專利名稱：基于磁流變技術(shù)的汽車碰撞緩沖裝置及緩沖吸能方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于汽車被動(dòng)安全的汽車防護(hù)裝置，具體涉及一種汽車碰撞吸能裝置及緩沖吸能 方法。
技術(shù)背景汽車安全是汽車發(fā)展的永恒課題，而汽車的被動(dòng)安全保護(hù)又是其中最主要的一個(gè)方面。 調(diào)查結(jié)果表明，汽車的主動(dòng)安全性再好，也只能避免5%的事故，因此汽車的被動(dòng)安全性對汽 車安全水平影響比較大。目前的用于提高汽車被動(dòng)安全性的碰撞緩沖裝置根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可 分為三類第一類為結(jié)構(gòu)形式簡單、成本低廉的簡易非金屬材料緩沖裝置；第二類是由橫杠、 內(nèi)襯加強(qiáng)件和樹脂類的泡沫填料等組成；第三類則帶有緩沖減振器， 一般使用氣體和液體混 合的緩沖器。上述第一類的緩沖吸能特性最差，在碰撞時(shí)極易變形，起不到應(yīng)有的保險(xiǎn)作用， 常用于低檔經(jīng)濟(jì)型轎車以減輕重量和降低成本。第二類則通過增加泡沫填料提高吸能特性， 這種緩沖裝置具有一次性特點(diǎn)，碰撞變形后需要更換，多用于中檔轎車上。第三類雖具有較 好的緩沖吸能特性，但也只能針對特定的碰撞條件，不具有自適應(yīng)。這些措施的本質(zhì)都主要 是在碰撞的瞬間降低對駕乘人員的沖擊，但這些沖擊力雖有一定程度的衰減，但絕大部分的 沖擊力仍然被傳遞到車架，因此對車輛與人身雙保險(xiǎn)的汽車碰撞防護(hù)裝置是當(dāng)今汽車被動(dòng)安 全的重點(diǎn)研究方向。美國專利(US6836717B2)提出了一種汽車針對低速碰撞的主動(dòng)能量吸 振系統(tǒng)，但只能變阻尼。國內(nèi)也有專利(CN1222432C, CN1218851C， CN85204644U, CN1217267A ) 采用機(jī)械、液壓或氣壓等方式對碰撞振動(dòng)能量的吸收，但這些只能針對特定的碰撞強(qiáng)度設(shè)計(jì)， 不能根據(jù)碰撞強(qiáng)度的不同自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特性參數(shù)。而近年來發(fā)展起來的磁流變液和磁流 變彈性體，作為兩種智能材料各有特點(diǎn)，磁流變液通常工作于屈服后的狀態(tài)，改變阻尼，磁 流變彈性體只能工作于屈服前的狀態(tài)，調(diào)節(jié)剛度，因此如考慮兩者的耦合效應(yīng)，將其應(yīng)用于 汽車碰撞緩沖裝置中，能夠根據(jù)碰撞強(qiáng)度不同自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的剛度和阻尼，從而降低由于 碰撞造成的損失和傷害。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于磁流變技術(shù)的汽車碰撞緩沖裝置，在汽車碰撞發(fā)生的瞬 間，根據(jù)碰撞速度不同，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)碰撞緩沖系統(tǒng)剛度和阻尼，從而降低碰撞對乘員損傷 和汽車造成的損失。