可控慣容和阻尼磁流變慣容器裝置及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可控慣容和阻尼的磁流變慣容器裝置及其控制方法，包括缸筒、活塞、活塞桿、細(xì)長管、粗管、磁流變液、開關(guān)閥、MR導(dǎo)體及阻尼孔，本發(fā)明利用磁流變液在外加磁場的作用下，磁流變液的表觀粘度發(fā)生變化的過程是連續(xù)的、無級的、可逆的磁流變效應(yīng)，同時(shí)還利用磁流變液在無外加磁場下具有的低粘度及其在細(xì)長管中流動(dòng)時(shí)具有的慣性效應(yīng)，集兩種效應(yīng)于一個(gè)裝置，本發(fā)明利用開關(guān)閥控制管徑不同、充滿磁流變液的細(xì)長管的“通”和“斷”，有級調(diào)節(jié)慣容大小，同時(shí)，通過外加磁場改變磁流變的粘度，無級調(diào)節(jié)阻尼大小。本發(fā)明滿足了工程上對隔振裝置實(shí)施慣容和阻尼動(dòng)態(tài)組合調(diào)節(jié)的半主動(dòng)控制的要求，方便了安裝與使用，降低了成本，提高了生產(chǎn)效率。
【專利說明】可控慣容和阻尼磁流變慣容器裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種慣容器裝置，特指一種慣容和阻尼可控的磁流變慣容器裝置及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]慣容器能夠改善汽車的操縱穩(wěn)定性和輪胎接地性能，協(xié)調(diào)平順性和操縱穩(wěn)定性，提高火車的乘坐舒適性、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)定性，抑制摩托車轉(zhuǎn)向的擺振現(xiàn)象及由車輛和地震引起的建筑振動(dòng)，還能夠吸收被隔離質(zhì)量的振動(dòng)。因此，慣容器在車輛懸架、轉(zhuǎn)向、建筑隔振、動(dòng)力吸振等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]中國專利CN200810123830.8 和 CN201010281317.9、美國專利 US20090108510和US7316303分別公開了齒輪齒條慣容器和擺線鋼球式慣容器、滾珠絲杠慣容器和油缸一馬達(dá)慣容器，這些慣容器分別依靠齒輪齒條機(jī)構(gòu)和擺線鋼球機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)和油缸一馬達(dá)機(jī)構(gòu)放大飛輪慣性進(jìn)行工作，這類慣容器以封裝飛輪慣性為特征。中國專利CN01241435.2和CN201010510953.4分別公開了杠桿質(zhì)量慣容器和液力發(fā)生式慣容器，這些慣容器分別依靠杠桿質(zhì)量機(jī)構(gòu)和液力發(fā)生裝置放大質(zhì)量元件慣性進(jìn)行工作，這類慣容器以封裝質(zhì)量慣性為特征。由于通過改變質(zhì)量或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)慣容器慣容的大小非常困難，因此上述兩類慣容器裝置的慣容系數(shù)是固定不變的，不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
[0004]磁流變液具有優(yōu)良的可控性、很寬的動(dòng)態(tài)范圍、較高的響應(yīng)速度，很低的功耗，相對簡單的控制方式，因此它在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制、車輛工程中具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是在汽車半主動(dòng)懸架領(lǐng)域，世界發(fā)達(dá)國家的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)投入大量人力物力利用磁流變液開發(fā)阻尼器件及相關(guān)技術(shù)，其中Lord公司的磁流變液和阻尼器已商品化。磁流變技術(shù)在汽車工程中的應(yīng)用給汽車減振系統(tǒng)帶來革命性的進(jìn)步。磁流變阻尼器利用磁流變液在外加磁場的作用下，磁流變液的表觀粘度發(fā)生變化的過程是連續(xù)的、無級的、可逆的磁流變效應(yīng)來無級調(diào)節(jié)阻尼的大小。顯然，現(xiàn)有的磁流變阻尼器僅僅利用了磁流變液的磁流變效應(yīng)，因此只能實(shí)現(xiàn)對阻尼的調(diào)節(jié)與控制。
