新型車用磁流變阻尼器設(shè)計(jì)

過(guò)嘯鴻，王 昊

(上海電力學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，上海 200090)

20世紀(jì)80年代中后期，磁流變液流體剪切屈服強(qiáng)度過(guò)低的瓶頸被突破之后，以磁流變液作為工作介質(zhì)的器件研究被迅速應(yīng)用到汽車、機(jī)械、土木工程、航空航天等領(lǐng)域的減振上.磁流變阻尼器成為振動(dòng)控制的新一代高性能減振器，目前應(yīng)用最廣泛的是在汽車領(lǐng)域與軍事領(lǐng)域，它在智能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域上的廣闊應(yīng)用前景受到了各個(gè)國(guó)家的普遍關(guān)注，成為目前國(guó)際上研究的熱門(mén)課題之一，在國(guó)內(nèi)也逐步受到重視.目前，磁流變阻尼器理論設(shè)計(jì)大多數(shù)都是基于Bingham模型的平板結(jié)構(gòu)模型，現(xiàn)有的大多數(shù)磁流變阻尼器存在以下不足:磁力線并不是完全依照有效磁路行進(jìn)的，由于缸體的導(dǎo)磁作用，磁力線會(huì)沿著缸體向外及側(cè)面漏磁，且使缸體帶有磁性，導(dǎo)致缸體可能與外部導(dǎo)磁零部件產(chǎn)生干擾，從而影響工作性能等，而在機(jī)械結(jié)構(gòu)上也存在整體結(jié)構(gòu)不夠緊湊、零件外型過(guò)于復(fù)雜、成本過(guò)高，以及難以大批量生產(chǎn)等問(wèn)題，使得車用磁流變阻尼器無(wú)法推廣.因此，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出一種新型的車用磁流變阻尼器，對(duì)提高我國(guó)汽車產(chǎn)品的技術(shù)含量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力都具有重要的意義［1］.

1 磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

由于磁流變液和磁流變阻尼器的特殊性，在設(shè)計(jì)磁流變阻尼器之前，首先要明確磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，主要包括以下兩個(gè)方面［2，3］.

(1)磁路設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 在外加磁場(chǎng)作用下，磁流變液中的可磁化微粒沿著磁場(chǎng)方向排列成鏈狀結(jié)構(gòu)或其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而改變流變特性，在垂直于磁場(chǎng)方向的流動(dòng)特性變化最大.因此，在設(shè)計(jì)磁流變阻尼器時(shí)應(yīng)使阻尼通道中的磁流變液流動(dòng)方向垂直于磁場(chǎng)方向，以便充分利用磁流變效應(yīng)來(lái)改變磁流變阻尼器的阻尼力.

(2)機(jī)械部分設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)除了必須滿足必要的連接強(qiáng)度外，還要盡可能地保持良好的密封性，同時(shí)外形和行程必須滿足現(xiàn)用車輛阻尼器的尺寸規(guī)格要求.在保證機(jī)構(gòu)順利運(yùn)動(dòng)的前提下，要盡可能簡(jiǎn)化磁流變阻尼器的機(jī)械結(jié)構(gòu)及加工工藝過(guò)程，并降低加工成本.

2 磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)方案的確定

在明確設(shè)計(jì)準(zhǔn)則后，首先需要確定磁流變阻尼器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu).由于車用阻尼器對(duì)阻尼器自身的形狀、規(guī)格、尺寸都有一定的要求，故對(duì)磁流變阻尼器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅更改的可能性不大.因此，在磁流變阻尼器的工作模式與結(jié)構(gòu)類型方面，應(yīng)選擇目前磁流變阻尼器中較為優(yōu)秀、可行性較高的設(shè)計(jì)方案作為本設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案.

2.1 工作模式的選擇

根據(jù)磁流變液在阻尼器中的受力狀態(tài)和流動(dòng)形式的不同，其工作模式可以分為流動(dòng)模式、剪切模式、擠壓模式，以及這3種模式的組合.在設(shè)計(jì)磁流變阻尼器時(shí)，應(yīng)使阻尼通道中磁流變液的流動(dòng)方向垂直于磁場(chǎng)方向，以便充分利用磁流變效應(yīng)來(lái)改變磁流變阻尼器的阻尼力.由于汽車懸架阻尼器的行程較大，且在結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上有嚴(yán)格要求，因而車用磁流變阻尼器很少采用擠壓模式，而多采用流動(dòng)和剪切相結(jié)合的混合模式.根據(jù)汽車阻尼器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本方案選用基于剪切模式和流動(dòng)模式共同作用，即混合工作模式的雙阻尼通道串聯(lián)的磁流變阻尼器，其工作原理如圖1所示.

