CN102102731A - 基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置，它具有双缸、双杆、双活塞结构。通过特殊结构设计使两缸的容积补偿相互抵消，保持磁流变液处于常压力状态，实现阻尼和刚度的解耦。在此基础上，通过磁流变体的可控特性实现油气弹簧的可控阻尼，通过外接压力调节装置实现刚度控制以及进一步的车姿控制等。

Description

基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置

技术领域

本发明涉及一种用于汽车悬架的油气弹簧减振装置新结构。

背景技术

汽车悬架对车辆的动力学性能具有重要影响，使汽车操纵稳定性和乘坐舒适性的决定性环节，因此历来被工程界重视。从被动悬架到主动悬架，再到半主动悬架的发展表明，对悬架的阻尼、刚度进行实时控制是工程界持续追求的目标。

传统的机械式被动悬架***大都由减振器和螺旋弹簧、钢板弹簧组成。螺旋弹簧刚度通常是一个定值。为了保证在不同路面上车辆行驶的平顺性，需要悬架的刚度较软，因而需要较大的悬架空间。为此，在被动悬架***中，人们设计了不同的变刚度弹簧来解决这一问题。比如变中径、变节距的螺旋弹簧，主副钢板弹簧悬架等等。

从可控阻尼角度来看，人们研究了通过电控阀门等实时改变阻尼通道几何的半主动可控阻尼悬架***，但由于结构复杂、成本高昂、可靠性低、频率响应不够等原因难以得到认可；基于磁流变（电流变）体可控阻尼特性开发的车辆悬架半主动控制***，近年来得到了大力的发展，并在极少数的高级车辆上得到应用。但普遍存在补偿结构复杂、密封难度大、非线性强不利于控制等方面的问题。

汽车悬架半主动控制也有应用可控刚度的实例，一般使用空气弹簧（或油气弹簧），通过对其气体压力进行实时调节实现刚度可控特性。同时，在发动机悬置等隔振装置中，也有基于磁流变弹性体等实现的可控刚度器件，但其刚度可控范围一般较小。

与电流变液可控阻尼技术相比，磁流变液具有更高的剪切屈服应力，采用电流激励，避免电流变液高电压激励导致的击穿、安全性和复杂的升压装置等问题，对杂质容忍性好，温度范围宽等优点。近年来研究人员开发了各种形式的磁流变阻尼器件，他们都基于流动、剪切和挤压三种基本工作模式或它们的组合模式，通过在阻尼通道中施加外加磁场达到实时改变磁流变液表观粘度的目的。为了适应活塞杆进出导致的磁流变液容积变化，一般采用蓄能器、浮动活塞等结构来容纳/释放磁流变液。因此磁流变阻尼器的阻尼特性不仅和阻尼通道产生的压差有关，还和蓄能器、浮动活塞产生的传导压力变化有关，因此磁流变阻尼器本身具有一定的油气弹簧特性，从而使阻尼和刚度特性产生耦合，增大了控制算法开发的复杂性。用于半主动悬架振动控制时，磁流变阻尼器需要与螺旋弹簧等并联使用，以承受车辆载荷。

油气弹簧有多种形式。按单缸蓄能器形式，分为单气室、双气室、两级压力式等；按车桥各悬架缸是否相连可分为独立式和连通式；按车辆行驶过程中，悬架控制是否需要外部能量输入分为被动、半主动和主动油气悬架；单气室型油气弹簧还有油气分隔式和油气不分隔式。油气弹簧的阻尼特性不可控，在振动抑制的工作状态下，活塞杆进出将导致工作液容积变化，从而压缩气室改变刚度，这种刚度改变导致的压力变化将传导到油腔，改变阻尼状态，可见，油气弹簧的刚度、阻尼特性也是相互耦合的。油气弹簧可以通过外接压力调节装置实现刚度控制以及车高控制等。

综上可见，现有悬架振动抑制领域的减振装置有适用于大型重载车辆的油气弹簧，以及减振器与螺旋弹簧（或板簧）组合的悬架***。不论哪种方案，由于蓄能器的存在，它们的刚度和阻尼特性相互耦合，且阻尼和刚度特性都不具备可控特性。为了适应日益增长的技术需求，阻尼可控的磁流变减振***和刚度可控的油气弹簧（空气弹簧）得到了广泛的关注，但实现刚度与阻尼全面可控的减振装置无疑具有更重要的价值。而刚度和阻尼的解耦，将使减振装置的设计和开发大幅简化，并分别改进悬架***的阻尼和刚度特性，从而更好的抑制悬架振动。