本發(fā)明的目的是采用下述方案來實(shí)現(xiàn)的一種基于磁流變技術(shù)的汽車碰撞緩沖裝置，該裝置包括螺旋彈簧、磁流變緩沖 單元和反饋回路，所述磁流變緩沖單元包括磁流變液變阻尼單元和磁流變彈性體變剛度單 元，所述磁流變液變阻尼單元和所述磁流變彈性體變剛度單元串聯(lián)連接，該磁流變緩沖單元 與所述螺旋彈簧平行置于汽車保險(xiǎn)杠和車架橫梁之間；所述反饋回路由加速度傳感器以及控制器組成，所述加速度傳感器通過信號線與控制器相連，控制器通過控制線與所述磁流變緩沖單元相連；本發(fā)明還提出一種根據(jù)上述磁流變技術(shù)的汽車碰撞緩沖裝置實(shí)現(xiàn)的緩沖吸能方 法，根據(jù)加速度傳感器感知的加速度信號差值與閾值的比較結(jié)果，由控制器自適應(yīng) 調(diào)節(jié)向磁流變緩沖單元輸出控制信號，改變汽車的磁流變緩沖單元的剛度和阻尼，從 而降低碰撞對乘員損傷和汽車的損失。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下1、 通過改變勵(lì)磁線圈中的電流可以控制穿過磁流變彈性體和磁流變液的磁場，從而可 以根據(jù)碰撞強(qiáng)度的不同調(diào)節(jié)緩沖器的剛度和阻尼。2、 磁流變液變阻尼與磁流變彈性體變剛度串聯(lián)布置，自適應(yīng)補(bǔ)償活塞拉伸和壓縮時(shí)由 于活塞桿造成的體積差。3、 當(dāng)碰撞強(qiáng)度不大時(shí)，依靠螺旋彈簧吸收能量，控制器不輸出電流，能量最后耗散于 磁流變阻尼，當(dāng)碰撞強(qiáng)度較大時(shí)，勵(lì)磁鐵心與保險(xiǎn)杠接觸，碰撞能量由磁流變彈性體和螺旋 彈簧吸收，控制器根據(jù)碰撞速度不同，自適應(yīng)地輸出三種不同的電流，改變碰撞緩沖系統(tǒng)的 剛度和阻尼。4、 由于磁流變效應(yīng)明顯，本發(fā)明結(jié)構(gòu)比較緊湊，只需在通過改裝現(xiàn)有的汽車保險(xiǎn)杠即 可，碰撞強(qiáng)度不大時(shí)可重復(fù)利用，因此具有比較高的性價(jià)比?？傊@種裝置能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的剛度和阻尼，充分發(fā)揮磁流變液與磁流變彈性體各 自的特點(diǎn)，在較寬的頻帶下，耗散汽車的碰撞能量。


圖1是汽車碰撞緩沖裝置與汽車之間的安裝及結(jié)構(gòu)示意圖；圖中l(wèi)-汽車保險(xiǎn)杠、2-第一法蘭盤、3-螺旋彈簧、4-勵(lì)磁鐵心、5-活塞、6-活塞桿、 7-缸簡、8-第二法蘭盤、9-控制器、10-第一加速度傳感器、11-磁流變液、12-第一勵(lì)磁線 圏、13-磁流變彈性體、14-第二勵(lì)磁線圏、15-第二加速度傳感器。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一 步闡述本發(fā)明首先公開了一種基于磁流變技術(shù)的汽車碰撞緩沖裝置，該裝置包括螺旋彈 簧3、磁流變緩沖單元和反饋回路，所述磁流變緩沖單元包括磁流變液變阻尼單元和磁 流變彈性體變剛度單元，所述磁流變液變阻尼單元和所述磁流變彈性體變剛度單元串聯(lián)連 接，該磁流變緩沖單元與所述螺旋彈簧3平行置于汽車保險(xiǎn)杠1和車架橫梁之間；所 述反饋回路由分別設(shè)置在磁流變液變阻尼單元前方和后方的第一加速度傳感器15和第二加 速度傳感器10以及控制器9組成，所述第一加速度傳感器15和第二加速度傳感器10通過 信號線與控制器9相連，控制器9通過控制線與所述磁流變緩沖單元相連；根據(jù)第一加速度 傳感器15和第二加速度傳感器10感知的加速度信號差值與闊值的比較結(jié)果，由控制 器自適應(yīng)調(diào)節(jié)向磁流變緩沖單元輸出控制信號，改變汽車的碰撞緩沖系統(tǒng)的剛度和 阻尼，從而降低碰撞對乘員損傷和汽車的損失。