一种具有回中功能的旋转式磁流变减摆器及其减摆方法
阅读说明：本技术 一种具有回中功能的旋转式磁流变减摆器及其减摆方法 (Rotary magneto-rheological shimmy damper with centering function and shimmy damping method thereof ) 是由 郑和洋 孟庆华 慎智勇 康志彬 彭玉东 赵鑫 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有回中功能的旋转式磁流变减摆器及其减摆方法。本发明包括外壳、旋转阻尼模块、泄压补偿模块、外部连接模块和角度传感器。旋转阻尼模块包括移动隔板、第一固定隔板、第二固定隔板、中心旋转轴、第一回位弹簧、第二回位弹簧、储液仓、第一阻尼孔、第二阻尼孔、第一挡板和第二挡板。泄压补偿模块包括储液罐、第一补偿单元和第二补偿单元。储液罐内装有阻尼液；第一补偿单元、第二补偿单元分别控制第一阻尼腔、第二阻尼腔与储液罐之间的通断。本发明通过角度传感器对移动隔板所在位置的检测,动态控制两个补偿单元的通断,从而实现对车轮提供回中的推力,能够有效抑制车轮受摆振的影响发生偏转,提高了行车安全性。(The invention discloses a rotary magneto-rheological shimmy damper with a centering function and a shimmy damping method thereof. The invention comprises a shell, a rotary damping module, a pressure relief compensation module, an external connection module and an angle sensor. The rotary damping module comprises a movable partition plate, a first fixed partition plate, a second fixed partition plate, a central rotating shaft, a first return spring, a second return spring, a liquid storage bin, a first damping hole, a second damping hole, a first baffle plate and a second baffle plate. The pressure relief compensation module comprises a liquid storage tank, a first compensation unit and a second compensation unit. Damping liquid is filled in the liquid storage tank; the first compensation unit and the second compensation unit respectively control the connection and disconnection between the first damping cavity and the liquid storage tank and between the second damping cavity and the liquid storage tank. According to the invention, the on-off of the two compensation units is dynamically controlled by detecting the position of the movable partition plate through the angle sensor, so that the return thrust is provided for the wheel, the deflection of the wheel under the influence of shimmy can be effectively inhibited, and the driving safety is improved.)
