一种自供能量式车辆减振装置及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于车辆减振装置技术领域，具体涉及一种自供能量式车辆减振装置及其 控制方法。
【背景技术】
[0002] 磁流变液是一种理想的智能材料，它在磁场的作用下可以在短时间内由流动良好 的液体变为粘性流体，具有一定的屈服特性，其屈服强度随磁场强度的增加而增加，应用磁 流变液的这一特性制造的磁流变阻尼器，在外加磁场的作用下，其阻尼特性具有变化范围 大，容易控制等优点，配合一定的控制策略，磁流变阻尼器能成为一种性能优良理想的半主 动控制阻尼器，同现有的阻尼器相比，可以通过实时控制通入励磁线圈中的电流达到控制 阻尼力的目的。
[0003] 由于磁流变阻尼器具有响应快、阻尼力大、能量需求小、机构简单、耐久性好的特 点，即使在控制系统失效的情况下仍可充当被动控制器件，具有很强的可靠性、实用性。可 以广泛应用于各种车辆、直升机、健身器械、土木建筑、大跨结构（架、梁、桥）等处，而且，磁 流变液体的剪切屈服应力是电流变材料剪切屈服应力的38~50倍，这样，磁流变器件可以 比电流变器件体积要小得多，对杂质影响不敏感。但是，其还是一种半主动控制装置，需要 消耗一部分能量，限制了磁流变阻尼器的推广，为了解决这一问题，有人提出了自供能量式 磁流变阻尼器，结构上虽然有点简单，但是响应慢、可靠性差、能耗大、提供的所需实时阻尼 力不足、自供能量有限等缺陷。
[0004] 例如申请号为201310471102. 7的中国发明专利公开了一种自供电磁流变阻尼 器，该自供电阻尼器主要包括缸筒、定位筒、补偿单元、空心线圈和永磁体等，其补偿单元设 置在定位筒内，空心线圈设置在定位筒下腔体内，永磁体设置在空心线圈的内腔并与补偿 单元固定，一方面，由于补偿单元存在滞后现象，与其固定当活塞往复运动时，补偿单元带 动永磁体在空心线圈的内腔往复运动将机械能转化为的电能，不但不稳定而且不能满足其 阻尼器自身的能量需求，另一面，永磁体切割磁感线产生的磁场对磁流变液产生干涉影响， 同时其设计的磁流变液流动式所通过的磁场路径较短，不能更好的提供发挥作用所需的有 效磁场，又例如申请号为200910103744. 5的中国发明专利申请公开了一种自供电磁流变 阻尼器，其通过阻尼器运动时磁流变液对多个叶片的冲刷把直线运动转变为蝶形转子的转 动、从而改变蝶形转子上线圈的磁通量即磁场强度的变化，实现机械能向电能的转化，但是 该结构的叶片必须加工成特殊的形状，加工复杂，同时由于所处环境原因，其所受离心力作 用的大小有限，造成叶片转速受限，能量转化效率较低，也不能满足所需电能的需求，其励 磁线圈产生的磁场利用率有限。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构紧 凑、设计新颖合理、实现方便、馈能效率高、工作稳定性和可靠性高、能够实时输出所需阻尼 力、使减振时处于最佳的状态、实用性强，使用前景广阔、便于推广使用的自供能量式车辆 减振装置。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种自供能量式车辆减振装置， 其特征在于：包括减振装置本体和减振装置控制器，所述减振装置本体包括第一缸体和从 下到上穿过第一缸体的活塞杆，以及压电发电单元、传力弹簧单元、磁流变阻尼单元和电磁 感应单元；
[0007] 所述压电发电单元包括设置在第一缸体内底部且通过双面粘性薄铁板相间粘接 的多个压电模块，每个所述压电模块中均镶嵌有多个压电振子；位于最底层的压电模块通 过双面粘性薄铁板与第一缸体的内底壁粘接；
[0008] 所述传力弹簧单元包括间隔设置在第一缸体内上部的上弹簧压板和下弹簧压板， 所述下弹簧压板的底面通过双面粘性薄铁板与位于最顶层的压电模块粘接，所述下弹簧压 板的顶部固定连接有下弹簧卡座，所述上弹簧压板的底部固定连接有上弹簧卡座，所述上 弹簧卡座与下弹簧卡座之间设置有传力弹簧，所述传力弹簧的上端与上弹簧卡座固定连 接，所述传力弹簧的下端与下弹簧卡座固定连接；
