CN100476235C - 磁流变流体阻尼器 - Google Patents

Abstract

提供一种磁流变阻尼器装置，其具有装置每单位体积增加的剪切界面面积，由此提高阻尼器的冲程力。所述阻尼器大体包括：圆柱形壳体；设置于所述圆柱形壳体中的磁流变流体；设置于所述圆柱形壳体内且与所述圆柱形壳体滑动啮合的活塞组件，其限定第一腔室和第二腔室，其中所述活塞组件包括数个从第一腔室延伸到第二腔室的圆柱形流体通道和电磁体；以及与所述电磁体电连通的电源。

Description

磁流变流体阻尼器

背景

本公开内容一般涉及一种磁流变流体阻尼器，更具体地说，涉及一种提供阻尼装置每单位体积和/或质量增加的剪切界面面积的磁流变流体阻尼器。

磁流变(MR)流体属于可控流体的类别。这些流体的基本特性是它们能够在暴露于磁场时在毫秒级时间内从自由流动的线性粘性液体可逆地变为具有可控屈服强度的半固体。在无外加磁场时，MR流体可近似为牛顿液体。

典型的MR流体是将约20至约40体积％的相对较纯的软铁颗粒(通常为约3至约5微米)悬浮于诸如矿物油、合成油、水或二元醇的载液中而形成的悬浮液。通常会添加类似于商用润滑剂中的各种专用添加剂，以便防止重力沉降，促进颗粒悬浮，提高润滑性，修正粘度，并抑制磨损。MR流体的极限强度取决于悬浮颗粒的饱和磁化度的平方。

由铁颗粒组成的MR流体在150-250kA/m(1Oe＝80A/m)的外加磁场的作用下通常展现出30-90kPa的最大屈服强度。MR流体对于在制备和使用过程中可能遇到的水分或其它污染物并不十分敏感。另外，因为磁极化机理不受表面活性剂和添加剂的表面化学的影响，所以相对直接简单的是使MR流体保持稳定，以使得尽管存在较大的密度失配，仍可防止颗粒-液体分离。

大多数装置采用MR流体的模式是阀式、直剪式或这两种模式的组合。阀式装置的实例包括伺服阀、阻尼器和减震器。直剪式装置的实例包括离合器、制动器和变摩擦减震器。MR阻尼器可以提供的最大冲程力通常取决于MR流体的性质、流型和阻尼器的大小。

然而，目前的MR材料、流型和阻尼器几何结构所能达到的冲程力范围还不足以使这些装置实际用于某些应用，例如碰撞管理应用。对于某些应用来说，每单位体积需要增加的剪切界面，因为这直接增大了有效冲程力。

简述

本文公开一种磁流变阻尼器，其包括：圆柱形壳体；设置于所述圆柱形壳体中的磁流变流体；设置于所述圆柱形壳体内且与所述圆柱形壳体滑动啮合的活塞组件，其限定第一腔室和第二腔室，其中所述活塞组件包括数个从所述第一腔室延伸到所述第二腔室的圆柱形流体通道和至少一个电磁体；以及与所述电磁体电连通的电源。

在另一实施例中，磁流变阻尼器包括：圆柱形壳体；设置于所述圆柱形壳体中的磁流变流体；设置于所述圆柱形壳体内且与所述圆柱形壳体滑动啮合的活塞组件，其限定第一腔室和第二腔室，其中所述活塞组件包括开放单元多孔介质和至少一个设置于所述活塞组件中心的电磁体，其中所述多孔介质包括数个从所述第一腔室延伸到所述第二腔室的流体通道；以及与所述电磁体电连通的电源。

以下各图和具体实施方式举例说明上述及其它特征。

附图简述

现参照附图，这些图是例示性实施例，其中类似元件用类似数字编号：

图1是磁流变阻尼器的横截面图；

图2是图1中的MR阻尼器的根据一个实旋例的活塞组件的端视图；

图3是图1中的MR阻尼器的根据第二实施例的活塞组件的端视图；

图4是图1中的MR阻尼器的根据第三实旋例的活塞组件的端视图。

详细说明

本文公开一种磁流变流体阻尼器，这里又称为MR阻尼器。MR阻尼器尤其适合用于需要阻尼控制的应用，在一优选实施例中，其采用提供增加的装置每单位体积的剪切界面面积的设计，由此提高冲程力，从而克服现有技术中所提到的一些问题。如下文将更详细地论述，本文所述的MR阻尼器优选采用开放单元多孔介质的活塞，以便提供多个流体通道。这些流体通道可以具有或可以不具有相同的几何结构和尺寸。