[0005]隨著半主動(dòng)隔振理論與技術(shù)的快速發(fā)展，工程上迫切需要一種集慣容和阻尼調(diào)節(jié)于一體的裝置，實(shí)現(xiàn)慣容和阻尼的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與控制，滿足隔振裝置以最大功率吸收振動(dòng)能量的需求，從而大幅提高隔振裝置的隔振效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是:克服以封裝飛輪或質(zhì)量慣性為特征的慣容器不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)慣容的缺點(diǎn)，以及磁流變阻尼器只能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)阻尼的不足，提供一種可控慣容和阻尼的磁流變慣容器裝置及其控制方法，實(shí)現(xiàn)慣容和阻尼的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與控制，滿足工程上對隔振裝置實(shí)施慣容和阻尼動(dòng)態(tài)組合調(diào)節(jié)的半主動(dòng)控制的要求，使隔振裝置能以最大功率吸收振動(dòng)能量，從而大幅提高隔振裝置的隔振效果。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:[0008]方案一，一種可控慣容和阻尼的磁流變慣容器裝置，包括缸筒、活塞、活塞桿、細(xì)長管、粗管、磁流變液、開關(guān)閥、MR導(dǎo)體及阻尼孔，所述活塞在缸筒的內(nèi)部，所述活塞把缸筒分為左、右兩個(gè)腔，所述粗管與缸筒的左右兩個(gè)腔的出口直接相連接，所述一組跟管徑不同并聯(lián)連接的細(xì)長管與粗管串聯(lián)連接在一起，所述每根細(xì)長管上布置一個(gè)開關(guān)閥，所述阻尼孔與細(xì)長管串聯(lián)布置，所述MR導(dǎo)體環(huán)繞阻尼孔安裝，所述細(xì)長管、粗管及缸筒的左右腔充滿磁流變液。
[0009]方案二，所述將阻尼孔布置在活塞上，所述阻尼孔與缸筒的左右腔連通，所述MR導(dǎo)體布置于活塞的內(nèi)部，所述MR導(dǎo)體環(huán)繞阻尼孔安裝，所述阻尼孔還與細(xì)長管并聯(lián)布置。
[0010]本發(fā)明的發(fā)明人提出一種對可控慣容和阻尼磁流變慣容器的控制方法，包括以下步驟:由一組開關(guān)閥組合控制相應(yīng)細(xì)長管的通與斷，實(shí)施對一組細(xì)長管等效管徑的控制，實(shí)現(xiàn)對慣容的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與控制，通過控制MR導(dǎo)體中電流的大小，調(diào)節(jié)MR導(dǎo)體磁場的強(qiáng)弱，實(shí)施對流經(jīng)阻尼孔的磁流變液粘度的控制，實(shí)現(xiàn)對阻尼的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與控制。
[0011]本發(fā)明的原理是利用磁流變液在外加磁場的作用下，磁流變液的表觀粘度發(fā)生變化的過程是連續(xù)的、無級的、可逆的磁流變效應(yīng)，同時(shí)還利用磁流變液在無外加磁場下具有的低粘度及其在細(xì)長管中流動(dòng)時(shí)具有的慣性效應(yīng)，集兩種效應(yīng)于一個(gè)裝置。磁流變慣容器用開關(guān)閥控制管徑不同、充滿磁流變液的細(xì)長管的“通”和“斷”，有級調(diào)節(jié)慣容大小，同時(shí)，通過外加磁場改變磁流變的粘度，無級調(diào)節(jié)阻尼大小。
