CN101382177A - 具有通道选通能力的双通道磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有通道选通能力的双通道磁流变阻尼器，其由工作缸、活塞本体、励磁组件、隔磁套筒、活塞杆、导向环，与密封组件、补偿装置等一起构成完整的双通道磁流变阻尼器；其结构设计确保所述的双通道磁流变阻尼器的通道选通能力实现，并大幅简化现有的磁流变阻尼器设计方法。活塞组件与励磁组件间的间隙构成内通道、活塞组件与工作缸间的间隙构成外通道，当没有外加激励电流时，磁流变液主要通过内通道，此时阻尼力最小；而当激励电流达到饱和时，磁流变液主要通过外通道，此时阻尼力最大。通过这种磁流变液流动的通道选通效应，实现阻尼力在最小值与最大值间的无级变化。

Description

具有通道选通能力的双通道磁流变阻尼器

技术领域：

本发明属于智能结构***及结构振动控制技术领域，可以具体到车辆、工程机械、武器平台等机械、土木结构***振动控制及其应用，具体涉及一种具有通道选通能力的双通道磁流变阻尼器及其相关的设计方法。

背景技术：

在结构振动控制技术领域，人们通常采用弹性元件与阻尼元件来实现振动控制、其中的阻尼元件通常采用油液减振器，利用油液通过可变截面积的流动通道来产生和外部环境相适应的阻尼力。这种方法需要采用阀结构控制流动通道通过面积，导致结构可靠性不高，易于产生故障；另一方面，由于被控结构需要适应复杂的外部环境，普通油液减振器的阻尼特性无法跟随外部环境进行自适应调节，导致被控结构对象难以达到最优的性能，是一种被动振动控制技术，因此采用基于磁流变液智能材料的可控阻尼器件实现被控对象的半主动振动控制，能够在复杂环境中达到良好的振动控制效果，可靠性高，稳定性好，同时无需消耗大量能源，功耗极低，可以在能源获取困难的野外环境中使用等优点。

现有公开的磁流变阻尼器结构各有不同，都可以实现被控对象的振动半主动控制功能，但它们普遍具有结构复杂，设计繁琐的特点，尤其是在设计过程中需考虑磁流变液材料的剪切屈服特性，使磁流变阻尼器难以做到系列化和通用化，极大的限制了它的应用空间。为了使磁流变阻尼器得到更广泛的应用，需要使磁流变阻尼器设计脱离具体的应用场合，以实现系列化、通用化，这就必然要求磁流变阻尼器的设计性能与具体的磁流变液材料特性曲线无关。

发明内容：

本发明针对现有磁流变阻尼器设计需要考虑磁流变液材料特性的不足，通过特殊的结构设计，使外加可控磁场对磁流变液表观粘度的控制转变为对磁流变阻尼器有效流通面积的控制，从而实现脱离磁流变液材料属性的磁流变阻尼器系列化、通用化设计。

具有通道选通能力的双通道磁流变阻尼器设计内、外通道并通过确保内、外通道间的尺寸关系，将磁流变阻尼器外加磁场对磁流变液屈服特性的改变转变为有效通过面积的变化，外加磁场越强，内通道磁流变液的表观粘度越大，有效(当量)流动面积则越小，当磁场达到饱和时，内通道的有效(当量)流动面积趋近于零。这样，通过外加磁场对有效流动面积的控制，使磁流变阻尼器设计脱离具体的磁流变液屈服特性，仅要求采用的磁流变液达到需要的最高屈服应力即可。

本发明的技术方案如下：

具有通道选通能力的双通道磁流变阻尼器，包括工作缸、活塞杆、活塞组件、密封组件与补偿装置，其中，活塞组件由活塞本体、励磁组件、隔磁套筒组成，励磁组件安装在活塞本体内部，隔磁套筒通过过盈配合压装在活塞本体上；活塞杆与活塞组件相连，置入工作缸内，在工作缸内轴向运动，工作缸内充满磁流变液，所述工作缸被活塞组件分隔成上下两腔，在活塞杆和工作缸口之间通过密封装置密封；其特征为：

