專利名稱：磁流變流體阻尼器的制作方法
背景本公開內容一般涉及一種磁流變流體阻尼器，更具體地說，涉及一種提供阻尼裝置每單位體積和/或質量增加的剪切界面面積的磁流變流體阻尼器。
磁流變(MR)流體屬于可控流體的類別。這些流體的基本特性是它們能夠在暴露于磁場時在毫秒級時間內從自由流動的線性粘性液體可逆地變?yōu)榫哂锌煽厍姸鹊陌牍腆w。在無外加磁場時，MR流體可近似為牛頓液體。
典型的MR流體是將約20至約40體積％的相對較純的軟鐵顆粒(通常為約3至約5微米)懸浮于諸如礦物油、合成油、水或二元醇的載液中而形成的懸浮液。通常會添加類似于商用潤滑劑中的各種專用添加劑，以便防止重力沉降，促進顆粒懸浮，提高潤滑性，修正粘度，并抑制磨損。MR流體的極限強度取決于懸浮顆粒的飽和磁化度的平方。
由鐵顆粒組成的MR流體在150-250kA/m(1Oe＝80A/m)的外加磁場的作用下通常展現(xiàn)出30-90kPa的最大屈服強度。MR流體對于在制備和使用過程中可能遇到的水分或其它污染物并不十分敏感。另外，因為磁極化機理不受表面活性劑和添加劑的表面化學的影響，所以相對直接簡單的是使MR流體保持穩(wěn)定，以使得盡管存在較大的密度失配，仍可防止顆粒-液體分離。
大多數(shù)裝置采用MR流體的模式是閥式、直剪式或這兩種模式的組合。閥式裝置的實例包括伺服閥、阻尼器和減震器。直剪式裝置的實例包括離合器、制動器和變摩擦減震器。MR阻尼器可以提供的最大沖程力通常取決于MR流體的性質、流型和阻尼器的大小。
然而，目前的MR材料、流型和阻尼器幾何結構所能達到的沖程力范圍還不足以使這些裝置實際用于某些應用，例如碰撞管理應用。對于某些應用來說，每單位體積需要增加的剪切界面，因為這直接增大了有效沖程力。
簡述本文公開一種磁流變阻尼器，其包括圓柱形殼體；設置于所述圓柱形殼體中的磁流變流體；設置于所述圓柱形殼體內且與所述圓柱形殼體滑動嚙合的活塞組件，其限定第一腔室和第二腔室，其中所述活塞組件包括數(shù)個從所述第一腔室延伸到所述第二腔室的圓柱形流體通道和至少一個電磁體；以及與所述電磁體電連通的電源。
在另一實施例中，磁流變阻尼器包括圓柱形殼體；設置于所述圓柱形殼體中的磁流變流體；設置于所述圓柱形殼體內且與所述圓柱形殼體滑動嚙合的活塞組件，其限定笫一腔室和第二腔室，其中所述活塞組件包括開放單元多孔介質和至少一個設置于所述活塞組件中心的電磁體，其中所述多孔介質包括數(shù)個從所述第一腔室延伸到所述第二腔室的流體通道；以及與所述電磁體電連通的電源。
以下各圖和具體實施方式
舉例說明上述及其它特征。
附圖簡述現(xiàn)參照附圖，這些圖是例示性實施例，其中類似元件用類似數(shù)字編號

圖1是磁流變阻尼器的橫截面圖；圖2是圖1中的MR阻尼器的根據一個實施例的活塞組件的端視圖；圖3是圖1中的MR阻尼器的根據第二實施例的活塞組件的端視圖；圖4是圖1中的MR阻尼器的根據第三實施例的活塞組件的端視圖。
詳細說明本文公開一種磁流變流體阻尼器，這里又稱為MR阻尼器。MR阻尼器尤其適合用于需要阻尼控制的應用，在一優(yōu)選實施例中，其采用提供增加的裝置每單位體積的剪切界面面積的設計，由此提高沖程力，從而克服現(xiàn)有技術中所提到的一些問題。如下文將更詳細地論述，本文所述的MR阻尼器優(yōu)選采用開放單元多孔介質的活塞，以便提供多個流體通道。這些流體通道可以具有或可以不具有相同的幾何結構和尺寸。
