磁流變阻尼器結構設計及功能集成研究現(xiàn)狀分析

胡國良，謝政，周維，龍銘

(1.華東交通大學機電工程學院，江西南昌 330013;2.浙江大學流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江杭州 310027)

0 前言

磁流變液是一種新型智能流體材料。在磁場的作用下，磁流變液可以毫秒級的速度由黏性流態(tài)轉為類固態(tài);而當磁場撤出時，它可立即從固態(tài)轉化為液態(tài)，并且這種轉化過程是可逆的［1］。由于磁流變液所呈現(xiàn)出來的一系列優(yōu)異特性，被廣泛應用于磁流變阻尼器、磁流變離合器以及磁流變閥等［2－4］。

磁流變阻尼器(MRD)作為一種新型的特殊智能型阻尼器，具有結構簡單、體積較小、能耗極低、響應快速、阻尼力大、性能穩(wěn)定等特點。由于其優(yōu)良的減振性能，被廣泛地用于汽車、機車、機械、建筑、橋梁、火炮等領域的振動控制。文中主要對不同結構型式的MRD設計進行闡述，同時對帶有自感應及自供能功能的功能集成式MRD進行詳細分析，為新型MRD的設計提供一定的理論參考。

1 磁流變阻尼器工作原理介紹

圖1所示是一種典型的剪切閥式磁流變阻尼器的結構簡圖，主要包括活塞、活塞桿、套筒、激勵線圈及端蓋等。

圖1 剪切閥式磁流變阻尼器磁路簡圖

MRD激勵線圈未導電時，磁流變液以流體的形式填充在阻尼器缸體內。一旦向激勵線圈通電，由于電磁感應，在帶有激勵線圈的活塞和套筒之間的阻尼間隙就會產生感應磁場。缸體內的磁流變液流經(jīng)阻尼間隙時，由于感應磁場的作用會迅速轉變?yōu)榘牍虘B(tài)，形成沿磁場方向排列的鏈狀體，其黏度也會隨著感應磁場的加強而增大。當感應磁場達到一定強度，鏈狀排列的分子間產生了足夠大的力時，該阻尼器就獲得了一定的阻尼力。

2 磁流變阻尼器結構設計

磁流變阻尼器的結構設計思路呈現(xiàn)出多元化趨勢。有按照激勵線圈的級數(shù)來設計的，把MRD設計成單級、雙級或多級;也有按照液流通道的布置方式來進行MRD結構設計，包括內側、外側或蛇形等MRD;也有按照活塞桿的結構形式來進行設計的，包括單出桿式及雙出桿式MRD。

2.1 不同激勵線圈個數(shù)的磁流變阻尼器

磁流變阻尼器的激勵線圈通常設計成單級和雙級兩種，目前也有三級和四級的。如圖2所示，土耳其薩卡里亞大學的PARLAK提出了一種典型的單線圈型MRD［5］，這是一種比較普遍、且得到廣泛工業(yè)應用的MRD。

圖2 單線圈磁流變阻尼器

美國圣母大學的YOSHIOKA在Lord公司支持下，設計了如圖3所示的一種雙線圈型MRD［6］，仿真及試驗結果表明該阻尼器有較好的減震效果。

圖3 雙線圈型磁流變阻尼器

美國Lord公司的CARLSON提到了如圖4所示的在日本新興科學與工程博物館所裝配的一種三線圈磁流變阻尼器［7］。在地震的情況下，該阻尼器可在毫秒級的時間內為該博物館提供200 kN級的阻尼力，從而達到有效的減震效果。

美國杜克大學的GAVIN提出了一種如圖5所示的四級線圈型MRD［8］，該阻尼器的激勵線圈增加到4個，使得磁流變液流經(jīng)阻尼通道增大，從而在相同阻尼間隙大小的情況下，輸出阻尼力增大，擴大了阻尼力調節(jié)范圍。

圖4 三線圈型磁流變阻尼器

圖5 四級線圈型磁流變阻尼器

研究表明，通過增加激勵線圈的個數(shù)來增大磁場的流經(jīng)面積，進而提高阻尼力的大小是可行的。但在具體應用場合，需要考慮結構尺寸大小以及阻尼力的需求，所以對激勵線圈個數(shù)的選擇并不是越多越好，需要綜合考慮來進行阻尼器設計。

2.2 不同液流通道布置的磁流變阻尼器

圖6 內通道式MR阻尼器

磁流變阻尼器的液流通道設計方式也多種多樣，有置于激勵線圈內側或外側的、也有蛇形的液流通道。圖2和圖3所示為傳統(tǒng)MRD激勵線圈設計方式，即將線圈內置，使得液流通道置于外側。該類結構可實現(xiàn)磁屏蔽，有效避免磁泄漏，因而線圈內置式磁流變阻尼器得到了廣泛的應用研究。中國科學技術大學的郭朝陽等［9］提出了一種如圖6所示的內通道式MRD。該阻尼器的液流通道布置于線圈的內部，其液流通道位于電磁線圈內部，故而其磁流變效應發(fā)生于活塞內部的兩層固定平板之間，使得大面積的磁流變液成鏈，進而產生較大的阻尼力。南京林業(yè)大學的徐曉美等［10］對如圖7所示的MRD進行了分析研究，該阻尼器液流通道也是布置于線圈內部。圖中阻尼器端蓋與外支架通過螺栓連接，外支架與活塞桿固連，以使活塞閥體和磁靴同步運動，實現(xiàn)阻尼力的實時連續(xù)可調。