已知，大的反转比(turn-up ratio)可以通过减小断态力(off-state force)和/或通过提高/增大初始通态力(on-state force)来获得。初始通态力通常取决于MR流体的屈服应力，而后者又主要取决于流体流动间隙中的磁通密度。已发现，通过增加由流体通道提供的每单位体积的剪切界面面积，可以获得大的反转比。

图1图解说明流体通道的每单位体积具有增加的剪切界面面积的例示性磁流变(MR)流体阻尼器10的横截面图。MR流体阻尼器10包括总体标为12的活塞组件，此活塞组件可滑动地啮合在圆柱形壳体14内。圆柱形壳体14的两端用端盖16、18密封。浮动活塞20设置于壳体14内靠近端盖18的位置。这样，活塞组件12便限定了第一腔室22和第二腔室24，这两个腔室内都充满了MR流体。由浮动活塞20和壳体端盖18限定的第三腔室25内充满惰性气体。这样，第三腔室25便和MR流体分隔开。浮动活塞20和其中的惰性气体在活塞组件12的运动过程中适应变化的杆体积。

活塞组件12附接在空心杆26上，空心杆26在与端盖16相邻设置的密封轴承28内滑动。导线20设置于由空心杆26提供的内部区域内。导线20的一端与活塞组件12内的线圈32电连通。线圈32可以带有可变电流以产生具有可变且可控的磁通密度的磁场，其磁通密度取决于电流量。这样，便可以控制设置于活塞组件12内的MR流体的粘度和剪切性质。导线的另一端与用于向线圈32提供电流的电源(图中未示)电连通，其中电流可以是交流电或直流电，这取决于所需应用。

活塞轴承34安装在活塞组件12的环形表面上，以便允许沿圆柱形壳体14的壁平滑的滑动接触，同时在第一腔室22和第二腔室24之间形成流体密封。活塞组件12进一步包括数个非同心、非重叠的圆柱形孔36(即，其轴平行于圆柱体本身的轴)，这些孔分别延伸穿过活塞组件12，以便允许MR流体在第一腔室22和第二腔室24之间流体连通。如图2中更清楚地展示，圆柱形孔36具有圆形横截面，从而使得能够具有比过去的设计大得多的横截面表面积。圆形流道36的大小和数量取决于所需应用。为了使反转比最大化，圆柱形孔36所提供的横截面积优选占活塞组件12的有效横截面积的至少约30％，更优选大于约40％，进一步更优选大于50％(理论上限为约78％)。在实际使用中，这可能不大于60％,因为单元壁需要足够厚度(即，屈服强度)，以便能经受住所施加的负荷。圆柱形孔36所提供的体积增加增大了剪切界面值，由此提高了冲程力。

圆柱形孔36可以由复数块环形板形成，或者可具有单件式构造。在用堆叠排列的环形板形成活塞组件时，每块板都包含数个圆形开口，这些开口经过对准而形成圆柱形孔36。圆柱形孔36的横截面直径可以相同或不同，这取决于所需应用。在一替代实施例中，孔36并非圆柱形，而是具有可变直径，例如是从第一腔室22到第二腔室24直径逐渐增大的孔，或是在从第一腔室22延伸到第二腔室24时直径逐渐减小的孔。这样，断态性质就得以方向性地定向。优选地，形成孔36的环形板是硬质、非磁性材料，例如塑料、不锈钢、铝、镍及类似物。

活塞组件12还可在每一端包括端板40，这些端板的尺寸优选设计成覆盖活塞芯32的各端面，但不会阻碍流体流过孔36。端板40还起到另外一个作用，那就是通过作为活塞芯32与杆26和圆柱体14之间的磁隔离屏障，使漏通量最小化并由此增大初始通态力，从而使所述数个圆柱形孔36中的磁场最大化。因此，端板40优选由硬质、非磁性材料形成。