[0009] 所述磁流变阻尼单元包括固定连接在上弹簧压板顶部的外缸筒和套装在外缸筒 内部的内缸筒，所述外缸筒的下端、上弹簧压板和上弹簧卡座通过第一滑动轴承滑动连接 在活塞杆中部，所述外缸筒内下部设置有蓄能缓冲隔板和固定连接在蓄能缓冲隔板顶部的 下密封端盖，所述蓄能缓冲隔板与外缸筒内底壁之间的空间为蓄能缓冲腔，所述蓄能缓冲 隔板和下密封端盖通过第二滑动轴承滑动连接在活塞杆中部，所述外缸筒内上部设置有与 外缸筒内顶壁固定连接的上密封端盖，所述外缸筒顶部固定连接有罩在外缸筒外部的永磁 体保护罩，所述外缸筒的上端、永磁体保护罩的上端和上密封端盖通过第三滑动轴承滑动 连接在活塞杆上部，所述外缸筒内位于上密封端盖与下密封端盖之间的空腔为填充有磁流 变液的磁流变阻尼腔，所述内缸筒将所述磁流变阻尼腔分隔为了位于内缸筒的外壁与外缸 筒的内壁之间的外磁流变阻尼腔和位于内缸筒的内壁与活塞杆之间的内磁流变阻尼腔，所 述内缸筒顶部与上密封端盖底部之间设置有上阻尼通道，所述内缸筒底部与下密封端盖顶 部之间设置有下阻尼通道，所述内缸筒的顶部外壁上和底部外壁上均缠绕有励磁线圈，所 述活塞杆上部固定连接有位于内磁流变阻尼腔内的活塞；
[0010] 所述电磁感应单元包括紧贴外缸筒的外壁套装在外缸筒外部的防漏磁套和固定 连接在第一缸体顶部的第二缸体，所述第二缸体罩在永磁体保护罩内，所述防漏磁套的外 壁与第二缸体的内壁之间设置有间隙，所述第二缸体的内壁上间隔设置有多个永磁体，所 述防漏磁套的外壁上缠绕有电磁感应线圈；
[0011] 所述活塞杆的底部固定连接有下吊环，所述永磁体保护罩的顶部固定连接有支撑 座，所述支撑座的顶部固定连接有上吊环；所述减振装置控制器的输入端接有用于对簧载 质量位移进行检测的簧载质量位移传感器和用于对非簧载质量位移进行检测的非簧载质 量位移传感器，所述永磁体保护罩的外壁上设置有控制盒，所述减振装置控制器设置在控 制盒内，所述控制盒内还设置有第一整流器、第二整流器、用于为车载蓄电池充电的蓄电池 充电电路和用于为励磁线圈提供稳定的输入电流的可控恒流源电路，所述第一整流器的输 出端和第二整流器的输出端均与蓄电池充电电路连接，所述车载蓄电池与蓄电池充电电路 的输出端连接，所述可控恒流源电路与车载蓄电池的输出端和减振装置控制器的输出端连 接，所述励磁线圈与可控恒流源电路的输出端连接，所述第一整流器的输入端与串联后的 多个压电振子连接，所述第二整流器的输入端与电磁感应线圈连接。
[0012] 上述的一种自供能量式车辆减振装置，其特征在于：所述活塞杆的轴向中心设置 有供连接第一整流器的输入端与串联后的多个压电振子的导线穿过的活塞杆中心孔，所述 活塞杆的下部开有与活塞杆中心孔相连通且供连接第一整流器的输入端与串联后的多个 压电振子的导线穿过的活塞杆过线孔；所述永磁体保护罩上端开有供连接励磁线圈与可控 恒流源电路的输出端的导线穿过的第一保护罩过线孔，以及供连接第二整流器的输入端与 电磁感应线圈的导线穿过的第二保护罩过线孔。
[0013] 上述的一种自供能量式车辆减振装置，其特征在于：所述第二缸体的内径大于第 一缸体的内径。
[0014] 上述的一种自供能量式车辆减振装置，其特征在于：所述压电模块的数量为三个， 所述压电模块的形状为圆柱形，每个所述压电模块中均镶嵌有十二个压电振子，十二个压 电振子分两组后以压电模块的几何中心为圆心呈环形均匀布设。
[0015] 上述的一种自供能量式车辆减振装置，其特征在于：所述双面粘性薄铁板的厚度 为 0· 15mm ~0· 5mm〇
[0016] 本发明还提供了一种能够实时地调节控制参数、使减振时处于最佳的状态、实用 性强的自供能量式车辆减振装置的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0017] 步骤一、当车辆行驶在不平路面上时，上吊环与下吊环产生相对运动，上吊环运动 带动支撑座一块运动，从而带动所述磁流变阻尼模块运动，此时内磁流变阻尼腔的上下体 积发生变化，当所述磁流变阻尼模块向下运动时，内磁流变阻尼腔的下体积减小，上体积增 大，磁流变液从内磁流变阻尼腔经过下阻尼通道和上阻尼通道流到外磁流变阻尼腔中，当 所述磁流变阻尼模块向上运动时，内磁流变阻尼腔的下体积增大，上体积减小，磁流变液从 外磁流变阻尼腔经过上阻尼通道和下阻尼通道流到内磁流变阻尼腔中，使所述车辆减振装 置产生阻尼力；一方面，所述磁流变阻尼模块运动时，带动电磁感应线圈相对于永磁体产生 运动，切割磁感线产生电能并通过第二整流器整流后，再经过蓄电池充电电路给车载蓄电 池充电，车载蓄电池输出电能给可控恒流源电路，再供给励磁线圈；另一方面，所述磁流变 阻尼模块运动时，带动上弹簧压板和上弹簧卡座运动，进一步通过传力弹簧实现减振，并把 力传递给下弹簧压板和下弹簧卡座，再作用到压电模块上，使压电振子发生正压电效应，产 生电能并通过第一整流器整流后，再经过蓄电池充电电路给车载蓄电池充电，车载蓄电池 输出电能给可控恒流源电路，再供给励磁线圈；同时，簧载质量位移传感器对簧载质量位移 进行实时检测，非簧载质量位移传感器对非簧载质量位移进行实时检测；减振装置控制器 对簧载质量位移和非簧载质量位移进行周期性采样；