活塞组件与工作缸间构成磁流变液流动外通道，活塞组件与励磁组件间的间隙构成磁流变液流动内通道，磁流变液通过活塞本体上的孔进入内、外通道，所述阻尼器利用磁流变液通过活塞组件形成的内、外通道时产生的阻尼效应，实现对外部被控结构产生阻尼力。

具有通道选通能力的双通道磁流变阻尼器包括有工作缸、活塞杆、活塞套件、补偿装置和密封装置，工作缸内充满磁流变液，并被活塞套件分成上下两腔，补偿器用于补偿由于活塞杆在工作缸内运动而产生的工作缸容积变化，工作缸的端部由密封装置密封。活塞套件由活塞本体、隔磁套筒、励磁组件、导向环构成，隔磁套筒压装在活塞本体上形成活塞组件，活塞组件与工作缸间构成磁流变液流动外通道，与励磁组件间的间隙构成磁流变液流动内通道，并通过结构设计确保内通道间隙(或流动面积)大于外通道间隙(或流动面积)的2倍，以确保实现通道选通对阻尼力的控制效果。

本发明具有如下优点：

1、将磁流变阻尼器的设计过程大大简化。现有的磁流变阻尼器由于单一通道结构的限制，在零场状态得到阻尼器的最小阻尼力，但阻尼器所能达到的最大阻尼力，以及在不同外加励磁电流作用下的阻尼力特性曲线，不仅和励磁结构所能达到的磁场状态有关，更和磁流变液的剪切屈服应力特性密切相关，阻尼器设计不能脱离磁流变液的材料特性。本发明基于创新性的结构设计，将可控磁场对磁流变液表观粘度的控制，转变为磁流变阻尼器的等效流通面积的控制，从而使阻尼器设计可以脱离磁流变液材料属性，仅要求励磁结构达到足够强的磁场以及磁流变液具有足够大的最高剪切屈服应力。

2、由于磁流变液阻尼器的设计过程可以脱离磁流变液材料属性，具有通道选通能力的磁流变液阻尼器的新设计方法有利于实现磁流变阻尼器的系列化与通用化，从而使磁流变阻尼器的设计脱离具体应用场合，实现系列化与通用化，有利于基于磁流变液智能材料的半主动控制***的应用与发展，带来振动控制相关设施设备的性能提升。

3、相对现有单一通道结构磁流变阻尼器，由于常通外通道的存在，新型磁流变阻尼器将有效克服高速大励磁电流状态下的通道阻塞，以及由此带来的阻尼力滞后问题，改善磁流变阻尼器的动力学特性，可以避免使用高压充气、双筒结构设计等用于克服阻尼力滞后的措施。

4、简化磁流变阻尼器结构。区别于其他磁流变阻尼器结构，本双通道磁流变阻尼器活塞及励磁部分除密封填料、线圈绕组和标准件外，仅有4个独立零件，分别是密封盖12、励磁铁芯16、活塞本体17、隔磁套筒18，具有结构简单，工作可靠的优势。活塞本体17底部为导向器结构，无需采用单独的导向器，进一步简化结构，聚四氟乙烯导向环22在良好导向的同时，具有减摩、润滑作用，采用环氧树脂填料对引线和绕组部位进行密封，工艺简单可靠，密封效果好，具体结构请参考附图2。

附图说明：

附图1是本发明具有通道选通能力的双通道磁流变阻尼器总体结构图；

附图2是本发明具有通道选通能力的双通道磁流变阻尼器活塞、励磁组件及封装结构图，涉及到本发明的关键结构，包括内、外双通道，活塞导向器构造以及引线方式等。

具体实施方式：

下面根据说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

具有通道选通能力的双通道磁流变阻尼器总体结构如附图1所示。它主要有引线1、油封2、导向座3、导向座支承4、工作缸5、活塞杆6、磁流变液7、活塞组件8、补偿器9、导向环10、工作缸底座11组成。其中油封2、导向座3、导向座支承4共同构成磁流变阻尼器的密封装置，它们又与活塞组件8一起完成阻尼器的导向功能，防止活塞杆及活塞组件在往复运动时产生摇摆和晃动；补偿器9用于容纳由于活塞杆进出工作缸形成的磁流变液变化的容积，它采用液压管件与工作缸下腔相通，可以采用普通液压蓄能器，不仅使设计简化，也增加阻尼器工作的可靠性。