[0012]本發(fā)明不僅解決了以封裝飛輪或質(zhì)量慣性為特征的慣容器不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)慣容的問題，實(shí)現(xiàn)了對慣容的動(dòng)態(tài)控制，而且還克服了磁流變阻尼器只能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)阻尼的不足，實(shí)現(xiàn)了一種裝置既能控制慣容又能控制阻尼的功能，滿足了工程上對隔振裝置實(shí)施慣容和阻尼動(dòng)態(tài)組合調(diào)節(jié)的半主動(dòng)控制的要求，以大幅提高隔振效果，同時(shí)也方便了安裝與使用，降低了成本，提高了生產(chǎn)效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0014]圖1為可控慣容和阻尼磁流變慣容器裝置的阻尼孔與細(xì)長管串聯(lián)關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖(方案一);
[0015]圖2為可控慣容和阻尼磁流變慣容器裝置的阻尼孔與細(xì)長管并聯(lián)關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖(方案二)。
[0016]圖中，1-開關(guān)閥 2-細(xì)長管 3-MR導(dǎo)體 4_粗管 5_活塞桿 6_磁流變液7-活塞8-缸筒9-阻尼孔。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0018]如圖1、2所示，本發(fā)明提供了一種可控慣容和阻尼磁流變慣容器裝置及其控制方法。
[0019]根據(jù)阻尼孔9與細(xì)長管2的串并聯(lián)關(guān)系不同，下面分兩個(gè)實(shí)施例對本發(fā)明加以說明。
[0020]實(shí)施例一[0021]一種可控慣容和阻尼磁流變慣容器裝置，包括缸筒8、活塞7、活塞桿5、細(xì)長管2、粗管4、磁流變液6、開關(guān)閥1、MR導(dǎo)體3及阻尼孔9，所述活塞7在缸筒8的內(nèi)部，所述活塞7把缸筒8分為左、右兩個(gè)腔，所述粗管4與左右兩個(gè)腔的出口直接相連接，所述一組根管徑不同并聯(lián)連接的細(xì)長管2與粗管4串聯(lián)連接在一起，所述每根細(xì)長管2上布置一個(gè)開關(guān)閥I，所述阻尼孔9與細(xì)長管2串聯(lián)布置，所述MR導(dǎo)體3環(huán)繞阻尼孔9安裝，所述細(xì)長管2、粗管4及缸筒8的左右腔充滿磁流變液6。
[0022]實(shí)施例二
[0023]一種可控慣容和阻尼磁流變慣容器裝置，包括缸筒8、活塞7、活塞桿5、細(xì)長管2、粗管4、磁流變液6、開關(guān)閥1、MR導(dǎo)體3及阻尼孔9，所述阻尼孔9布置在活塞7上，所述阻尼孔9與缸筒8的左右腔連通，所述MR導(dǎo)體3布置于活塞7的內(nèi)部，所述MR導(dǎo)體3環(huán)繞阻尼孔9安裝。
[0024]本發(fā)明的發(fā)明人提出一種對可控慣容和阻尼磁流變慣容器的控制方法為:由一組開關(guān)閥I組合控制相應(yīng)細(xì)長管2的通與斷，實(shí)施對一組細(xì)長管2等效管徑的控制，實(shí)現(xiàn)對慣容的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與控制，通過控制MR導(dǎo)體3中電流的大小，調(diào)節(jié)MR導(dǎo)體3磁場的強(qiáng)弱，實(shí)施對流經(jīng)阻尼孔9的磁流變液6粘度的控制，實(shí)現(xiàn)對阻尼的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與控制。
[0025]本發(fā)明中的磁流變慣容器裝置是依據(jù)以下兩個(gè)發(fā)現(xiàn)而設(shè)計(jì)的。第一，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)磁流變從缸體左腔經(jīng)細(xì)長管流向右腔時(shí)產(chǎn)生巨大慣性效應(yīng)；第二，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)通過改變細(xì)長管管徑可以調(diào)節(jié)慣容器的慣容。以上發(fā)現(xiàn)是通過反復(fù)計(jì)算與仿真試驗(yàn)而得到的。