如圖l所示，本發(fā)明所涉及的汽車碰撞緩沖器包括汽車保險(xiǎn)杠l、通過法蘭盤安裝在保 險(xiǎn)杠與車架橫梁之間螺旋彈簧3、磁流變緩沖器以及反饋回路，磁流變緩沖器由安裝在磁 流變液變阻尼單元前端的勵(lì)磁鐵心4、活塞5、活塞桿6、缸簡7、磁流變液ll、繞制于活 塞的第一勵(lì)磁線圈12、磁流變彈性體13以及纏繞在勵(lì)磁鐵心4上的第二勵(lì)磁線圈14組成， 反饋回路由第一加速度傳感器10、第二加速度傳感器15以及控制器9組成。螺旋彈簧3固 定在與保險(xiǎn)杠連接的第一法蘭盤2和與車架橫梁連接的第二法蘭盤8之間。缸簡7、活塞5、活塞桿6、第一勵(lì)磁線圈12構(gòu)成一個(gè)變阻尼單元，活塞桿的上端固定在第二法蘭盤8上；在缸簡7內(nèi)底部布置勵(lì)磁鐵心4和第二勵(lì)磁線圈14, 并在缸簡7和勵(lì)磁鐵心4之間布置磁流變彈性體13構(gòu)成變剛度單元，磁流變液變阻 尼單元與磁流變彈性體變剛度單元形成串聯(lián)布置。第一加速度傳感器15設(shè)置在第一法蘭盤2中心位置上；第二加速度傳感器10 設(shè)置在活塞桿7與車架的連接處。第一加速度傳感器IO和第二加速度傳感器15 的信號線，以及第一勵(lì)磁線圏12和第二勵(lì)磁線圈14的控制線分別連接控制器9。本發(fā)明還提出一種根據(jù)上述磁流變技術(shù)的汽車碰撞緩沖裝置實(shí)現(xiàn)的緩沖吸能方法，根據(jù) 第一加速度15和第二加速度10感知的加速度信號差值與閾值的比較結(jié)果，由控制器自適應(yīng) 調(diào)節(jié)向磁流變緩沖單元輸出控制信號，改變汽車的碰撞緩沖系統(tǒng)的剛度和阻尼，從而降低碰 撞對乘員損傷和汽車的損失。下面通過列舉具體數(shù)字對本方法進(jìn)行說明。控制器9在汽車碰撞發(fā)生的瞬間，計(jì)算置于保險(xiǎn)杠的第二加速度傳感器15與 置于車架的第一加速度傳感器10感知的加速度信號差值與控制器事先設(shè)置的最大 值之比，如果加速度信號差值與閩值的比值介于0~1/9，依靠螺旋彈簧吸收能量，控制 器不輸出控制信號，如果比值介于1/9~1/3,控制器輸出最大幅值電流的1/3至第一 勵(lì)磁線圈12和第二勵(lì)磁線圈14,如果比值介于1/3-2/3,控制器輸出最大幅值電 流的2/3至第一勵(lì)磁線圈12和第二勵(lì)磁線圈14,如果比值介于2/3 1,控制器輸 出最大幅值電流至第一勵(lì)磁線圈12和第二勵(lì)磁線圈14,改變碰撞緩沖系統(tǒng)的剛度 和阻尼，從而降低碰撞對乘員和汽車造成的損傷。碰撞結(jié)束后，控制器發(fā)出斷電指令， 磁流變彈性體和螺旋彈簧原形，活塞恢復(fù)到初始狀態(tài)。