图3图解说明另一实施例，其中活塞组件包括开放单元多孔结构。在这个特定实施例中，介质的每个单元都包括蜂窝壁结构50，所述蜂窝壁结构具有六边形开口，但也可设想是任何多边形开口。开口之间的间距选择成使得能够经受住MR流体阻尼器工作时所处的工作压力和环境条件。多片蜂窝结构可以堆叠排列以便在其中形成多孔流道52，或者蜂窝结构可以是单件式构造。虽然描绘了蜂窝结构，但流体通道也可包含任何多边形。每个蜂窝的单元尺寸通常取决于MR流体的类型及其性质。但是，为了使大多数MR流体类型和应用情况下的冲程力最大化，单元开口尺寸优选小于约1毫米。

图4图解说明又一用于使冲程力最大化的开放单元多孔结构。在这个实施例中，采用格网60。优选地，格网60是无规或有序硬质、非磁性材料，例如塑料、不锈钢、铝、镍及类似物，并且选择成能够经受住MR流体阻尼器工作时所处的工作压力和环境条件。格网包括数个从第一腔室22延伸到第二腔室24的互连流体通道62。

合适的MR流体材料包括但不限于分散于载流体中的铁磁性或顺磁性颗粒或微粒。合适的顺磁性颗粒或微粒包括铈、铬、钴、镝、铒、铕、钆、钬、铁、锰、钕、镍、镨、钐、铽、钛、铀、钒和钇的各种化合物，包括其氧化物、氯化物、硫酸盐、硫化物、氢氧化物和其它有机或无机化合物。优选微粒包括：铁、镍、锰和钴的合金，其中可以具有或不具有其它非磁性元素；铁、镍、锰和钴与钆的合金；及类似物，例如那些包括铝、硅、钴、镍、钒、钼、铬、钨、锰和/或铜的合金；铁氧化物，包括Fe2O3和Fe3O4；氮化铁；碳化铁；羰基铁；镍及镍合金；钴及钴合金；二氧化铬；不锈钢；硅钢；及类似物。合适颗粒的实例包括纯铁粉、还原铁粉、铁氧化物粉/纯铁粉混合物和铁氧化物粉/还原铁粉混合物。优选的磁响应微粒是羰基铁，优选是还原羰基铁。

粒度应当选择成使得颗粒在受到磁场作用时展现出多域特性。颗粒的直径大小可以小于或等于约1000微米，优选小于或等于约500微米，更优选小于或等于约100微米。颗粒直径还优选大于或等于约0.1微米，更优选大于或等于约0.5微米，尤其优选大于或等于约10微米。颗粒的用量优选介于总组成物的约5.0至约50体积％之间。

合适的载流体包括有机液体，尤其是非极性有机液体。其实例包括(但不限于)：硅酮油；矿物油；茗蜡油；硅酮共聚物；白油；液压油；变压器油；卤化有机液体，例如氯代烃、卤代石蜡、全氟聚醚和氟化烃；二酯；聚氧化烯；氟化硅酮；氰基烷基硅氧烷；二醇；合成烃油，包括不饱和及饱和合成烃油；及包含上述流体中的至少一个种流体的细合。

载体成分的粘度优选小于或等于约100000厘泊，更优选小于或等于约10000厘泊，进一步更优选小于或等于约1000厘泊。粘度还优选大于或等于约1厘泊，更优选大于或等于约250厘泊，尤其优选大于或等于约500厘泊。

还可使用含水载流体，尤其是那些包含亲水性矿物粘土(例如，膨润土和锂蒙脱石)的载流体。含水载流体可包含水、或含有少量极性水混溶性有机溶剂(例如，甲醇、乙醇、丙醇、二甲亚砜、二甲基甲酰胺、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、丙酮、四氢呋喃、乙醚、乙二醇、丙二醇等)的水。极性有机溶剂的用量小于或等于总MR流体的约5.0体积％，优选小于或等于约3.0体积％。同时，极性有机溶剂的用量还优选大于或等于总MR流体的约0.1体积％，更优选大于或等于约1.0体积％。含水载流体的pH值优选小于或等于约13，且优选小于或等于约9.0。同时，含水载流体的pH值大于或等于约5.0，优选大于或等于约8.0。

可使用天然或合成膨润土或锂蒙脱石。MR流体中膨润土或锂蒙脱石的用量小于或等于总MR流体的约10重量％，优选小于或等于约8.0重量％，更优选小于或等于约6.0重量％。优选地，膨润土或锂蒙脱石的用量大于或等于总MR流体的约0.1重量％，更优选大于或等于约1.0重量％，尤其优选大于或等于约2.0重量％。

