专利名称：加压磁流变流体阻尼器的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁流变(MR)流体装置，更具体地涉及具有加压的 MR流体的-兹流变(MR)流体阻尼器。
背景技术：
将MR流体用作为工作介质以产生可控粘性阻尼力的^t流变流体 装置对于减震而言很有应用前景。相比于传统的半主动装置(例如变孔 阻尼器)，MR流体阻尼器响应快速并具有更少的活动部件(只有活塞组 件)，这使得MR流体阻尼器简单而可靠。MR装置良好的适应性还使其在有前景的灵活性上具有新颖的应 用。多种MR装置已被发展而用于不同的应用，例如在健身器材、离合 器和制动器中使用的MR旋转装置；以及在汽车或铁路车辆的悬挂系统 中使用的线性MR装置。通常在MR装置中使用的MR流体是一种可控流体，当受到^t场 作用时，这种可控流体能够在数毫秒内可逆地从粘性液体变为半固体 (流变变化)，并具有可控的屈服强度。普通的MR流体包括三种主要 成分分散的铁磁颗粒、载液和稳定剂。当没有施加磁场时(断开状态)， MR流体像普通的液体一样自由流动。当施加足够强度的磁场时(导通状 态)，铁磁颗粒获得沿着磁场方向排列的偶极矩，从而形成平行于所施 加磁场的直链。因此，这种现象使MR流体凝固，从而导致MR流体的 屈服强度的增加，而且这种现象限制了 MR流体的运动。当所施加》兹场 的强度增加时，流体的屈服强度也增加。 一旦将所施加的磁场除去，MR 流体就会在数毫秒内再次变回到自由流动的液体。普通的MR阻尼器可包括具有活塞杆的活塞组件，该活塞杆在封闭的阻尼器本体的内部滑动，该封闭的阻尼器本体装满MR流体。活 塞杆具有在阻尼器本体内附接于活塞组件的至少 一个末端以及在阻尼 器本体外的至少一个末端。为了根据两个分离的结构之间的相对运动沿活塞杆的方向提供阻 尼力，阻尼器本体和活塞杆的至少一个末端附接于分离的结构。当移 动活塞的位置时，MR流体在MR阻尼器内被迫通过孔从压缩腔室移动 到膨胀腔室。于是，在孔内部的MR流体受到所施加的磁场的作用，该 磁场根据应用而具有不同的大小。磁场由通常位于活塞核心的阶变区域 (staging area)的电》兹电j 各产生。Carlson等人的第5,277,281和第5,878,851号美国专利以及Carlson 的第6,427,813号美国专利公开了不同的MR阻尼器的设计。然而，MR流体阻尼器受力滞后现象的困扰。首先，力滞后现象 是由于在MR流体填充过程中，包含在MR阻尼器内部的气泡而导致 的。其次，该现象是由于MR流体相对较高的粘度而导致的。这两个 因素都将在阻尼器运转过程中造成气穴(cavitation)并使MR阻尼器的 性能下降。因此，需要提供气穴尽量少的MR流体阻尼器。Carlson的专利(USP 6,427,813 )公开了具有蓄电池的MR阻尼器， 其包括用于扩充和抽取MR流体的外部补偿腔室以及充气腔室。虽然 Carlson提到蓄电池能对MR流体进行加压以将任何气穴减到最少，但 是Carlson没有说明如何将气穴减到最少。本文所引用的参考文献通过引用而全部明确地并入本文。发明内容为了克服现有技术中的上述问题，本发明提供了 一种包括压强至 少为1 OOpsi的加压MR流体的磁流变流体装置。本发明的一个方面提供了一种磁流变流体装置，其包括a) 外壳，其包括空腔；b) 移动机械装置，处于所述空腔内，对所述外壳和所述移动机械 装置进行定位，从而限定至少一个工作部分和处于所述空腔内的至少一个腔室；c) 》兹流变流体(MR流体)，其处于所述至少一个工作部分内和 所述腔室内，其中所述MR流体的压强至少为100psi;以及d) ^磁场发生器，其产生^f兹场，以作用于所述工作部分内的所述 MR流体，从而引起所述工作部分内的所述MR流体的流变变化。