上述的活塞组件8的具体结构如附图2所示，它主要由工作缸5、活塞杆6、密封盖12、密封盖O形圈13、环氧树脂密封填料14、励磁线圈15、励磁铁芯16、活塞本体17、隔磁套筒18、活塞底座O形圈19、弹性垫圈20、锁紧螺母21、导向环22构成。弹性垫圈20和锁紧螺母21利用活塞杆端部螺纹连接活塞组件与活塞杆6，构成共同运动的整体；活塞底座附近开有4个轴向腰鼓型孔A和8个径向圆孔B，它们分别是磁流变液进入内、外通道的路径；在励磁铁芯16上开有小孔C，作为引线1从励磁线圈15中的引出通道，引线在锥形环氧树脂填料部位焊接并通过活塞杆内孔引出阻尼器外部；为了保证励磁组件的密封，防止磁流变液通过活塞杆内孔泄漏，采用环氧树脂密封填料14、密封盖O形圈13、活塞底座O形圈19进行密封；活塞本体17的底部为导向器结构，聚四氟乙烯导向环22嵌在导向器环槽内，与图1中的导向座3共同起导向作用；励磁线圈15产生的磁场在励磁铁芯16、活塞本体17以及内通道中的磁流变液间形成回路，隔磁套筒18用铝合金等非导磁材料制作，压装在活塞本体17上，用于减弱磁场对外通道影响，有限元分析结果表明，隔磁套筒达到一定厚度，活塞本体磁阻较小时，磁场透过隔磁套筒对外通道造成的影响微乎其微；在上述结构中的励磁线圈15由两组线圈绕组组成，在实际安装时，必须确保它们在正确通电情况下的磁场极性对置，即两个线圈绕组的同极性端指向相反。

根据同心圆环间间隙流动的粘性流体动力学理论，当内外圆环均不动时流量表达式如式(1)所示，内通道处于活塞内部，壁面间没有相对运动，其流动则属于这种情况。其中Δp为活塞两端压力差，它是阻尼力大小的表征，d_n为内通道直径，h_n为内通道间隙宽度，μ为通过介质的动力粘度，l为活塞的长度，q为工作缸上下腔间的流量，它等于活塞轴向运动产生的上下腔容积变化。可见，磁流变阻尼器的阻尼力与间隙宽度的三次方成反比。

$q=\frac{\mathrm{\π}{d}_n{h_n}^3}{12\mathrm{\μl}}\mathrm{\Δp}---\left(1\right)$

当一环对另一环以一定速度轴向移动时，此时流量方程式如式(2)所示。由于活塞与缸筒之间的相对运动，外通道的流道则属于这种情况，式中U为活塞的相对运动速度，d_w为外通道直径，h_w为外通道间隙宽度。它表示式(1)与活塞轴向移动带来的流量的叠加，对于阻尼器的场合，由于活塞运动方向始终与流动方向相反，式(2)中只能取负号，此时流量小于内外环均不动的场合。

$q=(\frac{\mathrm{\Δp}{h_w}^3}{12\mathrm{\μl}}\±\frac{U}{2}{h}_w){\mathrm{\πd}}_w---\left(2\right)$

以上式(2)可以表达为：

$q=(\frac{\mathrm{\Δp}{h_w}^2}{12\mathrm{\μl}}-\frac{U}{2}){\mathrm{\πd}}_w{h}_w---\left(3\right)$

对于通常的减振器结构设计而言，有如下关系：Δp>1Mpa，h_w<1mm，μ≈0.1Pa·s，l<0.1m，U<1m/s，可见：

$\frac{\mathrm{\&Delta;p}{h_w}^2}{12\mathrm{\&mu;l}}>>\frac{U}{2}---\left(4\right)$