本發(fā)明按照較佳實(shí)施特例進(jìn)行了說明，但是本發(fā)明并不僅限于上述實(shí)施例，凡 是符合本申請的發(fā)明精神，采用等同替換或等效變換(如變剛度單元和變阻尼單元 并聯(lián))的形式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種基于磁流變技術(shù)的汽車碰撞緩沖裝置，該裝置包括螺旋彈簧(3)、磁流變緩沖單元和反饋回路，其特征為所述磁流變緩沖單元包括磁流變液變阻尼單元和磁流變彈性體變剛度單元，所述磁流變液變阻尼單元和所述磁流變彈性體變剛度單元串聯(lián)連接，該磁流變緩沖單元與所述螺旋彈簧(3)平行置于汽車保險(xiǎn)杠(1)和車架橫梁之間；所述反饋回路由第一加速度傳感器(15)和第二加速度傳感器(10)以及控制器(9)組成，所述第一加速度傳感器(15)和第二加速度傳感器(10)通過信號線與控制器(9)相連，控制器(9)通過控制線與所述磁流變緩沖單元相連；根據(jù)第一加速度傳感器(15)和第二加速度傳感器(10)感知的加速度信號差值與閾值的比較結(jié)果，由控制器自適應(yīng)調(diào)節(jié)向磁流變緩沖單元輸出控制信號，改變汽車的磁流變緩沖單元的剛度和阻尼，從而降低碰撞對乘員損傷和汽車的損失。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的汽車碰撞緩沖裝置，其特征為 所述磁流變液變阻尼單元由缸簡(7)、配置于缸簡(7)內(nèi)的活塞(5)、連接于活塞(5)頂部的活塞桿(6)、缸簡(7)內(nèi)的磁流變液(11)以及繞制于活塞上的第一 勵(lì)磁線圈(12)組成，活塞桿(6)的另一端與車架橫梁連接，磁流變液變阻尼單元 的缸簡(7)底部與保險(xiǎn)杠之間留有距離；所述磁流變彈性體變剛度單元設(shè)置于缸簡(7)底部，由布置于缸簡(7 )和勵(lì)磁鐵心 (4)之間的磁流變彈性體(13)以及纏繞在勵(lì)磁鐵心(4)上的第二勵(lì)磁線圈(14) 構(gòu)成，所述勵(lì)磁鐵心(4)安裝在磁流變液變阻尼單元的前端。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的汽車碰撞緩沖裝置，其特征為所述磁流變緩沖單 元以及所述螺旋彈簧(3)安裝于汽車保險(xiǎn)杠(1)和車架橫梁之間，該磁流變緩沖單 元通過活塞桿(6)固定在車架橫梁上的第二法蘭盤(8)與車架橫梁連接，所述螺旋彈 簧(3)通過固定在汽車保險(xiǎn)杠(1)上第一法蘭盤(2)和固定在車架橫梁上的第 二法蘭盤(8)分別與汽車保險(xiǎn)杠(1)和車架橫梁連接，所述磁流變緩沖單元平行置 于螺旋彈簧(3)內(nèi)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的汽車碰撞緩沖裝置，其特征為所述第一加速度傳感器 (15)設(shè)置在第一法蘭盤(2)中心位置上，第二加速度傳感器(10)設(shè)置在活塞桿(6)與第二法蘭盤(8)連接的位置處，所述的加速度信號差值為第一加速度傳感 器(15)所感知的加速度信號與第二加速度傳感器(10)所感知的加速度信號差值的絕對值。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的汽車碰撞緩沖裝置，其特征為由控制器(9)向 磁流變緩沖單元輸出的所述控制信號為輸入至第一勵(lì)磁線圈(12)以及第二勵(lì)磁線 圈(14 )的勵(lì)磁電流信號。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的汽車碰撞緩沖裝置，其特征為控制器(9)分大、中、 小三級自適應(yīng)調(diào)節(jié)輸入給第一勵(lì)磁線圈(12)、第二勵(lì)磁線圏(14)的勵(lì)磁電流信號