由圖1可知，構(gòu)成該標(biāo)準(zhǔn)磁流變阻尼器的基本構(gòu)件有:活塞;活塞桿;電磁線圈;工作缸等.電磁線圈繞制在活塞上，通過(guò)活塞桿引出電源線.阻尼器內(nèi)腔充滿了磁流變液，活塞在工作缸內(nèi)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，活塞與缸體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并擠壓磁流變液迫使其流過(guò)缸體與活塞間的間隙，此時(shí)無(wú)磁場(chǎng)力作用，磁流變液以牛頓流體作粘性流運(yùn)動(dòng)，符合牛頓流體的本構(gòu)關(guān)系;當(dāng)電流通過(guò)線圈，產(chǎn)生磁場(chǎng)后，磁流變液就會(huì)瞬間由牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)檎乘荏w，粘度呈數(shù)量級(jí)提高，流體的流動(dòng)阻力增加，表現(xiàn)為具有一定屈服應(yīng)力的類似于固體的本構(gòu)關(guān)系.

圖1 基于混合模式磁流變阻尼器工作原理

在這個(gè)過(guò)程中，阻尼通道的磁場(chǎng)越強(qiáng)，所產(chǎn)生的阻尼力越大.因此，磁流變液在阻尼通道中產(chǎn)生的阻尼力是隨著阻尼通道中磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而變化的，即可以通過(guò)調(diào)整電流來(lái)完成對(duì)阻尼力大小的控制.

2.2 活塞線圈結(jié)構(gòu)的選擇

傳統(tǒng)磁流變阻尼器通常采用的都是單級(jí)線圈活塞式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)便于加工，非常適合流水線生產(chǎn).但隨著磁流變阻尼器應(yīng)用的推廣，對(duì)磁流變阻尼器性能的要求自然也越來(lái)越嚴(yán)格.結(jié)構(gòu)緊湊、高表現(xiàn)的阻尼性能是對(duì)現(xiàn)在磁流變阻尼器設(shè)計(jì)的一大要求，傳統(tǒng)單級(jí)線圈的電流-阻尼特性已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代汽車對(duì)阻尼器的要求.目前，在磁流變阻尼器設(shè)計(jì)方案中，較為熱門(mén)的是雙級(jí)線圈活塞式結(jié)構(gòu)，在同等電流條件下，其最大阻尼力是單級(jí)線圈的1.44倍.

因此，在活塞線圈結(jié)構(gòu)的方案上，本文選擇雙級(jí)線圈作為活塞線圈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)方案.

2.3 磁流變阻尼器的組裝結(jié)構(gòu)

磁流變阻尼器可根據(jù)活塞桿和缸體的匹配分為單桿單筒、單桿雙筒和雙桿單筒3種形式，這也是目前大多數(shù)磁流變阻尼器設(shè)計(jì)所采用的結(jié)構(gòu)形式.鑒于汽車阻尼器的形狀規(guī)格要求，必須舍棄磁流變阻尼器中的體積補(bǔ)償器，使得阻尼器能節(jié)省更多的懸架空間，因此本文所設(shè)計(jì)的磁流變阻尼器采用單桿雙筒式的組裝結(jié)構(gòu).這種阻尼器外型流暢，密封效果好，但是制作工藝復(fù)雜，加工成本較高，大多應(yīng)用在大型機(jī)械或者高檔的轎車中.具體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 磁流變阻尼器組裝結(jié)構(gòu)

3 磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案

磁流變阻尼器的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分改動(dòng)限制較小，同時(shí)優(yōu)化該部分能延長(zhǎng)磁流變阻尼器的使用壽命.磁流變阻尼器設(shè)計(jì)的核心在于優(yōu)化配置，降低成本，簡(jiǎn)化工藝過(guò)程及美化結(jié)構(gòu)外形.本文在文獻(xiàn)［4］的基礎(chǔ)上，結(jié)合連接密封的3個(gè)主要問(wèn)題，提出了磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案.

3.1 磁流變阻尼器內(nèi)部導(dǎo)線走向

磁流變阻尼器的運(yùn)作需要持續(xù)供應(yīng)的磁場(chǎng)，這也就意味著必須將通電的導(dǎo)線從外部引入到磁流變阻尼器的缸體中，并在活塞處繞成線圈，再?gòu)母左w內(nèi)引出接上負(fù)極形成回路.由于磁流變阻尼器的工作缸在運(yùn)作時(shí)是一個(gè)完全密閉的環(huán)境，要從外部引入導(dǎo)線，從缸體著手很難實(shí)現(xiàn).因此，選擇活塞桿，從活塞桿的底部鉆出大小合適的通孔，讓導(dǎo)線穿過(guò)活塞桿進(jìn)入活塞內(nèi)部，在活塞處繞成線圈后沿原路返回接回電源.但按照這一設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)會(huì)碰到以下問(wèn)題:一是從活塞桿鉆孔到活塞，這種過(guò)長(zhǎng)的鉆削會(huì)帶來(lái)加工上的困難;二是在這么狹長(zhǎng)的內(nèi)部通道中將導(dǎo)線順利地引入和引出很難實(shí)現(xiàn);三是由于設(shè)計(jì)的磁流變阻尼器屬于雙級(jí)線圈活塞式結(jié)構(gòu)，如何完成兩個(gè)線圈的連接也是一大難題.