[0018] 步骤二、减振装置控制器根据公式
对其第i次采样得到的簧载质量位 移I!和非簧载质量位移X作差，得到第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移 的偏差e1;其中，i的取值为自然数；
[0019] 步骤三、减振装置控制器根据公式
对第i次采样时系统簧载质量位移与非 簧载质量位移的偏差^求导，得到第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的偏 差61随时间t的变化率蟮；
[0020] 步骤四、减振装置控制器根据公式。
对第i次采样时系统簧载质量位移 与非簧载质量位移的偏差^进行量化，得到偏差e 量化量E 1;其中，於为第i次采样时 系统簧载质量位移与非簧载质量位移的偏差^的量化因子，與的取值方法为：当i = 1时，
;当 i>l 且 0· 02 彡 Ie1I 彡 0· 04 时，
当i>l且Ie11 >0.04时，
：偏差量化量 论域为[-6, 6];
[0021] 步骤五、减振装置控制器根据公式
对第i次采样时系统簧载质量位 移与非簧载质量位移的偏差^随时间t的变化率 <进行量化，得到偏差ei随时间t的变 化率6：的量化量￡：;其中，尤丨为第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的偏差 ei随时间t的变化率 < 的量化因子，的取值方法为：：当i = 1时，
当i>l
偏差e;随时间t的变化率 < 的量化量g的论域为
[-6, 6]；
[0022] 步骤六、减振装置控制器对偏差ei的量化量E i按照四舍五入的方法进行整数化， 得到偏差1的量化量E ^勺整数化结果瓦，并将偏差&的量化量E ^勺整数化结果萬作为模 糊控制的第一个输入1;
[0023] 步骤七、减振装置控制器对偏差ei随时间t的变化率 <的量化量忠按照四舍五入 的方法进行整数化，得到偏差θι随时间t的变化率 < 的量化量< 的整数化结果昃作为模糊 控制的第二个输入民；
[0024] 步骤八、减振装置控制器根据模糊控制的第一个输入E ^ JP模糊控制的第二个输 入琴，查询存储在减振装置控制器内部存储器中的由减振装置控制器预先制定好的模糊控 制查询表，得到模糊控制的输出Γ 1;
[0025] 步骤九、减振装置控制器根据公式
对模糊控制的输出h进行调整， 得到励磁线圈需要的输入电流I1，即减振装置控制器控制可控恒流源电路的输出电流I1, 并控制可控恒流源电路的输出电流为I1，实时调节励磁线圈的输入电流，从而使励磁线 圈产生强度可变的磁场作用于磁流变液，使磁流变液的特性发生变化，实时调节磁流变液 产生的阻尼力，进而实时调节所述车辆减振装置产生的阻尼力；其中，为对模糊控制的 输出1\进行调整的比例因子，Jg:的取值方法为：当i = l时，
当i>l且
[0026] 上述的一种自供能量式车辆减振装置的控制方法，其特征在于：步骤八中所述减 振装置控制器预先制定模糊控制查询表的过程为：
[0027] 步骤801、簧载质量位移传感器对簧载质量位移进行实时检测，非簧载质量位移 传感器对非簧载质量位移进行实时检测，减振装置控制器对簧载质量位移传感器检测到的 簧载质量位移信号和非簧载质量位移传感器检测到的非簧载质量位移信号进行周期性采 样；
[0028] 步骤802、减振装置控制器根据公式
对其第i次采样得到的簧载质量 位移信号g和非簧载质量位移信号.?作差，得到第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载 质量位移的偏差e1;其中，i的取值为自然数；
[0029] 步骤803、减振装置控制器根据公式
对第i次采样时系统簧载质量位移与 非簧载质量位移的偏差^求导，得到第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的 偏差ei随时间t的变化率< ;