7、 一種基于磁流變技術(shù)的汽車碰撞緩沖吸能方法，該方法通過螺旋彈簧(3)、磁 流變緩沖單元和反饋回路實(shí)現(xiàn)，其特征為所述磁流變緩沖單元包括磁流變液變阻尼單元和磁流變彈性體變剛度單元，所述磁流變 液變阻尼單元和所述磁流變彈性體變剛度單元串聯(lián)連接，該磁流變緩沖單元與所述螺旋彈 簧(3)平行置于汽車保險(xiǎn)杠(1)和車架橫梁之間，螺旋彈簧(3)連接于汽車保 險(xiǎn)杠(1)和車架橫梁之間，磁流變緩沖單元只與車架橫梁，并與汽車保險(xiǎn)杠(l)之 間留有距離；所述反饋回路由分別設(shè)置在磁流變液變阻尼單元前方和后方的第一加速度傳感器(15) 和第二加速度傳感器(10)以及控制器(9)組成，所述第一加速度傳感器(15)和第二加 速度傳感器(10)通過信號線與控制器(9)相連，控制器(9)通過控制線與所述磁流變緩 沖單元相連；根據(jù)第一加速度傳感器(15)和第二加速度傳感器(10)感知的加速度信號差值與 閾值的比較結(jié)果，由控制器(9)自適應(yīng)調(diào)節(jié)向磁流變緩沖單元輸出控制信號，改變 汽車的磁流變緩沖單元的剛度和阻尼，從而降低碰撞對乘員損傷和汽車的損失。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征為所述的加速度信號差值為第一加速度傳感器(15)所感知的加速度信號與第二加速度傳感器(10)所感知的加速度信號差值的 絕對值；由控制器(9)向磁流變緩沖單元輸出所述控制信號為輸入至第一勵(lì)磁線圈 (12)以及第二勵(lì)磁線圈(14)的勵(lì)磁電流信號。 9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征為當(dāng)加速度信號差值與闊值的比值介于0~1/9,屬于碰撞強(qiáng)度不大的情況，依靠 螺旋彈簧吸收能量，控制器不輸出控制信號；當(dāng)加速度信號差值與閾值的比值介于1/9~1/3,控制器(9)輸出最大幅值電流 的1/3至第一勵(lì)磁線圈(12)和第二勵(lì)磁線圏(14);當(dāng)加速度信號差值與闊值的比值介于1/3-2/3,控制器(9)輸出最大幅值電流 的2/3至第一勵(lì)磁線圏(12)和第二勵(lì)磁線圏(14);當(dāng)加速度信號差值與閾值的比值介于2/3~1,控制器(9)輸出最大幅值電流至 第一勵(lì)磁線圈(12)和第二勵(lì)磁線圈(M)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于磁流變技術(shù)的汽車碰撞緩沖裝置及緩沖吸能方法，緩沖裝置包括汽車保險(xiǎn)杠、通過法蘭盤安裝在保險(xiǎn)杠與車架橫梁之間的磁流變緩沖器以及反饋回路，其中磁流變緩沖器由螺旋彈簧、勵(lì)磁鐵心、活塞、活塞桿、缸筒、磁流變液、第一勵(lì)磁線圈、磁流變彈性體以及第二勵(lì)磁線圈組成，反饋回路由第一加速度傳感器、第二加速度傳感器以及控制器組成，控制器在汽車碰撞發(fā)生的瞬間，判斷加速度傳感器加速度信號差值是否超過設(shè)定閾值，并根據(jù)碰撞的速度不同，自適應(yīng)調(diào)節(jié)輸出至第一勵(lì)磁線圈和第二勵(lì)磁線圈的電流，改變汽車的碰撞緩沖系統(tǒng)的剛度和阻尼，從而降低碰撞對乘員損傷和汽車的損失。
文檔編號B60R21/0132GK101249820SQ20081006955
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者淼 余, 廖昌榮, 董小閔, 陳偉民 申請人:重慶大學(xué)