已知，大的反轉比(tum-up ratio)可以通過減小斷態(tài)力(off-state force)和/或通過提高/增大初始通態(tài)力(on-state force)來獲得。初始通態(tài)力通常取決于MR流體的屈服應力，而后者又主要取決于流體流動間隙中的磁通密度。已發(fā)現(xiàn)，通過增加由流體通道提供的每單位體積的剪切界面面積，可以獲得大的反轉比。
圖1圖解說明流體通道的每單位體積具有增加的剪切界面面積的例示性磁流變(MR)流體阻尼器10的橫截面圖。MR流體阻尼器10包括總體標為12的活塞組件，此活塞組件可滑動地嚙合在圓柱形殼體14內。圓柱形殼體14的兩端用端蓋16、18密封。浮動活塞20設置于殼體14內靠近端蓋18的位置。這樣，活塞組件12便限定了第一腔室22和第二腔室24，這兩個腔室內都充滿了MR流體。由浮動活塞20和殼體端蓋18限定的第三腔室25內充滿惰性氣體。這樣，第三腔室25便和MR流體分隔開。浮動活塞20和其中的惰性氣體在活塞組件12的運動過程中適應變化的桿體積。
活塞組件12附接在空心桿26上，空心桿26在與端蓋16相鄰設置的密封軸承28內滑動。導線20設置于由空心桿26提供的內部區(qū)域內。導線20的一端與活塞組件12內的線圈32電連通。線圈32可以帶有可變電流以產生具有可變且可控的磁通密度的磁場，其磁通密度取決于電流量。這樣，便可以控制設置于活塞組件12內的MR流體的粘度和剪切性質。導線的另一端與用于向線圈32提供電流的電源(圖中未示)電連通，其中電流可以是交流電或直流電，這取決于所需應用。
活塞軸承34安裝在活塞組件12的環(huán)形表面上，以便允許沿圓柱形殼體14的壁平滑的滑動接觸，同時在第一腔室22和第二腔室24之間形成流體密封?；钊M件12進一步包括數(shù)個非同心、非重疊的圓柱形孔36(即，其軸平行于圓柱體本身的軸)，這些孔分別延伸穿過活塞紐件12，以便允許MR流體在第一腔室22和第二腔室24之間流體連通。如圖2中更清楚地展示，圓柱形孔36具有圓形橫截面，從而使得能夠具有比過去的設計大得多的橫截面表面積。圓形流道36的大小和數(shù)量取決于所需應用。為了使反轉比最大化，圓柱形孔36所提供的橫截面積優(yōu)選占活塞組件12的有效橫截面積的至少約30％，更優(yōu)選大于約40％，進一步更優(yōu)選大于50％(理論上限為約78％)。在實際使用中，這可能不大于60％，因為單元壁需要足夠厚度(即，屈服強度)，以便能經受住所施加的負荷。圓柱形孔36所提供的體積增加增大了剪切界面值，由此提高了沖程力。
圓柱形孔36可以由復數(shù)塊環(huán)形板形成，或者可具有單件式構造。在用堆疊排列的環(huán)形板形成活塞組件時，每塊板都包含數(shù)個圓形開口，這些開口經過對準而形成圓柱形孔36。圓柱形孔36的橫截面直徑可以相同或不同，這取決于所需應用。在一替代實施例中，孔36并非圓柱形，而是具有可變直徑，例如是從第一腔室22到第二腔室24直徑逐漸增大的孔，或是在從笫一腔室22延伸到第二腔室24時直徑逐漸減小的孔。這樣，斷態(tài)性質就得以方向性地定向。優(yōu)選地，形成孔36的環(huán)形板是硬質、非磁性材料，例如塑料、不銹鋼、鋁、鎳及類似物。
活塞組件12還可在每一端包括端板40，這些端板的尺寸優(yōu)選設計成覆蓋活塞芯32的各端面，但不會阻礙流體流過孔36。端板40還起到另外一個作用，那就是通過作為活塞芯32與桿26和圓柱體14之間的磁隔離屏障，使漏通量最小化并由此增大初始通態(tài)力，從而使所述數(shù)個圓柱形孔36中的磁場最大化。因此，端板40優(yōu)選由硬質、非磁性材料形成。
