的推动下，磁流变液由补偿器壳内部流入工作缸下腔，流通孔40打开，其流动阻力小。其作用是通过阻尼补偿阀调节复原和压缩过程中的阻尼力，满足阻尼器复原过程阻尼大与压缩过程阻尼小的要求。

参见图1和图4，本发明所涉及磁流变阻尼装置的密封导向装置由导向套4、橡胶密封套3、密封定位环7等组成。导向套4通过密封定位环7定位，并套在活塞杆2上，导向套内表面6涂有聚四氟乙烯，其目的在减小导向套与活塞杆之间的摩擦。密封定位环7的外缘嵌入在工作缸9的内凸台上，在密封定位环7的外凸缘上设置有流通孔8。导向套4的上部设置有密封斜面，与橡胶密封套3配合。导向套4与工作缸9之间以及与橡胶密封套3外缘之间留有容纳磁流变液的空间50和51，通过导向套上的流通孔5、和密封定位环上的流通孔8与工作缸上腔连通。工作缸9在顶部封口时设计一卷边52，使工作缸9与橡胶密封套之间实现密封。当活塞杆2向上运动(复原过程)时，磁流变液经过流通孔8、流通孔5进入橡胶密封套的外缘空间51，对密封圈产生径向压力，使密封效果有所提高。

Claims (4)

1.汽车悬架***磁流变液阻尼装置，包括工作缸、活塞总成、补偿器和密封装置，工作缸被活塞分成上下两腔，其内充满磁流变液，活塞总成与工作缸壁间留有阻尼通道，连接工作缸的上下两腔，工作缸的底部有补偿器，端部由密封装置密封；活塞总成包括空心活塞杆、导向器和活塞式磁场发生器，导向器和活塞式磁场发生器通过活塞杆同轴连接，活塞式磁场发生器的电磁线圈的引出线通过活塞杆的中心穿出，导向器内设置有连通阻尼通道和工作缸上腔的阻尼孔；其特征在于：所述活塞式磁场发生器由永磁体、电磁线圈、端部磁芯、内磁芯和外磁芯组成，永磁体置于电磁线圈中，由活塞杆兼做内磁芯，工作缸做外磁芯，阻尼通道位于端部磁芯和外磁芯之间；所述电磁线圈中的电流设计为双向。

2.根据权利要求1所述的汽车悬架***磁流变液阻尼装置，其特征在于：导向器由导向器本体和活塞环组成，导向器本体又兼做阻尼调节器，导向器本体上端面设置有阻尼力调节阀片和调节弹簧，阻尼力调节阀片遮挡住导向器本体内的一部分阻尼孔。

3.根据权利要求1所述的汽车悬架***磁流变液阻尼装置，其特征在于：补偿器包括补偿阀、补偿器壳体、补偿气囊；补偿阀固定在补偿器壳体的上部，补偿阀内设置有流通孔，连通补偿器壳体内腔与工作缸下腔，补偿阀上端面设置有阻尼调节阀片和压紧弹簧，遮盖住一部分流通孔；补偿器壳体内设置有补偿气囊，补偿气囊内充工业氮气，其外由磁流变液包围。

4.根据权利要求1所述的汽车悬架***磁流变液阻尼装置，其特征在于：工作缸的上端安装具有导向功能的密封装置，包括导向套、橡胶密封套、密封定位环，密封定位环嵌入在工作缸的内凸台上，在密封定位环外凸缘上设置有流通孔，导向套由密封定位环固定，套在活塞杆上，工作缸向内环形翻边压紧密封装置的外缘部分。

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