本发明的另一方面涉及一种用于将磁流变装置的气穴减到最少的 方法，其包括对处于装置内的MR流体以至少100psi的压强进行加压。本发明的又一方面提供了 一种铁路车辆的悬挂系统，其包括根据 本发明在所述铁^各车辆的转向架和车厢本体之间限定的至少 一 个》兹流 变阻尼器。在本发明的示例性实施方式中，MR流体的压强在1 OOpsi和400psi 之间。在本发明的另一示例性实施方式中，MR流体的压强在100psi 和200psi之间。因为与本领域的MR装置相比，如本发明才是供的MR装置能够显 著地将气穴减到最少，所以其具有改进的性能。当在铁路车辆系统中 应用该装置时，其可在更低的摇摆模式下增加阻尼力，而不会影响该 铁路车辆在更高频率、更高的摇摆模式下的性能。此外，根据本发明 的所述装置能够在不同的情况下处理各种震动的移动。
通过用于说明本发明的示例性实施方式的附图及其下述的描述， 将会更好地理解本发明的上述特征和其他优点。其中图1示出了根据本发明的MR阻尼器的侧面部分剖视图； 图2为示出了在不同的加压MR流体下的力滞后现象效应的曲线 图；以及图3至图5分别是利用本发明的MR流体阻尼器的示意性铁路车 辆的仰视图、侧视图和正视图。
具体实施方式
现参照附图，对本发明的一些示例性实施方式进行说明，其中相同的标号表示相同的部件。图1示出了根据本发明的示例性实施方式的MR装置10,特别是 MR阻尼器。MR阻尼器10包括通常由软磁材料(例如低碳钢)制成的外壳或 本体14。在本实施方式中，外壳14提供了柱形空腔140。外壳14在其两端由两个盖子16和16，封闭，盖子16和16，由系 杆20和20，上的系杆螺母18， 18'，18"和18"，束紧(在本实施方式中， 总计有8个系杆螺母和4个系杆，其没有完全地在图1中示出)。它们 被装配在一起以形成部分封闭的隔间。两个圆孔24和24，分别在杆的盖子16和16，的中央形成。孔24 和24，分别容纳可轴向滑动的两个活塞杆30和30，。孔24和24，优选 地包括两个轴承和密封条44和44，，这使得活塞杆可轴向移动并且防 止内部的流体从隔间22泄漏。设置活塞组件12以包围两个活塞杆，从而使活塞组件12与活塞 杆在外壳14内轴向同步滑动。活塞组件12包括通过螺栓或焊接而附 接于两个活塞杆30和30，的活塞头套筒26。在本发明的示例性实施方式中，轴向延伸出外壳14的活塞杆30和 30'的直径相同。因为当活塞杆移动时，在封闭的内部隔间22内的容积没有变化， 所以这种设置的优点在于不需要将杆容积补偿器、蓄电池或其它类似的 装置加入到阻尼器中。在本实施方式中，活塞头套筒26优选地由具有至少一个线轴和三 个线轴28， 28，和28"的软磁材料制造。将分离的活塞头套筒26附接 于活塞杆30和30，以形成活塞组件12,这使得更昂贵的整体式活塞组 件将被代替。这还将产生将传统的活塞式阻尼器改变为MR阻尼器的简 单且成本有效的方法，同时减少了复杂性和中心对准的问题，这将在下 文详述。此外，活塞头套筒具有特别简单的几何结构，在该几何结构中 外部的柱形外壳是^i路的 一部分。活塞组件12将隔间22分为第一流体腔室32和第二流体腔室34。在本发明中设置了垫环36和36，，其附接于两个活塞杆30和30，，并/人活塞头套筒26分别沿活塞杆轴向延伸。垫环被配置为在流体力学上4是供更平滑运动的形状，该形状减少了活塞组件12和MR流体48之 间的阻力，该阻力是由在阻尼器运转过程中流体相对较高的粘度而引起 的。