磁流變減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

蘭文奎，袁苗達(dá)，張晉源

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶401120)

磁流變減振器是采用磁流變液體作為工作介質(zhì)的阻尼可控減振器。具有阻尼力可調(diào)，構(gòu)造簡單，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。是未來半主動懸架應(yīng)用研究的熱點(diǎn)之一［1］。目前國內(nèi)外對磁流變減振器的研究主要集中在減振器阻尼力計(jì)算模型的研究及減振器磁路設(shè)計(jì)［2］。

筆者根據(jù)汽車對減振器的性能要求，設(shè)計(jì)了用于汽車懸架的阻尼可變減振器，并對設(shè)計(jì)制造的單級和雙級磁路磁流變減振器進(jìn)行的試驗(yàn)研究，對比了兩種結(jié)構(gòu)磁流變減振器在同樣的激勵(lì)情況下阻尼力的變化，對比了兩種結(jié)構(gòu)減振器在不同激勵(lì)電流的作用下性能的差別。研究表明:雙級磁路減振器阻尼力的變化范圍更大，性能優(yōu)于同樣尺寸的單級磁路減振器，為磁流變減振器的進(jìn)一步優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 磁流變減振器的結(jié)構(gòu)模式

1.1 單級磁路式

圖1為基于混合模式的單級磁路磁流變減振器結(jié)構(gòu)簡化示意。單級磁路是指減振器的活塞上僅有一組激勵(lì)線圈。圖1中，M為阻尼活塞的直徑;L為活塞的長度;a為工作缸筒的厚度;b為阻尼通道的長度。

圖1 單級磁路磁流變液減振器結(jié)構(gòu)Fig.1 Single piston MR damper

混合模式集合了流動和剪切兩種模式。其工作原理是:減振器的阻尼活塞在工作缸中作往復(fù)運(yùn)動，磁流變體在流經(jīng)阻尼通道b時(shí)，通過改變阻尼通道的磁場可改變磁流變體的流動特性，表現(xiàn)為:激勵(lì)電流增大，磁流變體的黏度隨之增大。激勵(lì)電流越大，產(chǎn)生的阻尼力也越大。其阻尼力的大小與激勵(lì)電流與阻尼通道的間隙和長度密切相關(guān)。通過控制激勵(lì)電流的大小可達(dá)到控制減振器阻尼力大小的目的。

1.2 多級磁路式

多級磁路是指減振器的電磁活塞上繞有兩組或兩組以上的電磁線圈，有串聯(lián)與并聯(lián)兩種模式。由于汽車底盤空間與結(jié)構(gòu)上的限制，以及加工工藝和精度的難度增大，車用多級磁路減振器一般采用兩級或三級磁路(圖2)。與單級磁路相比，多級磁路將單一的磁場分布分解成兩個(gè)或者3個(gè)磁場的疊加，降低了活塞芯內(nèi)部的磁通密度，增大磁通量飽和的激勵(lì)電流，優(yōu)化了磁場的分布，能夠增大阻尼力的變化范圍［3］。

圖2 雙級磁路磁流變液減振器結(jié)構(gòu)Fig.2 Double piston MR damper

2 磁流變減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)加工的磁流變減振器是基于混合模式的，其阻尼力理論計(jì)算應(yīng)為流動模式和剪切模式兩種模式下阻尼力［4］的合力。

式中:Q=Av表示流經(jīng)極板間隙的流量;η無外加磁場磁流變液的黏度;τ為剪切屈服應(yīng)力;c為2～3之間的一個(gè)常數(shù)。

磁流變減振器產(chǎn)生的阻尼力大小主要由磁流變體在磁場作用下產(chǎn)生的剪切屈服應(yīng)力決定。所采用的磁流變液的剪切屈服應(yīng)力特性曲線如圖3，利用MATLAB軟件編程，采用二次曲線擬合式(2)中磁感應(yīng)強(qiáng)度與剪切應(yīng)力的屈服關(guān)系，得到系數(shù)a=42.927 9，b=97.111 4，c= －4.237 0。

圖3 磁流變液剪切應(yīng)力與磁場強(qiáng)度之間的關(guān)系Fig.3 Relation of MR fluids yield stress and magnetic strength

由于所設(shè)計(jì)的磁流變減振器保留了原減振器的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸，并根據(jù)某車輛對減振器阻尼力的需求，將式(2)代入式(1)，確定阻尼通道長度11 mm，工作間隙1 mm，工作缸內(nèi)半徑13.5 mm，活塞半徑12.5 mm，具體尺寸如表 1［5］。