圖3圖解說明另一實施例，其中活塞組件包括開放單元多孔結構。在這個特定實施例中，介質的每個單元都包括蜂窩壁結構50，所述蜂窩壁結構具有六邊形開口，但也可設想是任何多邊形開口。開口之間的間距選擇成使得能夠經受住MR流體阻尼器工作時所處的工作壓力和環(huán)境條件。多片蜂窩結構可以堆疊排列以便在其中形成多孔流道52，或者蜂窩結構可以是單件式構造。雖然描繪了蜂窩結構，但流體通道也可包含任何多邊形。每個蜂窩的單元尺寸通常取決于MR流體的類型及其性質。但是，為了使大多數(shù)MR流體類型和應用情況下的沖程力最大化，單元開口尺寸優(yōu)選小于約1毫米。
圖4圖解說明又一用于使沖程力最大化的開放單元多孔結構。在這個實施例中，采用格網60。優(yōu)選地，格網60是無規(guī)或有序硬質、非磁性材料，例如塑料、不銹鋼、鋁、鎳及類似物，并且選擇成能夠經受住MR流體阻尼器工作時所處的工作壓力和環(huán)境條件。格網包括數(shù)個從第一腔室22延伸到第二腔室24的互連流體通道62。
合適的MR流體材料包括但不限于分散于載流體中的鐵磁性或順磁性顆?；蛭⒘?。合適的順磁性顆粒或微粒包括鈰、鉻、鈷、鏑、鉺、銪、釓、鈥、鐵、錳、釹、鎳、鐠、釤、鋱、鈦、鈾、釩和釔的各種化合物，包括其氧化物、氯化物、硫酸鹽、硫化物、氫氧化物和其它有機或無機化合物。優(yōu)選微粒包括鐵、鎳、錳和鈷的合金，其中可以具有或不具有其它非磁性元素；鐵、鎳、錳和鈷與釓的合金；及類似物，例如那些包括鋁、硅、鈷、鎳、釩、鉬、鉻、鎢、錳和/或銅的合金；鐵氧化物，包括Fe2O3和Fe3O4；氮化鐵；碳化鐵；羰基鐵；鎳及鎳合金；鈷及鈷合金；二氧化鉻；不銹鋼；硅鋼；及類似物。合適顆粒的實例包括純鐵粉、還原鐵粉、鐵氧化物粉/純鐵粉混合物和鐵氧化物粉/還原鐵粉混合物。優(yōu)選的磁響應微粒是羰基鐵，優(yōu)選是還原羰基鐵。
粒度應當選擇成使得顆粒在受到磁場作用時展現(xiàn)出多域特性。顆粒的直徑大小可以小于或等于約1000微米，優(yōu)選小于或等于約500微米，更優(yōu)選小于或等于約100微米。顆粒直徑還優(yōu)選大于或等于約0.1微米，更優(yōu)選大于或等于約0.5微米，尤其優(yōu)選大于或等于約10微米。顆粒的用量優(yōu)選介于總組成物的約5.0至約50體積％之間。
合適的載流體包括有機液體，尤其是非極性有機液體。其實例包括(但不限于)硅酮油；礦物油；石蠟油；硅酮共聚物；白油；液壓油；變壓器油；鹵化有機液體，例如氯代烴、鹵代石蠟、全氟聚醚和氟化烴；二酯；聚氧化烯；氟化硅酮；氰基烷基硅氧烷；二醇；合成烴油，包括不飽和及飽和合成烴油；及包含上述流體中的至少一個種流體的組合。
載體成分的粘度優(yōu)選小于或等于約100000厘泊，更優(yōu)選小于或等于約10000厘泊，進一步更優(yōu)選小于或等于約1000厘泊。粘度還優(yōu)選大于或等于約1厘泊，更優(yōu)選大于或等于約250厘泊，尤其優(yōu)選大于或等于約500厘泊。