发明内容

本发明提供一种基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置，它采用双缸双杆双活塞的结构形式，在实现油气弹簧阻尼和刚度解耦的基础上，通过磁流变可控阻尼技术实现阻尼可控，通过外加其他压力调节装置实现刚度可控，结合适当的控制算法，使汽车悬架的减振性能得到本质改善。同时，新结构使油气弹簧油腔保持常压，可以降低密封要求，结构紧凑，成本较低，有利于油气弹簧向中、小型车辆进行推广。

本发明的技术方案如下：

一种基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置，它采用双缸双杆双活塞的结构形式，双活塞杆之间刚性连接，同时运动。所述油气弹簧具有并排布置的油缸和气缸。

所述油缸内由油缸活塞分成上下两个腔，上腔为膨胀腔，下腔为压缩腔，在油缸活塞外周缠绕有电磁线圈，油缸活塞外周与缸体内壁之间留有连通两个腔的阻尼通道，在所述油缸中充满磁流变液，当活塞上下运动迫使油液通过阻尼通道时，形成阻尼力用于耗散振动能量。油缸活塞杆一端连接油缸活塞，一端由膨胀腔穿出，电磁线圈的引线通过活塞杆向外引出，通过外加电流激励在阻尼通道位置形成磁场，用于控制磁流变液通过阻尼通道时产生的阻尼力。

所述气缸内也由气缸活塞分成上下两腔，上腔为补偿腔，下腔为气压腔，在所述气压腔内充满惰性气体，通过合适的气压承受车辆重量，同时与外接气体压力调节装置相连，同时充满磁流变液，以实现车姿控制。所述气缸的补偿腔与油缸的膨胀腔通过管道相连，气缸的补偿腔用于容纳油缸中由于活塞杆上下运动导致的油液容积变化。其气缸活塞杆一端连接气缸活塞杆，另一端由补偿腔穿出。所述油缸和气缸的下端共同通过缸体底座固定缸体吊环，气缸活塞杆和油缸活塞杆位于缸体外一端共同通过活塞杆连接板固定活塞杆吊环。

为了使油缸压力保持常压，必须使气缸活塞截面积等于气缸和油缸活塞杆截面积之和。

进一步，在所述油缸活塞的上部并在油缸活塞杆上可以设置导向阀，导向阀的外周与油缸壁之间为间隙配合，在导向阀上开有容磁流变液通过的孔，用于磁流变液在压缩腔A和膨胀腔B之间流动。

采用本发明结构，当活塞杆运动时，油缸活塞杆排开/释放工作液的容积将通过连通管进入/流出气缸的补偿腔，并且正好等于气缸活塞迫使气体压缩/膨胀容积与气缸活塞杆排开/释放工作液容积之差，确保了无论活塞怎样上下运动，油缸的压缩腔、膨胀腔和气缸的补偿腔共同构成的工作液空间不会被压缩或膨胀，从而保持油缸压力为常压。此时，由于气缸活塞靠近补偿腔侧的压力始终保持不变，气缸的气压腔中的压力变化完全取决于气缸活塞的压缩量，也即活塞杆的运动量。这样，不论油缸的阻尼行为还是气缸的刚度行为都可以做到互不影响，完全解耦，从而实现油气弹簧阻尼特性和刚度特性的分别设计，更好的实现理想的动力学特性。

传统的液压减振器，由于活塞杆进出油缸导致容积变化和液体的不可压缩特性，因此需要一个蓄能器来平衡工作介质（液体）的容积，蓄能器和工作液间存在复杂的动力学行为，减振器阻尼力不仅和阻尼通道设计和振动状态有关，还和蓄能器的状态密切相关；而对于油气弹簧来说，不论是哪种形式，也需要蓄能器来容纳容积变化，因此气室压力也与蓄能器的压力相耦合。可见，无论是传统的液压减振器还是现有各种形式的油气弹簧，其刚度特性和阻尼特性都高度耦合，使其动力学行为非常复杂，不利于实现刚度、阻尼的良好设计。本发明提出的新型减振装置使气缸活塞截面积等于气缸和油缸活塞杆截面积之和，无论活塞处于什么位置，气缸活塞占用/释放的补偿腔容积，恰好与双活塞杆释放/占用的容积一致，使得油缸压力始终保持常态不变，从而使阻尼和刚度作用完全解耦。此时，可以单纯通过阻尼通道和励磁设计实现油气弹簧良好的阻尼可控特性，而刚度特性则完全由气室设计和气室压力决定，消除与蓄能器压力的耦合，大大简化车姿控制算法。