技术领域
本发明属于汽车车轮减摆技术领域，具体涉及一种具有回中功能的旋转式磁流变减摆器。
背景技术
汽车的摆振是众多影响汽车行车安全的因素之一。摆振是指汽车在平坦路面上以一定的车速行驶时，车轮绕主销持续振动从而引起车轮摆动的现象。这种振动会通过转向系统反馈回到驾驶员操纵的方向盘上。当振动幅度较大时，驾驶员可能不能立刻控制住方向盘，进而引起车身的摆动，甚至使车辆蛇行前行。因此摆振对于汽车是非常有害的，它使汽车的操纵稳定性变坏，降低行驶的安全可靠性，严重时还会影响汽车的平顺性。
产生汽车前轮摆振现象的原因主要与转向系统、悬架系统和车轮相关。转向系统对车轮摆振的影响主要体现在拉杆的刚度、系统固有阻尼、减振器的阻尼、转向系统干摩擦力矩、转向管柱、万向节、球头副的间隙及与悬架与转向的运动干涉量；悬架系统则主要是由于弹簧、衬套的刚度及减振器匹配不合适导致车轮摆振。当弹簧刚度较小时，容易造成车轮摆振；车轮定位参数主要包括车轮前束角、车轮外倾角、主销内倾角和主销后倾角，其中主销内倾角、车轮前束角对车轮摆振有显著影响。车轮总成主要是由于动平衡超差，造成汽车高速时强迫摆振。车轮总成动平衡超差主要是由于生产制造、轮辋变形、轮胎修补等因素造成。轮毂轴承安装松动或磨损间隙，也会导致车轮摆振。除此之外，轮胎的刚度和阻尼特性参数，也对车轮自激摆振有显著影响。
针对汽车前轮的摆振现象所采取的有效措施，目前多采用被动控制的方法。目前市面上应用最广泛的减摆器为液压减摆器。液压减摆器又分活塞式和旋板式两种类型，其中活塞式应用较为广泛。活塞式减摆器的活塞上有若干阻尼孔。减摆器的缸筒一般铰接在汽车车桥上，同时，连接杆的外端与汽车上的转向横拉杆铰接。缸筒内充满了油液，当前轮左右偏转时，减震支柱外筒通过一个连杆迫使减摆器活塞杆左右移动。因为活塞上开有小孔，所以活塞左右移动必然迫使油液来回流过小孔，产生液体阻尼。操纵前轮转弯时，因为前轮偏转速度较慢，活塞移动速度也较慢，油液流过小孔时产生的阻尼很小，不妨碍前轮转弯操纵。发生摆振时，因为前轮左右高频率振荡，活塞左右移动的速度很快，所以油液流过小孔时产生很大的摩擦阻尼，阻尼机轮的高速偏摆，同时因油液与小孔摩擦产生大量的热，也就是将摆振的能力转换为热量，并通过减摆器筒壁散失掉，从而减弱或消除摆振。此方法的减摆器通用性较差，阻尼工作范围小，且工作中阻尼力不可调，另外对于较大的摆振，必须通过减小节流孔和增大活塞体的形式来实现摆振控制，使得减摆器体积增大，同时因为节流孔很小，在长期使用中容易产生堵塞或失效等故障。
近年来还出现了橡胶减摆器，这种减摆器中没有液压油，只依靠橡胶活塞与减摆器缸筒的摩擦来耗散摆振能量，但橡胶容易受内外因素的综合作用而引起橡胶物理化学性质和机械性能的逐步变坏，老化较快。
发明内容
为了解决上述减摆器阻尼力不可调且容易老化的问题。本发明设计了一种具有回中功能的旋转式磁流变减摆器。
本发明一种具有回中功能的旋转式磁流变减摆器，包括外壳、旋转阻尼模块、泄压补偿模块、外部连接模块和角度传感器。角度传感器检测旋转阻尼模块内的中心旋转轴的转动角度。外部连接模块与旋转阻尼模块内的中心旋转轴连接。所述的旋转阻尼模块包括移动隔板、第一固定隔板、第二固定隔板、永磁体、中心旋转轴、第一回位弹簧、第二回位弹簧、储液仓、第一阻尼孔、第二阻尼孔、第一挡板、第二挡板、充气嘴和双向泄压阀。所述的中心旋转轴支承在外壳的内腔中心位置；移动隔板的一侧边缘与中心旋转轴固定。移动隔板的另一侧边缘抵住外壳的内侧壁；
所述的第一固定隔板和第二固定隔板均固定在外壳的内部；第一固定隔板和第二固定隔板的外侧边缘均抵住外壳的内侧壁，内侧边缘均抵住中心旋转轴；第一固定隔板的内侧边缘均开设有一个或多个第一阻尼孔；第二固定隔板的内侧边缘均开设有一个或多个第二阻尼孔；第一挡板和第二挡板均设置在第一固定隔板与第二固定隔板之间。第一挡板第二挡板的外侧边缘均抵住外壳的内侧壁，内侧边缘均抵住中心旋转轴。第一挡板和第二挡板均与外壳的内腔构成以中心旋转轴的轴线为公共轴线的转动副。移动隔板、第一挡板和第二挡板将外壳的内腔分隔为气体压缩腔、第一阻尼腔和第二阻尼腔。气体压缩腔在第一挡板与第二挡板之间。第一阻尼腔和第二阻尼腔内均设置有阻尼液。