還可使用含水載流體，尤其是那些包含親水性礦物粘土(例如，膨潤土和鋰蒙脫石)的載流體。含水載流體可包含水、或含有少量極性水混溶性有機溶劑(例如，甲醇、乙醇、丙醇、二甲亞砜、二甲基甲酰胺、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、丙酮、四氫呋喃、乙醚、乙二醇、丙二醇等)的水。極性有機溶劑的用量小于或等于總MR流體的約5.0體積％，優(yōu)選小于或等于約3.0體積％。同時，極性有機溶劑的用量還優(yōu)選大于或等于總MR流體的約0.1體積％，更優(yōu)選大于或等于約1.0體積％。含水載流體的pH值優(yōu)選小于或等于約13，且優(yōu)選小于或等于約9.0。同時，含水載流體的pH值大于或等于約5.0，優(yōu)選大于或等于約8.0。
可使用天然或合成膨潤土或鋰蒙脫石。MR流體中膨潤土或鋰蒙脫石的用量小于或等于總MR流體的約10重量％，優(yōu)選小于或等于約8.0重量％，更優(yōu)選小于或等于約6.0重量％。優(yōu)選地，膨潤土或鋰蒙脫石的用量大于或等于總MR流體的約0.1重量％，更優(yōu)選大于或等于約1.0重量％，尤其優(yōu)選大于或等于約2.0重量％。
MR流體中的可選成分包括粘土、有機粘土、羧酸鹽皂、分散劑、阻蝕劑、潤滑劑、極壓抗磨損添加劑、抗氧化劑、觸變劑和常規(guī)懸浮劑。羧酸鹽皂包括油酸亞鐵、環(huán)烷酸亞鐵、硬脂酸亞鐵、二和三-硬脂酸鋁、硬脂酸鋰、硬脂酸鈣、硬脂酸鋅和硬脂酸鈉；及表面活性劑，例如磺酸酯、磷酸酯、硬脂酸、單油酸甘油酯、倍半油酸脫水山梨醇酯、月桂酸酯、脂肪酸、脂肪醇、氟代脂族聚合酯(fluoroaliphatic polymeric esters)；和鈦酸酯、鋁酸酯和鋯酸酯偶聯(lián)劑；及類似物。還可包括聚烷二醇(例如，聚乙二醇)和部分酯化多元醇。
優(yōu)選微粒是納米顆粒。合適的微粒直徑大小可小于或等于約500納米，優(yōu)選小于或等于約250納米，更優(yōu)選小于或等于約100納米。微粒直徑還優(yōu)選大于或等于約1.0納米，更優(yōu)選大于或等于約10納米，尤其優(yōu)選大于或等于約50納米。微粒的外觀比優(yōu)選為約0.25至約4，其中外觀比定義為長度與等效圓直徑之比。微粒的用量優(yōu)選介于總MR組成的約5至約50體積％之間?；蛘?，顆?？筛笠稽c，例如是微米級顆粒，以便有效地改變磁場中材料的模量性質。然而，更優(yōu)選為納米級顆粒，因為當使用納米級顆粒時，可以通過選擇粒度、粒度分布和顆粒濃度而容易地定制模量性質。
線圈32或替代永磁體所產生的合適的磁場強度的范圍可為大于約0至約1特斯拉(T)。
在阻尼過程中，存在于腔室22或24之一中的MR流體流過由本文公開的各種實施例所提供的所述數(shù)個開口。通過可變地控制流向線圈32的電流來改變流體通道36、52或62中的磁場和磁通量，以便控制MR流體的流動特性，從而實現(xiàn)特定應用所需的阻尼效果?；钊~件中的小電磁體產生垂直于流體流動方向的磁場。重要的是，在阻尼器處于接通狀態(tài)時，所述數(shù)個流體通道36、52或62起到提供增大的阻尼力的作用，由此提供提高的反轉比，同時允許調整力-速度阻尼特性，從而優(yōu)化阻尼，并且提供對(例如)車輛碰撞管理應用的異?？刂?。
雖然上文就例示性實施例描述了本公開內容，但所屬領域的技術人員應了解，在不背離本公開內容的范圍的情況下，可以做出各種變化，并用等價物替換其要素。此外，在不背離其基本范圍的情況下，可以做出各種修改，以便使特定情形或材料適合本公開內容的教示。因此，本公開內容局不是限于如設想用于實施本公開內容的最佳實施方式所公開的特定實施例，而是希望本公開內容包括所有落在隨附權利要求書范圍內的實施例。
權利要求