在柱形外壳的内壁(直径)38和活塞套筒26的外径40之间的间 隙形成了工作部分，流体孔42。每个活塞杆30或30，分别具有带螺紋的杆端46或46，。通过对带螺 紋的杆端46和46，中的至少一个进行焊接或紧固的方式，使需要振动控 制的第一结构附接于活塞杆30和30，的至少一端。通过对盖子16和16， 进行焊接或对系杆20或20，进行紧固的方式，使与第一结构相关的第二 结构附接于MR阻尼器的外壳或本体14。当由于振动引起的移动使得活塞杆30和30，从附接于MR阻尼器 本体14的结构移动位置时(即从图1中的右向左移动)，那么MR流 体48被迫通过环形流体孔42从压缩腔室(第一流体腔室32 )流至膨胀 腔室(第二流体腔室34)。当将电流施加到优选的三线轴的缠绕线圈50、 50，和50"上时，将 产生i兹场，因此MR流体48的屈服强度响应于产生的；兹场而增大。可 通过对施加到缠绕线圈50、 50，和50"上的电流进行调制、由感应》兹场 的大小对MR流体48在流体腔室32和34之间的流动进行控制。这样， MR阻尼器10所需的阻尼比率被调制，从而减少附接结构的振动。极片52、 52，、 52"和52"，与柱形本体14的内径38之间的空间形 成了流体作用区域，在该区域中，MR流体48被极化。在本发明的该 示例性实施方式中，为了使感应系数尽量减小并允许附加的磁场存在于 极片52，和52"处，缠绕线圏50, 50，和50，，以交替的方式缠绕。连接 至缠绕线圈50、 50，和50"的电线54优选地通过利用位于装配孔58中 的真空密封56而被密封。然后，电线54通过电线管道60从活塞头套 筒26伸出至带螺紋的杆端46，。为了避免缠绕线圈50、 50，和50"与 MR流体48直接接触，将环氧树脂膏62、62，和62"涂覆在缠绕线圏50、 5 0'和50 "的外径上，从而防止它们被磨损和短路。参照图1，在上述结构中设置一个或多个传感器74以收集被传输至控制器72的信号，控制器72对施加到电线54上的电流进行控制。 控制器72可为本领域的任何控制器。现再次参照图1,在MR流体阻尼器IO的导通状态期间，通过电 磁电路感应的高磁场将使MR流体48极化至较高的屈服应力水平，从 而使MR流体48的作用如同位于由活塞组件12分隔开的两个流体腔 室32和34之间的流体孔42的塞子。因此，环形流体孔42中的MR 流体的作用如同O环形密封，并与活塞组件12—起在柱形外壳14的 内径方向上滑动，而在阻尼器的运转周期过程中不使任何流体通过流 体孔42、从压缩腔室流至膨胀腔室，也不使任何流体通过流体孔从膨 胀腔室流至压缩腔室。这种情况在膨胀腔室中引起气穴并因而引起 MR阻尼器的力滞后现象。由于MR流体相对较高的粘度，因而即使在本领域中特别注意， 也很难将其中所有的气泡和溶解的空气消除。本发明人已经研制出利用MR流体适当的压强消除上述弊端的创造 性的方法及装置。本发明人已经测定，成功的方案是增加密闭的内部隔间22中的 MR流体的压强，从而减少所包含的空气的影响并克服由MR流体48 相对较高的屈服应力引起的密封塞效应。本发明人已经进行了实验，从而根据装置内MR流体的压强确定力 滞后现象的效应。在工作电流为1.5A的情况下，在20mm、 0.1Hz的三 角位移激励下，对根据本发明的具有不同加压流体的MR阻尼器进行了 测试。结果在图2中示出。图2示出了在0、 25、 50、 75和100磅/平方英寸(psi)的条件下 加压的MR流体的力滞后现象效应，参照图2可以看出当MR流体压强 增加时，可减轻力滞后现象。当阻尼器内的MR流体的压强增加到 100psi时，力滞后现象几乎被消除。可以预计，当MR流体的压强保持在1 OOpsi至400psi之间时(优 选为100psi至200psi)， MR阻尼器的性能将较为优良。