MR流体中的可选成分包括粘土、有机粘土、羧酸盐皂、分散剂、阻蚀剂、润滑剂、极压抗磨损添加剂、抗氧化剂、触变剂和常规悬浮剂。羧酸盐皂包括：油酸亚铁、环烷酸亚铁、硬脂酸亚铁、二-和三-硬脂酸铝、硬脂酸锂、硬脂酸钙、硬脂酸锌和硬脂酸钠；及表面活性剂，例如磺酸酯、磷酸酯、硬脂酸、单油酸甘油酯、倍半油酸脱水山梨醇酯、月桂酸酯、脂肪酸、脂肪醇、氟代脂族聚合酯(fluoroaliphatic polymeric esters)；和钛酸酯、铝酸酯和锆酸酯偶联剂；及类似物。还可包括聚烷二醇(例如，聚乙二醇)和部分酯化多元醇。

优选微粒是纳米颗粒。合适的微粒直径大小可小于或等于约500纳米，优选小于或等于约250纳米，更优选小于或等于约100纳米。微粒直径还优选大于或等于约1.0纳米，更优选大于或等于约10纳米，尤其优选大于或等于约50纳米。微粒的外观比优选为约0.25至约4，其中外观比定义为长度与等效圆直径之比。微粒的用量优选介于总MR组成的约5至约50体积％之间。或者，颗粒可更大一点，例如是微米级颗粒，以便有效地改变磁场中材料的模量性质。然而，更优选为纳米级颗粒，因为当使用纳米级颗粒时，可以通过选择粒度、粒度分布和颗粒浓度而容易地定制模量性质。

线圈32或替代永磁体所产生的合适的磁场强度的范围可为大于约0至约1特斯拉(T)。

在阻尼过程中，存在于腔室22或24之一中的MR流体流过由本文公开的各种实施例所提供的所述数个开口。通过可变地控制流向线圈32的电流来改变流体通道36、52或62中的磁场和磁通量，以便控制MR流体的流动特性，从而实现特定应用所需的阻尼效果。活塞组件中的小电磁体产生垂直于流体流动方向的磁场。重要的是，在阻尼器处于接通状态时，所述数个流体通道36、52或62起到提供增大的阻尼力的作用，由此提供提高的反转比，同时允许调整力-速度阻尼特性，从而优化阻尼，并且提供对(例如)车辆碰撞管理应用的异常控制。

虽然上文就例示性实施例描述了本公开内容，但所属领域的技术人员应了解，在不背离本公开内容的范围的情况下，可以做出各种变化，并用等价物替换其要素。此外，在不背离其基本范围的情况下，可以做出各种修改，以便使特定情形或材料适合本公开内容的教示。因此，本公开内容局不是限于如设想用于实施本公开内容的最佳实施方式所公开的特定实施例，而是希望本公开内容包括所有落在随附权利要求书范围内的实施例。

Claims (5)

1.一种磁流变阻尼器，所述阻尼器包括：

圆柱形壳体；

设置于所述圆柱形壳体中的磁流变流体；

设置于所述圆柱形壳体内且与所述圆柱形壳体滑动啮合的活塞组件，其限定第一腔室和第二腔室，其中所述活塞组件包括数个从所述第一腔室延伸到所述第二腔室的圆柱形流体通道和至少一个电磁体，其中，所述圆柱形流体通道由复数块堆叠排列的环形板形成，所述复数块环形板中的每块板都包括数个圆形开口，这些圆形开口在与所述复数块环形板中的其它板的圆形开口对准时形成所述圆柱形流体通道；以及

与所述至少一个电磁体电连通的电源。

2.如权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于，所述数个圆柱形流体通道限定约30％至约70％的所述活塞组件的横截面积。

3.如权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于，所述圆柱形流体通道的直径从所述第一腔室到所述第二腔室逐渐增大。

4.如权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于，所述圆柱形流体通道的直径从所述第一腔室到所述第二腔室逐渐减小。

5.如权利要求1所述的磁流变阻尼器，其特征在于，进一步包括由第二浮动活塞和所述壳体的一端限定的第三腔室，其中所述第三腔室内充满惰性气体。

Images