[0030] 步骤804、减振装置控制器根据公式对第i次采样时系统簧载质量位移 与非簧载质量位移的偏差^进行量化，得到偏差e 量化量E 1;其中，震?为第i次采样时 系统簧载质量位移与非簧载质量位移的偏差^的量化因子，&的取值方法为：当i = 1时，
论域为[-6, 6];
[0031] 步骤805、减振装置控制器根据公式輕对第i次采样时系统簧载质量位 移与非簧载质量位移的偏差ei随时间t的变化率4进行量化，得到偏差ei随时间t的变 化率< 的量化量尽；其中，A为第i次采样时系统簧载质量位移与非簧载质量位移的偏 差61随时间t的变化率 < 的量化因子，足丨:的取值方法为：当i = 1时，
当i>l
[-6, 6]；
[0032] 步骤806、减振装置控制器对偏差ei的量化量E i进行模糊化处理，其具体过程如 下：
[0033] 步骤8061、定义偏差^的量化量E1的模糊状态集合为{正大、正中、正小、零、负 小、负中、负大};
[0034] 步骤8062、减振装置控制器根据偏差ei的量化量E1的三角形隶属函数
计算得到偏差^的量化量E i对应的模糊状态的 隶属度值trimf (E1, ai，k C1)，并根据最大隶属度原则确定偏差θι的量化量E i对应的模糊 状态，且当偏差ei的量化量E i在两种不同的模糊状态下对应的隶属度值相等时，选取小于 偏差θι的量化量E i的数据对应的模糊状态为偏差e i的量化量E i对应的模糊状态；其中，a i 为偏差O1的量化量E i的三角形隶属函数对应的三角形底边左顶点的横坐标，b i为偏差e i 的量化量Ei的三角形隶属函数对应的三角形底边右顶点的横坐标，c i为偏差e ;的量化量 E1的三角形隶属函数对应的三角形上部顶点的横坐标；当模糊状态为正大时，a 4, b 1 = 6, C1= 8 ;当模糊状态为正中时，S1= 2，!^= 4,（^=6 ;当模糊状态为正小时，a i= 0, b i =2, C1= 4 ;当模糊状态为零时，a i= -2, b i= 0, c i= 2 ;当模糊状态为负小时，a i= -4， Id1= -2, c i= 0 ;当模糊状态为负中时^1= -6, b i= -4, c i= -2 ;当模糊状态为负大时，a 1 =-8, bi = -6, c 1= -4 ;
[0035] 步骤807、减振装置控制器对偏差ei随时间t的变化率 < 的量化量萬进行模糊化 处理，其具体过程如下：
[0036] 步骤8071、定义偏差θι随时间t的变化率的量化量K的模糊状态集合为{:正 大、正中、正小、零、负小、负中、负大};
[0037] 步骤8072、减振装置控制器根据偏差ei随时间t的变化率 < 的量化量圮的三角形 隶属函数
计算得到偏差ei随时间t的变化率 <的量化量趁对应的模糊状态的隶属度值
并根据最大隶属度原则确 定偏差ei随时间t的变化率 < 的量化量卑对应的模糊状态，且当偏差θι随时间t的变化率 <的量化量式在两种不同的模糊状态下对应的隶属度值相等时，选取小于偏差01随时间t 的变化率 < 的量化量成的数据对应的模糊状态为偏差ei随时间t的变化率^的量化量茗 对应的模糊状态；其中，a 2为偏差e i随时间t的变化率 < 的量化量乾的三角形隶属函数对 应的三角形底边左顶点的横坐标，b2为偏差e i随时间t的变化率?ξ的量化量耙的三角形隶 属函数对应的三角形底边右顶点的横坐标，C2为偏差e i随时间t的变化率 < 的量化量起的 三角形隶属函数对应的三角形上部顶点的横坐标；当模糊状态为正大时，a2= 4, b 2= 6, c 2 =8 ;当模糊状态为正中时，a2= 2，b 2= 4，c 2= 6 ;当模糊状态为正小时，a2= 0，b 2= 2，c 2 =4 ;当模糊状态为零时，a2= -2，b2= 0，c2= 2 ;当模糊状态为负小时，a2= -4，b2= -2， C2= O ;当模糊状态为负中时，a 2= -6, b2= -4, C2= -2 ;当模糊状态为负大时，a 2= -8, b 2 =-6, C2= _4 ;
[0038] 步骤808、定义模糊控制的输出^的模糊状态集合为{正大、正中、正小、零、负 小、负中、负大}，制定模糊控制根据偏差ei的量化量E i对应的模糊状态和偏差e i随时间t 的变化率4的量化量￡对应的模糊状态得