[0026]首先，經(jīng)初步計(jì)算可知磁流變慣容器裝置產(chǎn)生的慣性力為
[0027]F = -(SE/Sr)2ma (I)式中，a為活塞桿相對于缸筒的加速度，m為細(xì)長管中磁流變液的質(zhì)量，Se為缸筒的有效截面積，Sr為細(xì)長管的截面積。
[0028]其次，由式(I)及慣容器的定義可進(jìn)一步推導(dǎo)出慣容系數(shù)為
[0029]b = pLS:/Sr(2)
[0030]式中，P為磁流變液的密度，L為細(xì)長管的長度。
[0031]由式(2)可知慣容系數(shù)與磁流變液的密度、細(xì)長管的長度、缸筒的有效截面積的平方成正比，而與細(xì)長管的截面積成反比。因此，細(xì)長管的長度較長，缸筒的有效截面積較大，而細(xì)長管的截面積很小時(shí)，磁流變液從缸體左腔經(jīng)細(xì)長管流向右腔時(shí)產(chǎn)生巨大慣性效應(yīng)，而且通過改變細(xì)長管管徑，也就是改變變細(xì)長管的截面積，可以調(diào)節(jié)慣容器的慣容。
[0032]最后，對不同長度和管徑的細(xì)長管及不同缸徑的磁流變慣容器進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果見表1。
[0033]表1磁流變慣容器仿真試驗(yàn)
[0034]
【權(quán)利要求】
1.一種可控慣容和阻尼的磁流變慣容器裝置，包括缸筒(8)、活塞(7)、活塞桿(5)、細(xì)長管(2)、粗管(4)、磁流變液(6)、開關(guān)閥(I)、MR導(dǎo)體(3)及阻尼孔(9)，其特征在于:所述活塞(7 )在缸筒(8 )的內(nèi)部，所述活塞(7 )把缸筒(8 )分為左、右兩個(gè)腔，所述粗管(4 )與缸筒(8)的左右兩個(gè)腔的出口直接相連接，所述一組根管徑不同并聯(lián)連接的細(xì)長管(2)與粗管(4)串聯(lián)連接在一起，所述每根細(xì)長管(2)上布置一個(gè)開關(guān)閥(1)，所述阻尼孔(9)與細(xì)長管(2)串聯(lián)布置，所述MR導(dǎo)體(3)環(huán)繞阻尼孔(9)安裝，所述細(xì)長管(2)、粗管(4)及缸筒(8)的左右腔充滿磁流變液(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控慣容和阻尼的磁流變慣容器裝置，其特征在于:所述阻尼孔(9)還與細(xì)長管(2)并聯(lián)布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可控慣容和阻尼的磁流變慣容器裝置，其特征在于:所述阻尼孔(9 )布置在活塞(7 )上，所述阻尼孔(9 )與缸筒(8 )的左右腔連通，所述MR導(dǎo)體(3 )布置于活塞(7)的內(nèi)部，所述MR導(dǎo)體(3)環(huán)繞阻尼孔(9)安裝。
4.一種采用權(quán)利要求1-3所述的裝置對慣容和阻尼磁流變慣容器的控制方法，包括以下步驟:由一組開關(guān)閥(I)組合控制相應(yīng)細(xì)長管(2)的通與斷，實(shí)施對一組細(xì)長管(2)等效管徑的控制，實(shí)現(xiàn)對慣容的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與控制，通過控制MR導(dǎo)體(3)中電流的大小，調(diào)節(jié)MR導(dǎo)體(3)磁場的強(qiáng)弱，實(shí)施對流經(jīng)阻尼孔(9)的磁流變液(6)粘度的控制，實(shí)現(xiàn)對阻尼的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與控制。
【文檔編號】F16F9/53GK103644248SQ201310686427
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】張孝良, 聶佳梅 申請人:江蘇大學(xué)