基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置，在实现阻尼特性与刚度特性解耦的同时，由于通过特殊结构实现了油缸容积变化的补偿，可以使油腔始终保持常压力，大大降低了油腔以及两根活塞杆的密封要求，从而节约成本，易于实现。

附图说明

图1为基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置总体结构示意图

图2－I为基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置的油缸活塞结构图；

图2－II为基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置的气缸活塞结构图。

具体实施方式

如图1所示，本减振装置包括缸体吊环1、缸体基座2、油缸3、磁流变液4、油缸活塞5、电磁线圈6、导向阀7、油缸活塞杆8、活塞杆连接板9、活塞杆吊环10、气缸活塞杆11、连通管12、气缸活塞密封13、气缸活塞14、气缸15、氮气16、气阀17等。油缸3和气缸15并排布置。其中油缸3被油缸活塞5和导向阀7一起分为压缩腔A和膨胀腔B，油缸活塞5的外周缠绕有电磁线圈6，与油缸3间的间隙形成阻尼通道，在外加电流作用下，电磁线圈6在阻尼通道中形成可控磁场；电磁线圈6的引线通过油缸活塞杆8中间的通孔（图中未注出）引向装置外，用于可控电流装置的连接；导向阀7安装在所油缸活塞5的上部并在油缸活塞杆8上，用于油缸活塞5的运动导向，其上有磁流变液通过的较大的孔，用于磁流变液在压缩腔A和膨胀腔B之间流动。气缸15被气缸活塞14分成气压腔C和补偿腔D，气缸活塞14由气缸活塞密封13进行密封，从而隔离气压腔C中的氮气与膨胀腔D中的磁流变液。油缸膨胀腔B与气缸补偿腔D之间通过连通管12相连，在连通管12处可以设置阀门，必要时可以关闭实现减振装置的刚性闭锁。通过气阀17可以对气缸气压腔C进行充放气，以适应不同的车辆重量；同时，可以通过气阀17与外部压力调节装置相连，对气压腔C中的压力进行实时控制，从而实现减振装置的刚度控制和车姿的实时控制。气缸活塞14的横截面积等于油缸活塞杆8与气缸活塞杆11的横截面积之和。油缸活塞6、气缸活塞9分别与油缸、气缸间需要必要的密封装置（图中未注明），但由于油缸保持常压力，所以活塞杆的密封要求不高。油缸3和气缸15的下端共同通过缸体基座2固定缸体吊环1，气缸活塞杆11和油缸活塞杆8位于缸体外一端共同通过活塞杆连接板9固定活塞杆吊环11。本减振装置通过缸体吊环1与活塞杆吊环11分别与车辆的簧上质量、簧下质量相连。

图2为基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置活塞结构细节图，其中图2－I为油缸活塞部分，图2－II为气缸活塞部分。油缸活塞部分主要由油缸3、油缸活塞锁紧螺母18、弹性垫圈19、油缸活塞5、电磁线圈6、导向阀7、导向滑环20、阻尼阀片21、油缸活塞杆8组成。其中阻尼通道为油缸活塞5与油缸3之间形成的环形间隙；电磁线圈6引线通过油缸活塞杆8中间的通孔（图中未注出）引向外面，用于阻尼通道磁场控制；为了生成可控磁场，油缸活塞5用软铁等剩磁小的导磁材料制作；阻尼通道中的可控磁场用于实时改变阻尼通道中磁流变液的表观粘度，达到控制阻尼力的目的；导向阀7和导向滑环20一起为油缸活塞杆8提供运动导向，以免运动中活塞与油缸3发生碰撞；导向滑环20由耐磨的聚四氟乙烯材料制成，用于油缸活塞与油缸相对运动时的导向；导向阀中加工有大量通孔，用于磁流变液从压缩腔A到膨胀腔B的通路；阻尼阀片21为超薄金属圆环，用于调节压缩和复原时的阻尼力，实现压缩时阻尼力较小、复原时阻尼力较大的阻尼特性要求，根据需要可以设置多片阻尼阀片。气缸活塞部分则由气缸活塞杆11、气缸活塞锁紧螺母22、弹性垫圈23、活塞密封24、气缸活塞14和气缸15等组成。活塞密封24可以为任何合适的密封件，主要用于密封隔离气压腔C中的氮气和膨胀腔D中的磁流变液，由于气压腔C压力高于补偿腔D中的压力，所以可以设置较为适合的单向密封件；为了减轻重量，活塞14可以采用铝合金等轻质材料。