本发明人还发现，为了防止MR阻尼器10的力滞后现象，在填充 MR流体时需要特别的注意以使所包含的气泡最少。在如图1所示的1示例性实施方式中，在盖子16和16，处分别设置入口 64和出口 64，以 保持流体以 一个方向注入该装置，这将有助于解决该问题。在优选的实施方式中，将入口配置为连接定向阀。在另一个实施 方式中，将定向阀作为入口安装至外壳14，这对于本领域的普通技术 人员而言是容易理解的。定向阀。为了防止MR阻尼器的力滞后现象，在本发明中利用了示例性MR 流体填充配置，其包括手动泵(例如ENERPAC⑧P-142)、两个压力计、 两个快速释放连接器(例如FASTER ANV 14 GAS )等，以对流体腔室 进行加压。通过利用手动泵，MR流体将^皮抽入MR阻尼器中。 一个压 力计用来监控手动泵的出口压强，另一个压力计用来监控MR阻尼器 的内部压强。快速连接器被用于液压系统中以快速连线，而不损失流体 或流体压强。快速连接器由相配合的两半组成插头(阳)部分和连接 器(阴)部分。阴连接器本身作为能够承受高达5000psi的工作压强的定 向阀。首先，MR流体48通过入口/出口 64或64，、穿过通道66或66，被 引入MR阻尼器10中、进入隔间22。当隔间22充满MR流体48时， 将液压定向阀68和液压紧固件70分别紧固至入口/出口 64、 64，，或者 将液压定向阀68和液压紧固件70交换位置亦可。为了使MR阻尼器10 内部包含的气泡最少，使MR阻尼器IO预运行若干个循环并保持若干小 时的稳定。那么，如上所述的MR流体填充过程将重复进行，直到不能 填充进更多的填充物为止。这样可有助于将MR阻尼器内部的气泡减到 最少。最终，为了防止力滞后效应，通过定向阀68对MR阻尼器10内 的MR流体进行加压，而使MR阻尼器10的隔间22加压。对定向阀68 的使用为使用蓄电池提供了简洁且可替换的方案以解决力滞后效应。根据本发明的MR阻尼器被广泛地应用于减震系统，尤其是铁路 车辆的悬挂系统。MR阻尼器IO可被用于替代传统的阻尼器，从而为铁 路悬挂系统提供卓越的性能。实际上，MR阻尼器本体通过盖子16和16' 或者系杆20或20，附接于铁路车辆的第一结构(即转向架)。然后，活塞杆30和30，的至少一端通过带螺紋的杆端46和46，中的至少一端附 接于铁路车辆的第二结构(即车厢本体)。控制器72可用于根据来自 于传感器74的信息通过控制输入电流而控制MR阻尼器10。图3、图4和图5示出了根据本发明的示例性实施方式利用MR 阻尼器78、 78，、 78"和78"，的铁路车辆76。MR阻尼器78和78，附接于车厢本体80和前转向架82之间的次 级悬挂系统内。MR阻尼器78"和78"，附接于车厢本体80和后转向架 84之间的次级悬挂系统内。标号86、 86，和86"分别表示铁路车辆的 纵向(x)、横向(y)和竖直方向(z);标号88、 88，和88"分别表示 铁^各车辆的偏离方向、摇摆方向和倾斜方向。在O'Neill禾口 AVale的"Sem/-Jc"ve iSwx/7eww.ow T/w/ rav&s1 i a// Ke/n'c/e 动產控炎遽获^#丰*的秀求尸中可以找到所采用的控制策略， 其基于对车厢本体的横向绝对速度的测量并与预定的阈值速度相比较。 在本发明的该实施方式中，前转向架82上的车厢本体中央90的横向绝传感器独立地测量。因而，两组MR阻尼器78、 78，和78"、 78'"的阻 尼力将根据每个传感器的测量结果与预定的阈值速度的比较而被独立地控制。虽然为了说明的目的，已经对本发明的上述示例性实施方式进行 了描述，但是本领域的普通技术人员将会理解在不脱离本发明的精神 的情况下，可对本发明进行各种修改、添加和替换，这将是属于权利 要求范围内的。