所述的泄压补偿模块包括储液罐、第一补偿单元和第二补偿单元。储液罐内装有阻尼液；第一补偿单元、第二补偿单元分别控制第一阻尼腔、第二阻尼腔与储液罐之间的通断。
作为优选，所述的第一补偿单元和第二补偿单元结构相同，均包括阀体、补偿阀、卸压阀和通断阀。补偿阀、卸压阀和通断阀均安装在阀体上。阀体上设置有与储液仓连通的通液口。通断阀的阀芯与通液口的位置对应。补偿阀和卸压阀的一端均连接到通液口，另一端均连接到对应的第一阻尼腔或第二阻尼腔。补偿阀和卸压阀均采用单向阀，且通液方向相反。所述补偿阀的输入口与通液口连通，输出口与对应的第一阻尼腔或第二阻尼腔连通；卸压阀的输入口与对应的第一阻尼腔或第二阻尼腔连通，输出口与通液口连通。
作为优选，所述的移动隔板上安装有双向泄压阀；双向泄压阀的两个通液口与第一阻尼腔和第二阻尼腔连通。
作为优选，所述的外壳上安装有线圈组。移动隔板上固定有永磁体。所述的阻尼液采用磁流变液。
作为优选，所述的外壳包括内筒、内筒端盖、外筒和外筒端盖。外筒套置在内筒的外侧。外筒的内侧壁与内筒的外侧壁之间留有间隙；线圈组设置在该间隙内。
作为优选，所述的旋转阻尼模块还包括第一回位弹簧和第二回位弹簧。所述第一回位弹簧和第二回位弹簧的一端均与中心旋转轴固定，另一端与第一挡板、第二挡板分别固定。
作为优选，所述的外壳固定在车桥上。所述的外部连接模块包括连接杆和球铰链。旋转阻尼模块内的中心旋转轴的外端与连接杆的一端通过球铰链连接；连接杆的另一端与车辆的转向横拉杆通过球铰链连接。
作为优选，内筒端盖上位于第一固定隔板与第二固定隔板之间的部分开设有圆弧滑槽。第一挡板和第二挡板内侧边缘的两端均设置有凸起块；第一挡板和第二挡板均通过凸起块与内筒端盖上的圆弧滑槽转动连接。
作为优选，所述的第一固定隔板与第二固定隔板成一个锐角。所述外壳的侧面与气体压缩腔对应的位置设置有充气嘴。
该具有回中功能的移动隔板旋转式磁流变减摆器的减摆方法具体如下：
当汽车前轮发生摆振时，振动通过外部连接模块传递至中心旋转轴，带动中心旋转轴上的移动隔板发生旋转。
当角度传感器检测到移动隔板相对于初始中心位置靠近第二阻尼腔一侧，且中心旋转轴的转动速度大于预设值时，第二补偿单元将第二阻尼腔与储液仓断开；第一补偿单元将第一阻尼腔与储液仓连通。此时，移动隔板相对于初始中心位置靠近第二阻尼腔一侧，第二阻尼腔内的阻尼液经过第二阻尼孔推动第二挡板旋转，使得气体压缩腔内的容积减小，压力增大，向移动隔板提供回复到中心位置的力量；同时，阻尼液进出第二阻尼孔的过程中产生阻尼力，对摆振进行抑制。
当角度传感器检测到移动隔板相对于初始中心位置靠近第一阻尼腔一侧，且中心旋转轴的转动速度大于预设值时，第一补偿单元将第一阻尼腔与储液仓断开；第二补偿单元将第二阻尼腔与储液仓连通。此时，移动隔板相对于初始中心位置靠近第一阻尼腔一侧，第一阻尼腔内的阻尼液经过第一阻尼孔推动第一挡板旋转，使得气体压缩腔内的容积减小，压力增大，向移动隔板提供回复到中心位置的力量；同时，阻尼液进出第一阻尼孔的过程中产生阻尼力，对摆振进行抑制。
当第一阻尼腔与第二阻尼腔之间的压力差超过双向泄压阀的开启阈值时，将第一阻尼腔与第二阻尼腔内的阻尼液通过双向泄压阀连通，以此来保证正常转向的稳定可靠。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明通过角度传感器对移动隔板所在位置的检测，动态控制两个补偿单元的通断，从而实现对车轮提供回中的推力，能够有效抑制车轮受摆振的影响发生偏转，提高了行车安全性。此外，本发明在中心旋转轴上设置螺旋弹簧。一方面防止当挡板和内筒组成的内部空间内的气体被压缩时，另一侧挡板发生移动，使得气体压缩不够彻底；另一方面使得当高压气体回推挡板时，能使叶片快速回位。
2、本发明工作过程中，阻尼液的摆振的过程中多次经过阻尼孔，能够更有效地抑制摆振。
3、本发明在外壳的外侧安装线圈，通过隔板移动时在线圈中产生的感应电流来调节磁流变液的黏度，从而实现阻尼力根据摆振剧烈程度的动态调节。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图