这样，我们可以忽略活塞有相对运动时的流体动力学差别，认为磁流变阻尼器的内、外通道产生阻尼力均与间隙宽度的三次方成反比。只要在设计时使内通道间隙h_n(或流动面积)大于外通道间隙h_w(或流动面积)的2倍，由于流量q决定于活塞的运动规律，此时内、外通道单独存在时产生的阻尼力f_n、f_w将有如下关系：f_w>8f_n。当不施加外加磁场时，磁流变液同时通过内、外通道，但由于外通道阻力大，通过流量很小，此时阻尼力接近但略小于f_n；当施加饱和磁场时，内通道磁流变液由于磁流变效应而固化，此时磁流变液主要通过没有磁场控制的外通道，且阻尼力接近而略小于f_w。可见，通过将可控磁场对磁流变液表观粘度的控制，转变为磁流变阻尼器的等效流通面积的控制，实现通道选通能力，可以近似使磁流变阻尼器的阻尼力在f_n到f_w间变化。根据流体动力学理论设计阻尼器内、外通道的间隙宽度，以及实现励磁结构使磁场从零场到饱和的状态控制，具有通道选通能力的双通道磁流变阻尼器可以实现阻尼力从f_n到f_w的无级变化。

以上给出的实施例用以说明本发明和它的实际应用，并且因此使得本领域的技术人员能够作出和使用本发明。但这仅仅是一个较佳的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何一个本专业的技术人员在不偏离本发明技术方案的范围内，依据以上技术和方法作一定的修饰和变更当视为等同变化的等效实施例。

Claims (8)

1、具有通道选通能力的双通道磁流变阻尼器，包括工作缸、活塞杆、活塞组件、密封组件，其中，活塞组件由活塞本体、励磁组件、隔磁套筒组成，励磁组件安装在活塞本体内部，隔磁套筒通过过盈配合压装在活塞本体上；活塞杆与活塞组件相连，置入工作缸内，并在工作缸内轴向运动；所述工作缸内充满磁流变液，工作缸被活塞组件分隔成上下两腔，在活塞杆和工作缸口之间通过密封装置密封；其特征为：

活塞组件与工作缸间间隙构成磁流变液流动外通道，活塞组件中的活塞本体与励磁组件间的间隙构成磁流变液流动内通道，磁流变液通过活塞本体上的孔进入内、外通道，所述双通道磁流阻尼器利用磁流变液通过活塞组件形成的内、外通道时产生的阻尼效应，实现对外部被控结构产生阻尼力。

2、根据权利要求1所述的双通道磁流变阻尼器，其特征在于：所述活塞本体上开有磁流变液进入内、外通道的圆孔或腰鼓形孔，内、外通道一起构成磁流变液在工作缸上下腔间的流动通道。

3、根据权利要求1所述的双通道磁流变阻尼器，其特征在于：活塞本体的底部为导向器结构，聚四氟乙烯材质导向环直接安装在活塞本体的导向器结构上，与工作缸间形成滑动运动副，达到稳定运动方向和减摩的目的；活塞杆位于工作缸口的端部设置导向座结构。

4、根据权利要求1所述的双通道磁流变阻尼器，其特征在于：活塞杆穿过励磁组件的中间孔，通过活塞杆端部的螺纹与活塞本体间实现螺纹连接，在螺母与活塞本体间加装弹性垫圈。

5、根据权利要求1所述的双通道磁流变阻尼器，其特征在于：励磁组件的励磁线圈绕制完成后，在线圈外表面涂敷环氧树脂进行密封，并在硬化后将环氧树脂涂层加工至与励磁组件外径齐平，励磁组件引线通过活塞杆内开有的小孔引出，在引线焊接部位采用环氧树脂填料进行密封，同时在励磁组件两端的结合面处采用O形圈进行密封。

6、根据权利要求1所述的双通道磁流变阻尼器，其特征在于：内通道间隙宽度与外通道间隙宽度之比值大于2，或使内通道间隙通过面积与外通道间隙通过面积之比大于2。

7、根据权利要求1所述的双通道磁流变阻尼器，其特征在于：该磁流变阻尼器还包括补偿器，采用液压管件与工作缸下腔相通，用于容纳由于活塞杆进出工作缸形成的磁流变液变化的容积，增加阻尼器工作的可靠性.

8、根据权利要求7所述的双通道磁流变阻尼器，其特征在于：所述补偿器采用液压蓄能器。

Images