淺析磁流變減震器磁流變效應(yīng)的影響因素

楊啟正

【摘要】磁流變液屬可控流體，是智能材料中研究較為活躍的一支，是可磁化的固體微顆粒在基液中形成的懸浮液，其流變特性可由外加磁場連續(xù)控制，在不加磁場時，它表現(xiàn)為牛頓流體；在外加磁場作用下，磁流變液能在1ms內(nèi)快速、可逆地由流動性良好的牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)楦哒扯取⒌土鲃有缘馁e漢塑性固體，具有一定的抗剪屈服應(yīng)力，且其屈服應(yīng)力隨外界磁場的增加而增加。汽車磁流變減震器是利用磁流變液的流變特性和機械設(shè)計方法相結(jié)合而設(shè)計開發(fā)的減震器。影響磁流變效應(yīng)的因素主要有磁場強度、磁飽和強度、溫度等。

【關(guān)鍵詞】磁流變液；減震器；磁場；影響因素

一、磁流變液減振器原理

（一）磁流變液及其效應(yīng)

磁流變液是將微米尺寸的磁激化顆粒分散溶于絕緣基液中形成的特定非膠性懸浮液體。磁流變液效應(yīng)是指在未加磁場下，磁流變液表現(xiàn)為牛頓流體特性；在外加磁場的作用下，磁流變表現(xiàn)為賓漢流體的特性。當磁流變液受到強磁場時，其懸浮顆粒被感應(yīng)極化，彼此間相互作用形成粒子鏈，并在極短的時間相互作用，由流體變?yōu)榫哂幸欢羟星?yīng)力的粘塑體。

（二）磁流變液流變特此特性及應(yīng)用

（1）磁流變液具有高粘度、低流動性的特點，其表觀粘度發(fā)生變化的過程是連續(xù)的、無級的，是非線性的。（2）磁流變效應(yīng)的響應(yīng)時間為毫秒級，響應(yīng)過程是可逆的可控的。（3）磁流變效應(yīng)所需的能耗低，可以采用低電壓，大電流控制磁場強度的強弱，進而控制磁流變效應(yīng)。

基于磁流變液表現(xiàn)的各種特點，設(shè)計開發(fā)流體控制閥、阻尼器等磁流變器件，使它更能夠滿足汽車半主動懸架的減振控制要求。

二、磁流變效應(yīng)的影響因素

（一）外加磁場的磁場強度

在沒有外加磁場作用時，磁流變液無屈服應(yīng)力；在外加磁場作用下，磁流變液具有一定的屈服應(yīng)力，并且屈服應(yīng)力隨外加磁場的增加而增加，這種現(xiàn)場被認為是磁流變效應(yīng)的主要標志。

（二）顆粒的磁飽和強度

提高磁飽和磁他強度可提高屈服應(yīng)力。當懸浮相微粒磁化飽和后，剪切應(yīng)力隨磁場強度的增大變緩。隨懸浮相體積分數(shù)的增大，剪切應(yīng)力雖有較大幅度的增加，但同時會帶來零場粘度的增大，屈服應(yīng)力下降。

（三）磁流變液的磁化率

固體顆粒的磁化率是影響磁流變液剪切應(yīng)力的另一個重要影響因素，不同的顆粒材料具有不同的磁學特性，其在不同的磁場強強度下的磁化率也會不同，導(dǎo)致磁流變材料的宏觀特性也會不同。剪切應(yīng)力隨著磁化率的增加而增加，在磁化率較小時，增加的較快，在磁化率較大的情況下，增加的幅度不是很明顯。要得到具有良好的磁流變效應(yīng)磁流變液，應(yīng)該選用磁化率對磁場強度敏感的材料做懸浮相顆粒。

（四）顆粒體積百分數(shù)

固體顆粒的濃度對磁場變效應(yīng)有明顯的影響，隨著固體顆料體積百分率的增大，相同磁場強度和剪應(yīng)變率所對應(yīng)的剪切應(yīng)力也相應(yīng)增大。實驗發(fā)現(xiàn)，當體積百分數(shù)大于30%時，磁流變液易出現(xiàn)沉淀，將影響材料的磁流變效應(yīng)。固體顆粒在磁場作用下磁場化，在兩極間形成貫通的磁鏈，當固體顆粒數(shù)目較多時，更可在磁鏈基礎(chǔ)上聚集成柱或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而增加了磁流變液的粘度和阻力，甚至固化，具有明顯增強屈服應(yīng)力，亦即增強磁流變效應(yīng)。

體積百分數(shù)越大，由于分散相的固體顆粒數(shù)目多，形成的磁鏈也多；同時，體系的相對磁導(dǎo)率和磁極化率就越大，其磁流變效應(yīng)就越強。當體積百分率較低時，固體顆粒數(shù)目有限，在磁場作用下磁極化形成的磁鏈數(shù)目少，因而磁流變效應(yīng)不明顯。同時，體積百分率越低，時入明顯磁流變效應(yīng)所需的場強越高，甚至達到固體顆粒磁飽和場強。因此，體積百分率不能過低，一般不小于10%。此外，體積百分率也不能過高，因為，對于任何一個兩相的懸浮液來說，當體積百分率過高時，會有一個結(jié)構(gòu)上的突變，即由無序的固體顆粒逐步形成一種三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，液體終止流動呈現(xiàn)固化特性，當體積百分率達到某一數(shù)值，固體顆粒也形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)固化狀態(tài)。磁流變液易出現(xiàn)嚴重的沉淀和板結(jié)，返而會影響磁流變體的工作效率，大量的實驗表明，體積百分率的最佳范圍在15%一，30%之間。

（五）溫度

溫度對磁流變的影響主要來自兩個方面，即溫度對顆粒熱運動和磁性顆粒磁性化的影響。溫度的升高對磁流變效應(yīng)是增強還是減弱，主要決定這兩方面的影響孰強孰弱。溫度越高，顆粒的布朗運動越劇烈，顆粒在外加磁強作用下成鏈越困難，磁流變效應(yīng)就會減弱。此外，對液體本身而言，其粘度隨溫度升高而有一定程度的降低。

（六）可磁極化顆粒和穩(wěn)定劑

優(yōu)良的磁流變液在零磁場的條件下的粘度較小，具有良好的流動性，這就要求顆粒在磁流變液中的比例不能太大；而另一方面，磁流變液在一定的磁場下應(yīng)具備良好的磁流變效應(yīng)，這就要求可磁極化顆粒在磁流變液中的比例應(yīng)盡可能大。

穩(wěn)定劑增大了磁流變液的粘度，有助于克服可磁極化微粒的沉積，穩(wěn)定劑對不同基礎(chǔ)液的親和性是不同的。因此，用不同基礎(chǔ)液配制磁流變液必須考慮穩(wěn)定劑的比例。一般，采用預(yù)處理的可磁極化微粒來配制磁流變液已使分散相的不穩(wěn)定性有所改善，穩(wěn)定劑的比例應(yīng)相對減少，磁流變液的零磁場粘度下降。

三、結(jié)束語

隨著磁流體技術(shù)綜合性能的不斷提高，磁流變液這一智能流體材料將會在汽車上大量應(yīng)用。智能流體將使汽車結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化。如磁流體潤滑劑、磁流體離合器制動器、磁流體油封等，磁流變液減振器在隔離發(fā)動機振動，衰減路面不平度的沖擊和改善駕駛員座椅的振動品質(zhì)方面大顯身手，使汽車行駛平順性和舒適性得到很大的提高，車內(nèi)噪聲也將大大降低。