本設(shè)計(jì)則通過(guò)拆離活塞與活塞桿，同時(shí)對(duì)活塞線圈進(jìn)行“凹”字型鉆孔設(shè)計(jì)解決了以上問(wèn)題:一是將活塞桿和活塞分離，不再采用塞桿一體化的設(shè)計(jì)，而是分成通過(guò)管螺紋可彼此緊密連接的兩個(gè)部分，從結(jié)構(gòu)上縮短通孔的加工長(zhǎng)度;二是在活塞桿的兩端以及活塞的左端，也就是導(dǎo)線通過(guò)的關(guān)鍵部分，用鉆孔的方式做出既可以容納多余導(dǎo)線，又方便導(dǎo)線引入引出的擴(kuò)孔;三是在活塞部分配合雙級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)，用鉆孔的方式做出“凹”字形的引線孔路，使得導(dǎo)線能順利地從一個(gè)線圈引到另一個(gè)線圈.這樣的設(shè)計(jì)還避免了導(dǎo)線的非工作部分產(chǎn)生的磁通影響工作區(qū)域的磁通線，減少漏磁和磁渦的產(chǎn)生，提高了磁流變阻尼器的工作效率和電控準(zhǔn)確性.

3.2 磁流變阻尼器底閥的設(shè)計(jì)

磁流變阻尼器的底閥是設(shè)計(jì)過(guò)程中的最大難點(diǎn).底閥是單桿雙筒型磁流變阻尼器特有的重要元件之一，其作用是控制內(nèi)筒和外筒之間磁流變液流動(dòng)，是連接內(nèi)筒與外筒的主要關(guān)卡.在阻尼器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于活塞桿進(jìn)出內(nèi)筒會(huì)帶來(lái)一定的體積差，磁流變液會(huì)經(jīng)過(guò)底閥來(lái)完成工作缸與儲(chǔ)存缸之間的移動(dòng)，從而彌補(bǔ)這一體積差.

為了使雙筒磁流變阻尼器能夠正常運(yùn)作，底閥必須承受存在于活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)筒與外筒之間的壓力差，必須在磁流變液流經(jīng)時(shí)保證完全暢通，這樣才能盡可能減少液體流動(dòng)時(shí)的阻力.底閥如果不能時(shí)常保持暢通，磁流變液內(nèi)的鐵質(zhì)顆粒就會(huì)在這個(gè)位置發(fā)生沉降，從而影響磁流變阻尼器的正常工作.

傳統(tǒng)的底閥是通過(guò)特殊的溝回式凹槽來(lái)控制兩筒之間磁流變液的流動(dòng)，但這不足以改善回流不足這一弊病，同時(shí)，過(guò)于復(fù)雜的底閥結(jié)構(gòu)也是磁流變阻尼器制造成本居高不下的原因之一.本文提出的浮環(huán)分離結(jié)構(gòu)，將底閥的回流作用分散到位于內(nèi)外筒間隙的浮環(huán)上，將底閥的結(jié)構(gòu)徹底簡(jiǎn)化，同時(shí)加裝緩沖彈簧來(lái)避免阻尼器失效狀態(tài)下底閥與活塞硬性沖撞造成的損壞.浮環(huán)模型如圖3所示.

浮環(huán)的工作位置處于磁流變阻尼器內(nèi)筒和外筒之間，由于內(nèi)外筒壁面光滑度較高，在一定公差等級(jí)的限制下，可以保證浮環(huán)在內(nèi)筒和外筒之間順暢滑動(dòng)的同時(shí)又帶有較好的密封性.浮環(huán)的工作原理是利用重力讓磁流變液從外筒壓進(jìn)內(nèi)筒，鑒于磁流變阻尼器在實(shí)際工作時(shí)始終保持垂直于水平面的狀態(tài)，在活塞桿伸入內(nèi)筒時(shí)，由于體積差的變化，部分磁流變液由內(nèi)筒經(jīng)過(guò)底閥進(jìn)入外筒，浮環(huán)在壓力作用下被頂起，讓出外筒的空余容積，用于儲(chǔ)存進(jìn)入外筒的磁流變液;而在活塞桿恢復(fù)初始狀態(tài)后，浮環(huán)就會(huì)在重力作用下將內(nèi)筒內(nèi)的磁流變液壓回內(nèi)筒，補(bǔ)足內(nèi)筒磁流變液的體積.底閥的剖面如圖4所示.