图2为本发明的内部结构示意图；
图3为本发明中内筒端盖、固定隔板、挡板的组合示意图；
图4为本发明中内筒端盖、挡板和中心旋转轴的组合示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，一种具有回中功能的旋转式磁流变减摆器，包括外壳Ⅰ、旋转阻尼模块Ⅱ、泄压补偿模块Ⅲ、外部连接模块Ⅳ和角度传感器(图中未示出)。外壳Ⅰ固定在车桥上。外部连接模块Ⅳ包括连接杆23和球铰链24。旋转阻尼模块内的中心旋转轴8的外端与连接杆23的一端通过球铰链24连接；连接杆23的另一端与车辆的转向横拉杆通过球铰链连接。角度传感器采用绝对型编码器，安装在外壳上，输入轴与旋转阻尼模块Ⅱ内的中心旋转轴8固定，从而能够检测中心旋转轴8的当前角度。由于中心旋转轴8与车辆的转向横拉杆构成空间四杆机构，故能够通过中心旋转轴8的当前角度来计算确定车轮的转向角度。
外壳包括内筒2、内筒端盖3、外筒4、外筒端盖5和线圈组6。外筒4套置在内筒2的外侧。外筒4的内侧壁与内筒2的外侧壁之间留有间隙；线圈组6设置在该间隙内；通过调整通入线圈组6的电流大小，能够调节内筒2中的磁场大小。内筒2的两端均通过内筒端盖3封闭；外筒4的两端均通过呈环形的外筒端盖5封闭；内筒2及内筒端盖3均采用耐油液腐蚀的材料；外筒4和外筒端盖5均采用绝缘材料。
如图2、3和4所示，旋转阻尼模块Ⅱ包括移动隔板1、第一固定隔板21、第二固定隔板22、永磁体7、中心旋转轴8、第一回位弹簧9、第二回位弹簧10、储液仓11、第一阻尼孔12、第二阻尼孔13、第一挡板14、第二挡板15、充气嘴16和双向泄压阀26。中心旋转轴8支承在内筒2的内腔中心位置；移动隔板1的一侧边缘与中心旋转轴8固定。移动隔板1的另一侧边缘抵住内筒2的内侧壁；移动隔板1能够随着中心旋转轴8的旋转而翻转。移动隔板1的内侧的夹层中设置有永磁体7。
第一固定隔板21和第二固定隔板22均固定在内筒2；第一固定隔板21和第二固定隔板22的外侧边缘均抵住内筒2的内侧壁，内侧边缘均抵住中心旋转轴8；第一固定隔板21与第二固定隔板22成一个锐角。第一固定隔板21的内侧边缘均开设有多个第一阻尼孔12；第二固定隔板22的内侧边缘均开设有多个第二阻尼孔13；第一挡板14和第二挡板15均设置在第一固定隔板21与第二固定隔板22之间。第一挡板14位于靠近第一固定隔板21的一侧；第二挡板15位于靠近第二固定隔板22的一侧；第一挡板14第二挡板15的外侧边缘均抵住内筒2的内侧壁，内侧边缘均抵住中心旋转轴8。内筒端盖3上位于第一固定隔板21与第二固定隔板22之间的部分开设有圆弧滑槽25。第一挡板14和第二挡板15内侧边缘的两端均设置有凸起块；第一挡板14和第二挡板15均通过凸起块与内筒端盖3上的圆弧滑槽25转动连接。第一回位弹簧9和第二回位弹簧10的一端均与中心旋转轴8固定，另一端与第一挡板14、第二挡板15分别固定，用于在摆振中辅助移动隔板1快速回中。
移动隔板1、第一挡板14和第二挡板15将内筒2的内腔分隔为气体压缩腔29、第一阻尼腔30和第二阻尼腔31。气体压缩腔29在第一挡板14与第二挡板15之间。气体压缩腔29的容积随着第一挡板14和第二挡板15的转动而发生变化。第一阻尼腔30和第二阻尼腔31内均设置有磁流变阻尼液。当移动隔板1转动时，第一阻尼腔30、第二阻尼腔31内的磁流变阻尼液分别能够通过第一固定隔板21上的第一阻尼孔12、第二固定隔板22上的第二阻尼孔13，挤压气体压缩腔29的空间。内筒2的侧面与气体压缩腔29对应的位置设置有充气嘴16，用于调整气体压缩腔29内的初始压力。移动隔板1上安装有双向泄压阀26；双向泄压阀26的两个通液口与第一阻尼腔30和第二阻尼腔31连通。当第一阻尼腔30和第二阻尼腔31内的压力差超过双向泄压阀26限定的压力阈值时，双向泄压阀26开启，从而避免在车辆正常转向时车轮被减摆器限制转向。
泄压补偿模块Ⅲ包括储液罐11、第一补偿单元27和第二补偿单元28。储液罐11焊接固定在外筒4的外侧。第一补偿单元27和第二补偿单元28结构相同，分别安装在第一阻尼腔30、第二阻尼腔31的外侧。