1.一種磁流變阻尼器，所述阻尼器包括圓柱形殼體；設置于所述圓柱形殼體中的磁流變流體；設置于所述圓柱形殼體內且與所述圓柱形殼體滑動嚙合的活塞組件，其限定第一腔室和第二腔室，其中所述活塞組件包括數(shù)個從所述第一腔室延伸到所述第二腔室的圓柱形流體通道和至少一個電磁體；以及與所述至少一個電磁體電連通的電源。
2.如權利要求1所述的磁流變阻尼器，其特征在于，所述數(shù)個圓柱形流體通道限定至少約30％至約70％的所述活塞組件的橫截面積。
3.如權利要求1所述的磁流變阻尼器，其特征在于，所述圓柱形流體通道由復數(shù)塊堆疊排列的環(huán)形板形成，其中所述復數(shù)塊環(huán)形板中的每塊板都包括數(shù)個圓形開口，這些圓形開口在與所述復數(shù)塊環(huán)形板中的其它板的圓形開口對準時形成所述圓柱形流體通道。
4.如權利要求3所述的磁流變阻尼器，其特征在于，所述復數(shù)塊環(huán)形板中的每塊板都包括所述數(shù)個圓形開口。
5.如權利要求1所述的磁流變阻尼器，其特征在于，所述圓柱形流體通道的直徑從所述第一腔室到所述第二腔室逐漸增大。
6.如權利要求1所述的磁流變阻尼器，其特征在于，所述圓柱形流體通道的直徑從所述第一腔室到所述第二腔室逐漸減小。
7.如權利要求1所述的磁流變阻尼器，其特征在于，進一步包括由第二浮動活塞和所述殼體的一端限定的第三腔室，其中所述第三腔室內充滿惰性氣體。
8.一種磁流變阻尼器，所述阻尼器包括圓柱形殼體；設置于所述圓柱形殼體中的磁流變流體；設置于所述圓柱形殼體內且與所述圓柱形殼體滑動嚙合的活塞組件，其限定第一腔室和第二腔室，其中所述活塞組件包括開放單元多孔介質和至少一個設置于所述活塞組件中心的電磁體，所述多孔介質包含數(shù)個從所述第一腔室延伸到所述第二腔室的流體通道；以及與所述至少一個電磁體電連通的電源。
9.如權利要求8所述的磁流變阻尼器，其特征在于，所述流體通道具有多個圓形或多邊形橫截面的開口。
10.如權利要求8所述的磁流變阻尼器，其特征在于，所述開放單元多孔介質包括復數(shù)塊堆疊排列的薄片，其中每塊薄片都是由非金屬材料制成的具有六邊形開口的剛性格網。
11.如權利要求8所述的磁流變阻尼器，其特征在于，形成于所述開放單元多孔介質中的所述流體通道的橫截面積為約30％至約70％。
12.如權利要求8所述的磁流變阻尼器，其特征在于，所述開放單元多孔介質包括剛性泡沫，所述剛性泡沫包含數(shù)個從所述第一腔室延伸到所述第二腔室的不規(guī)則形狀的流體通道。
13.如權利要求8所述的磁流變阻尼器，其特征在于，所述流體通道具有多個不同大小和/或形狀的開口。
14.如權利要求8所述的磁流變阻尼器，其特征在于，進一步包括由浮動活塞和所述殼體的一端限定的第三腔室，其中所述第三腔室內充滿惰性氣體。
全文摘要
提供一種磁流變阻尼器裝置，其具有裝置每單位體積增加的剪切界面面積，由此提高阻尼器的沖程力。所述阻尼器大體包括圓柱形殼體；設置于所述圓柱形殼體中的磁流變流體；設置于所述圓柱形殼體內且與所述圓柱形殼體滑動嚙合的活塞組件，其限定第一腔室和第二腔室，其中所述活塞組件包括數(shù)個從第一腔室延伸到第二腔室的圓柱形流體通道和電磁體；以及與所述電磁體電連通的電源。
文檔編號F16F9/53GK1871455SQ200480030726
公開日2006年11月29日 申請日期2004年9月9日 優(yōu)先權日2003年10月22日
發(fā)明者A·L·布勞恩, N·L·約翰遜, C·S·納穆杜里 申請人:通用汽車公司