圖3 浮環(huán)模型示意

圖4 底閥剖面示意

浮環(huán)材料采用青銅，這樣不僅能和內(nèi)筒和外筒的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)形成減磨性能良好的滑動(dòng)摩擦副，也避免了因浮環(huán)的磁化而影響磁流變阻尼器的正常工作.為了保證浮環(huán)和內(nèi)外筒的良好配合，也為了讓浮環(huán)能很好地定位，在浮環(huán)和外筒上采用了彼此匹配的契合設(shè)計(jì).同時(shí)，在浮環(huán)和磁流變液接觸的部分，設(shè)計(jì)了橡膠質(zhì)的浮環(huán)密封圈，使得密封更為徹底，也保護(hù)了浮環(huán)不被磁流變液浸泡腐蝕.該裝置的原理和結(jié)構(gòu)都非常簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也相當(dāng)容易，它不僅很好地實(shí)現(xiàn)了磁流變液的順流、回流，更保證了外筒和端蓋之間的良好密封性.

3.3 零件連接與密封性的優(yōu)化

完成了零件的結(jié)構(gòu)以及尺寸設(shè)計(jì)后，如何將零件連接并組裝起來(lái)，選擇更為合理的零件連接方式是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可或缺的重要一環(huán).本文選擇磁流變阻尼器組裝結(jié)構(gòu)中最重要的關(guān)鍵點(diǎn)，即內(nèi)筒與端蓋處的連接密封作為主要優(yōu)化對(duì)象.

考慮到整個(gè)磁流變阻尼器中內(nèi)筒是和活塞接觸最多、也是容納最多磁流變液的零件，這也就意味著端蓋與內(nèi)筒間的連接處將是承受整個(gè)懸架阻尼運(yùn)動(dòng)最大應(yīng)力的部分.因此，在設(shè)計(jì)端蓋與內(nèi)筒的連接時(shí)，首先要考慮的是該連接處應(yīng)具備較大的連接強(qiáng)度.本設(shè)計(jì)在端蓋與內(nèi)筒之間采取管螺紋的連接方式，內(nèi)筒端口外壁部分采用9 mm×1 mm的凸緣設(shè)計(jì)，與端蓋內(nèi)壁攻出相配合的螺紋結(jié)構(gòu).

危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度為:

本文引用奧迪A6的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出σca=131.42 MPa，而查閱機(jī)械制造手冊(cè)可得，采用20#低碳鋼為材料的管螺紋，其允許疲勞極限為200～280.由此可知，用管螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接是可行且安全可靠的.

在進(jìn)行端蓋內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)了可以正好容納一個(gè)塑膠彈性密封圈的內(nèi)部凹槽，這個(gè)凹槽不僅能容納密封圈，更能在進(jìn)行螺紋加工時(shí)起到退刀槽的作用.將密封圈塞入凹槽后，活塞桿在進(jìn)出內(nèi)筒的過(guò)程中就必須通過(guò)密封圈，緊密的公差配合尺寸使得活塞桿在運(yùn)動(dòng)時(shí)密封圈能將附著在活塞桿上的磁流變液阻擋回內(nèi)筒，從而起到了良好的密封效果.

密封圈的材料為工業(yè)塑料聚甲醛，這種塑膠質(zhì)的密封圈不僅對(duì)液體的密封效果較強(qiáng)，而且具有很強(qiáng)的彈性，在內(nèi)筒螺紋扣緊時(shí)，該密封圈可以提供一定的預(yù)緊力，使得管螺紋自鎖，杜絕了內(nèi)筒松脫的可能.密封圈的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5.

圖5 端蓋密封與連接

4 結(jié)束語(yǔ)

本文的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了從模糊概念到實(shí)際加工成產(chǎn)品的過(guò)程.通過(guò)這次設(shè)計(jì)，不僅希望能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)磁流變阻尼器的研發(fā)貢獻(xiàn)力量，也希望磁流變?cè)O(shè)備能夠獲得國(guó)內(nèi)更多科研機(jī)關(guān)的重視，將磁流變阻尼器這一智能化半主動(dòng)阻尼設(shè)備運(yùn)用到更多、更寬廣的領(lǐng)域中.

［1］張登友，魯嘉，唐龍，等.磁流變阻尼器的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.中國(guó)儀器儀表，2007，(10):29-32.

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