传统磁流变阻尼器在施加大激励电流时，阻尼通道中磁流变液接近固化，导致磁流变液不能通过而被蓄能器吸收，造成膨胀腔负压，在活塞换向瞬间出现的阻尼力滞后现象称为“空程”现象（部分文献称为“卸载”效应）。由于基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置通过特殊结构设计实现了容积补偿，从而取消了蓄能器，基于磁流变液的不可压缩特性，当向电磁线圈5施加大电流时，磁流变液除了通过阻尼通道而别无流动通路，从而可以避免普通磁流变阻尼器较为普遍存在的“空程”现象。

磁流变可控阻尼实现可以采用但不限于图2－I中表达的磁路结构和磁流变液流动通道，其它磁流变阻尼器的相应结构均可以适用于此。图2－I和图2－II中的油缸活塞、气缸活塞均采用了螺母紧固，在具体实施中可以采用但不限于这种紧固方式。虽然图1、图2-I和图2-II中的活塞杆采用了同样的直径、油缸活塞和气缸活塞位于同样的高度，油缸和气缸采用了同样的直径，但在具体实施中它们可以不同。对于活塞杆面积只需满足其横截面积之和等于气缸活塞横截面积；而气缸活塞高度需要根据车辆需要的刚度特性确定，但是油缸活塞和气缸活塞位置需要满足在平衡位置附近有足够的上下位移空间。气缸直径则决定于需要承载的车辆重量，直径小则需要较高的充气压力，因此总体上气缸直径决定于密封所能承受的最大气压；油缸直径决定于车辆需要的阻尼特性，当活塞阻尼通道两端由于流动导致的压差一定，活塞面积越大则阻尼力越大。为了防止油缸和气缸被外来作用伤害，可以在双缸外加装防护套。

综上，通过特殊的结构设计，基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置油缸压缩腔A、膨胀腔B和气缸补偿腔D内的磁流变液始终保持常压力状态，使阻尼特性和刚度特性互不影响，实现解耦。在此基础上，通过磁流变体的可控阻尼特性实现新型减振装置的可控阻尼，通过外接压力调节装置实现刚度可控特性。

在外接压力调节装置情况下，当车辆处于静止状态时，气压腔压力用于承受车辆的载荷，对气压腔C充气时，将使车高增加，弹簧刚度下降；相反，释放气压腔C中的气体，将使车高下降、弹簧刚度增加。当对车辆安装的此种新型减振装置的气压腔C中的气压实施统一控制时，将实现车高的升降控制，而对车辆悬架4个（或更多）减振装置中的每个装置的气压腔C独立实施充放气控制时，将实现车姿调整功能。

Claims (4)

1.一种基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置，它采用双缸双杆双活塞的结构形式；其特征在于：所述减振装置具有并排布置的油缸和气缸；

所述油缸内由油缸活塞分成上下两个腔，上腔为膨胀腔，下腔为压缩腔，在油缸活塞外周缠绕有电磁线圈，油缸活塞外周与缸体内壁之间留有连通两个腔的阻尼通道，在所述油缸中充满磁流变液，油缸活塞杆一端连接油缸活塞，一端由膨胀腔穿出，电磁线圈的引线通过活塞杆向外引出，通过外加电流激励在阻尼通道位置形成磁场，用于控制磁流变液通过阻尼通道时产生的阻尼力；

所述气缸内也由气缸活塞分成上下两腔，上腔为补偿腔，下腔为气压腔，在所述气压腔内充满惰性气体，所述气缸的补偿腔与油缸的膨胀腔通过管道相连，同时充满磁流变液，气缸活塞杆一端连接气缸活塞杆，另一端由补偿腔穿出；

所述气缸活塞的横截面积等于油缸活塞杆与气缸活塞杆的横截面积之和；

所述油缸和气缸的下端共同通过缸体底座固定缸体吊环，气缸活塞杆和油缸活塞杆位于缸体外一端共同通过活塞杆连接板固定活塞杆吊环。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置，其特征在于：在所述油缸活塞的上部并在油缸活塞杆上设置有导向阀，导向阀的外周与油缸壁之间为间隙配合，在导向阀上开有容磁流变液通过的孔，用于磁流变液在压缩腔A和膨胀腔B之间流动。

3.根据权利要求1或2所述的基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置，其特征在于：所述气缸的补偿腔和油缸间的连接管道上设置有控制阀门。

4.根据权利要求1或2所述的基于磁流变体的解耦型阻尼和刚度可控油气弹簧减振装置，其特征在于：所述气压腔上设置气阀，通过气阀与外接气体压力调节装置相连。

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