第一补偿单元27和第二补偿单元28结构相同，均包括阀体、补偿阀17、卸压阀18和通断阀19。阀体采用绝缘材料。补偿阀17、卸压阀18和通断阀19均安装在阀体上。阀体上设置有与储液仓11连通的通液口20。通断阀19的阀芯通过电磁铁的通断来控制通液口20的堵塞或导通。补偿阀17和卸压阀18均采用单向阀，且通液方向相反。补偿阀17的输入口与通液口20连通，输出口与对应的第一阻尼腔30或第二阻尼腔31连通；卸压阀18的输入口与对应的第一阻尼腔30或第二阻尼腔31连通，输出口与通液口20连通；
储液仓11中装有磁流变阻尼液；在通断阀19断电，通液口20开启的情况下，当对应的阻尼腔的油压变高时，高油压将会顶开卸压阀18进入储液仓11；当对应的阻尼腔的油压不足时，储液仓11内的液压油将会顶开补偿阀17进入内筒2。初始状态下，第一补偿单元27和第二补偿单元28内的通断阀19均处于断电状态。
该具有回中功能的旋转式磁流变减摆器的工作原理具体如下：
当汽车前轮发生摆振时，振动通过连接杆23传递至中心旋转轴8，带动中心旋转轴8转动，中心旋转轴8带动移动隔板1发生旋转。
当角度传感器检测到移动隔板1相对于初始中心位置靠近第二阻尼腔31一侧，且中心旋转轴8的转动速度大于预设值时，控制器控制第二补偿单元28内的通断阀19通电封闭通液口20，第一补偿单元27内的通断阀19断电开启通液口20。此时移动隔板1相对于初始中心位置靠近第二阻尼腔31一侧，第二阻尼腔31内的阻尼液被推进至第二阻尼孔13，阻尼液推动第二挡板15逆时针旋转，从而使气体压缩腔29内的容积减小；气体压缩腔29内的气体被压缩变成了高压气体，高压气体的高压强将推动第二挡板15顺时针旋转，第二挡板15将之前进入第二阻尼孔13的磁流变阻尼液排回至第二阻尼腔31，磁流变阻尼液进出第二阻尼孔13的过程中均产生阻尼力，使抑制摆振的效果更加明显。在磁流变阻尼液工作的同时，第一回位弹簧9被拉伸，使第一挡板14紧贴在第一固定隔板21上，挡住第一阻尼孔12。第二回位弹簧10被压缩。因此第二挡板15在第二回位弹簧10的作用下顺时针旋转使得移动隔板1迅速返回原来位置，进一步加快回中的速度。该过程中，由于第一阻尼腔30与储液仓11通过第一补偿单元27直接连通，故第一阻尼腔30随着移动隔板1的移动自行从储液仓11中补液或向储液仓11中排液，压力保持稳定。
同理，当角度传感器检测到移动隔板1相对于初始中心位置靠近第一阻尼腔30一侧，且中心旋转轴8的转动速度大于预设值时，控制器控制第一补偿单元27内的通断阀19通电封闭通液口20，第二补偿单元28内的通断阀19断电开启通液口20。此时移动隔板1相对于初始中心位置靠近第一阻尼腔30一侧，移动隔板1将第一阻尼腔30内的磁流变阻尼液通过第一阻尼孔12后，推动第一挡板14顺时针旋转，从而使气体压缩腔29内的容积减小，气体压缩腔29内的气体被压缩变成了高压气体，高压气体的高压强将推动第一挡板14逆时针旋转，第一挡板14将之前进入第一阻尼孔12的磁流变阻尼液排回至第一阻尼腔30，磁流变阻尼液进出第一阻尼孔12的过程中均产生阻尼力，使抑制摆振的效果更加明显。在磁流变阻尼液工作的同时，第二回位弹簧10被拉伸，使第二挡板15紧贴在第二固定隔板22上，挡住第二阻尼孔13。第一回位弹簧9被压缩。因此第一挡板14在第一回位弹簧9的作用下逆时针旋转使得移动隔板1迅速返回原来位置，进一步加快回中的速度。该过程中，由于第二阻尼腔31与储液仓11通过第二补偿单元28直接连通，故第二阻尼腔31随着移动隔板1的移动自行从储液仓11中补液或向储液仓11中排液，压力保持稳定。
移动隔板1内的永磁体7在移动过程中，磁场发生变化，使得线圈组6切割磁感线产生电流，从而使得磁流变阻尼液的黏度增大，移动隔板1转动速度越大，则磁流变阻尼液的黏度也越大，从而根据摆振的剧烈程度对阻尼力的大小进行动态调节，更有效地抑制摆振。
值得说明的是当汽车正常转向时，车轮转向幅度比车轮摆振幅度大，故当车轮带动减摆器移动隔板1逆时针旋转时，旋转程度比车轮摆振时大，此时磁流变阻尼液缓慢进入阻尼孔13推动挡板15的程度也相应变大，会使得气体压缩腔29内压强升高；当气体压缩腔29的压强达到双向泄压阀26的开启阈值时，双向泄压阀26开启，第一阻尼腔30与第二阻尼腔31连通，使得中心旋转轴8能够继续转动，从而避免减摆器阻挡车辆正常转向的情况出现。