表1 磁流變減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameter of MR damper

研究表明［6-7］多級磁路式活塞能夠改善磁路分布，優(yōu)化活塞中的磁場分布。采用相鄰兩個(gè)激勵(lì)線圈繞向相反的設(shè)計(jì)，可大大提高磁流變減振器阻尼段的磁場強(qiáng)度，提高阻尼力?；谝陨显颍P者設(shè)計(jì)的雙級磁路減振器兩組線圈繞向相反。

3 試驗(yàn)

在不同電流激勵(lì)和速度激勵(lì)下，對所設(shè)計(jì)制造的磁流變減振器進(jìn)行了試驗(yàn)。記錄了減振器不同工況下的示功特性和速度特性。測試現(xiàn)場如圖4。

圖4 磁流變減振器測試現(xiàn)場Fig.4 MR fluid damper test site

在減振器振幅為±25 mm，激勵(lì)電流大小分別為 0，0.4，0.7 A 狀態(tài)下，測試了減振器活塞運(yùn)動速度分別為 0.1，0.2，0.3m/s的示功特性和速度特性。

4 結(jié)果分析

如圖5、圖6，無論是單級磁路還是雙級磁路減振器，隨著電流的增大，其所產(chǎn)生的阻尼力也隨之增大，示功曲線包圍的面積也越大，這是由于隨著激勵(lì)電流的增大，磁場強(qiáng)度的相應(yīng)增大使磁流變液體的剪切屈服應(yīng)力增大;在激勵(lì)電流較小時(shí)，如0，0.4 A時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)的磁流變減振器所示功曲線所包圍的面積比較相近，這表明電流開始增大時(shí)，雙級磁路與單級磁路減振器性能接近。

圖5 單級磁路磁流變減振器的示功圖Fig.5 Damping force and displacement of single piston MR damper

圖6 雙級磁路磁流變減振器示功圖Fig.6 Damping force and displacement of double piston MR damper

圖5中，單級磁路減振器激勵(lì)電流從0.4 A增大到0.7 A時(shí)，所包圍的示功曲線面積相近，說明此時(shí)該結(jié)構(gòu)的磁流變減振器磁場已達(dá)到磁飽和，阻尼力已不能隨著激勵(lì)電流的增大而增大;圖6中，由于雙級磁路減振器改變了磁場分布，增大了磁通量飽和時(shí)的激勵(lì)電流［3］，因而雙級磁路減振器0.7 A的示功曲線面積較0.4 A還在增大，而相同結(jié)構(gòu)的單級磁路減振器的阻尼力已不在增大，說明繞向相反的雙級磁路減振器能增大磁飽和的激勵(lì)電流，使得雙級磁路減振器的阻尼力變化范圍更大，性能優(yōu)于同樣結(jié)構(gòu)的單級磁路減振器。

如圖7、圖8分別為單級磁路與雙級磁路磁流變減振器的速度特性圖。即活塞速度與阻尼力之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，減振器的阻尼力在同樣激勵(lì)電流下，活塞運(yùn)動速度不同，產(chǎn)生的阻尼力大小也不相同，這是因?yàn)榇帕髯凅w的剪切應(yīng)力不僅與激勵(lì)電流的大小相關(guān)，而且還與其剪切速度有關(guān);而雙級磁路式磁流變減振器的速度特性曲線滯回特性較單級磁路明顯，這是因?yàn)閱渭壌怕方Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，容易使整個(gè)活塞與周圍物質(zhì)構(gòu)成的磁路產(chǎn)生磁飽和，使磁路中阻尼通道磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加受到影響，影響減振器的速度特性，而雙級磁路結(jié)構(gòu)改善了磁場的分布特性，使速度特性曲線滯回特性明顯。

圖7 單級磁路磁流變減振器速度特性曲線Fig.7 Velocity characteristic of single piston MR damper

圖8 雙級磁路磁流變減振器速度特性曲線Fig.8 Velocity characteristic of double piston MR damper

5 結(jié)論

1)試驗(yàn)表明，磁流變減振器的示功特性曲線包圍的面積隨著激勵(lì)電流的增大而增大。符合磁流變液體剪切應(yīng)力隨著磁場強(qiáng)度增大而增大的特性。

2)雙級 磁路減振器與單級磁路的示功特性曲線在低電流時(shí)區(qū)別不大，隨著電流的增大，雙級磁路減振器包圍的面積會明顯大于單級磁路，這是雙級磁路減振器改變了磁場分布的結(jié)果，增大了磁飽和的激勵(lì)電流，從而也增大的阻尼力的變化范圍。

3)雙級磁路減振器速度特性曲線的滯回特性較單級磁路明顯，但同時(shí)也使得動力模型更為復(fù)雜。

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