权利要求
1.一种磁流变流体装置，包括a)外壳，其包括空腔；b)移动机械装置，处于所述空腔内，对所述外壳和所述移动机械装置进行定位，从而限定至少一个工作部分和处于所述空腔内的至少一个腔室；c)磁流变流体(MR流体)，其处于所述至少一个工作部分内和所述腔室内，其中所述MR流体的压强至少为100psi；以及d)磁场发生器，其产生磁场，以作用于所述工作部分内的所述MR流体，从而引起所述工作部分内的所述MR流体的流变变化。
2. 如权利要求l所述的装置，进一步包括流体入口和流体出口 。
3. 如权利要求2所述的装置，其中所述流体入口包括定向阀。
4. 如权利要求3所述的装置，其中所述装置为阻尼器，其包括延 伸出所述外壳的至少一个活塞杆，并且所述移动机械装置为活塞组件， 其包括活塞头套筒，其围绕所述活塞杆附接；以及至少一个垫环，其附接于所述活塞杆并从所述活塞头套筒沿所述活塞杆轴向延伸。
5. 如权利要求4所述的装置，其中配置所述垫环，从而当所述阻 尼器运转时减少在所述活塞组件和所述M R流体之间的阻力。
6. 如权利要求5所述的装置，其中所述装置包括两个直径相同的活塞杆。
7. 如权利要求1所述的装置，其中所述压强的范围是100psi到權psi。
8. 如权利要求2所述的装置，其中所述压强的范围是100psi到 400psi。
9. 如权利要求8所述的装置，其中所述压强的范围是100psi到 200psi。
10. —种用于将磁流变装置的气穴减到最少的方法，包括对处 于装置内的磁流变流体(MR流体)以至少1 OOpsi的压强进行加压。
11. 如权利要求10所述的方法，其中所述压强的范围是100psi 到400psi。
12. 如权利要求10所述的方法，其中所述磁流变装置是设置有入 口和出口的；兹流变阻尼器，并且其中通过连接至所述入口的定向阀提 供所述MR流体。
13. 如权利要求12所述的方法，其中所述方法进一步包括在进行 加压之前，对所述磁流变阻尼器进行预运行，以使无法在所述阻尼器 内填充进更多的填充物。
14. 一种铁路车辆的悬挂系统，包括至少一个设置在所述铁路车 辆的转向架和车厢本体之间的磁流变阻尼器，其中所述磁流变阻尼器 包括a) 外壳，其包括空腔；b) 移动机械装置，处于所述空腔内，对所述外壳和所述移动机械 装置进行定位，从而限定至少一个工作部分和处于所述空腔内的至少 一个腔室；c) 》兹流变流体(MR流体)，其处于所述至少一个工作部分内和所述腔室内，其中所述MR流体的压强至少为1 OOpsi;以及d)》兹场发生器，其产生；兹场，以作用于所述工作部分内的所述 MR流体，乂人而引起所述工作部分内的所述MR流体的流变变化。
15.如权利要求14所述的悬挂系统，进一步包括安装至所述转向 架或所述车厢本体的至少一个传感器，并进一步包括控制器，从而处 理来自于所述传感器的信号并根据所述信号控制所述阻尼器的运转。
全文摘要
本发明提供了一种具有改进性能的磁流变(MR)流体装置，其包括加压的MR流体。本发明还提供了一种用于将普通磁流变装置的气穴减到最少的方法，其包括设置处于装置内的、压强至少为100psi的MR流体。所提供的装置将该装置中的气穴减到最少，并且能够以卓越的性能广泛地应用于铁路车辆悬挂系统中。
文档编号F16F9/53GK101218450SQ200680025261
公开日2008年7月9日 申请日期2006年7月28日 优先权日2005年7月29日
发明者刘耀基, 廖维新 申请人:香港中文大学