圖7 線圈外置式磁流變阻尼器結構示意圖

圖8 多級徑向流動式磁流變阻尼器

重慶大學的趙丹俠［11］提出了一種如圖8所示的多級徑向流動式MRD，即蛇形液流通道MRD。該阻尼器采用多級徑向液流方式，增加了磁流變液的有效工作間隙長度，有效提高了輸出阻尼力的調節(jié)范圍。

MRD結構設計中，從簡單的液流通道置于線圈外側到置于線圈內側，再到蛇形的液流通道，都是對阻尼器性能進行進一步優(yōu)化。

2.3 不同活塞桿布置的磁流變阻尼器

MRD的活塞桿出桿布置也是阻尼器設計時需重點考慮的。在阻尼器的一端安裝活塞桿的MRD就是單出桿式MRD，該結構的缸筒內的體積會隨著活塞桿往復運動發(fā)生變化。DELPHI公司研發(fā)出了一種被稱為Magnetic Ride Control RPO F55的磁流變懸架系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了如圖9所示的單出桿MRD，使得轎車在較好的操縱穩(wěn)定性的同時獲得更大的阻尼力［12］。

圖9 單出桿式磁流變阻尼器

在阻尼器兩端對稱安裝活塞桿的MRD就是雙出桿式MRD。航空工程學院的薛建海［13］設計了一種如圖10所示的帶矩形槽活塞的雙出桿MRD。該結構使得阻尼器軸向定位更好，降低了活塞與端蓋間的磨損，能夠有效地防止卡死現(xiàn)象的發(fā)生。

圖10 雙出桿式磁流變阻尼器

2.4 其他結構型式的磁流變阻尼器

浙江大學寧波理工學院的鄭堤等人［14］設計了一種如圖11所示的旋轉式MRD。該結構的階梯狀間隙比常規(guī)間隙所產生的磁場更優(yōu)越。能夠產生較大的阻尼轉矩。

圖11 旋轉式MR阻尼器結構簡圖

裝甲兵工程學院的趙振寧對如圖12所示的葉片式MRD進行了設計與研究［15］。

圖12 葉片式磁流變阻尼器

浙江大學的朱長生［16］提出了一種如圖13所示的盤式MRD。該阻尼器能夠以極小的直流電驅動線圈產生足夠的磁場，對轉子系統(tǒng)提供足夠的阻尼力。

圖13 盤式磁流變阻尼器

河海大學的杜成斌等［17］設計了如圖14所示的自解耦式MRD。該阻尼器由永磁鐵激勵和感應磁場激勵同時供磁，能夠在小振幅的情況下產生小的阻尼力，大振幅且低頻情況下產生較大的阻尼力，可很好地實現(xiàn)位移控制。

圖14 自解耦磁流變阻尼器

3 功能集成式磁流變阻尼器

磁流變阻尼器的功能集成是當前的一個研究熱點。功能集成的MRD機械結構得到簡化，信息反饋性能得到提升;同時節(jié)省了安裝空間，降低了系統(tǒng)成本。

3.1 自感應式磁流變阻尼器

基于MRD的半主動控制系統(tǒng)主要由MRD、傳感器、控制器及輔助電路等構成。現(xiàn)有的半主動控制系統(tǒng)中傳感器與MRD分開配置不僅結構較復雜、占用空間大、連接線纜多，而且傳感器置于工作環(huán)境之中易受到外界環(huán)境碰撞、滲水、滲油、電磁干擾等影響，導致系統(tǒng)體積龐大、穩(wěn)定性低。重慶大學的王代華等［18－19］提出了一種如圖15所示的集成相對位移的自感式MR阻尼器(IRDSMRD)。該阻尼器能夠及時將位移信號反饋出來。是一種位移感應性能優(yōu)越的MRD。

圖15 IRDSMRD結構模型

浙江大學劉磊等人［20］設計了一種如圖16所示的自感知磁流變復合阻尼器。該阻尼器由基于超磁致伸縮逆效應的內置傳感裝置和被動、半主動阻尼減振裝置兩部分組成。仿真分析了裝備該阻尼器的車輛在路面上行駛時車體的垂直加速度和速度，得出了加速度功率譜，通過與普通車輛數(shù)據(jù)對比，驗證了半主動模糊控制的新型磁流變阻尼器具有較強的減振效果。

圖16 自感知磁流變復合阻尼器結構

香港工業(yè)大學的OR等［21］提出了一種如圖17所示的嵌入壓電力傳感式MRD。該阻尼器展現(xiàn)了極佳的力傳感和可控阻尼力性能。

圖17 嵌入壓電力傳感式磁流變阻尼器

3.2 自發(fā)電式磁流變阻尼器

磁流變阻尼器工作時需要電壓激勵，設計時需要加入外接電能源以及調理電路。將自供能功能集成到MRD中，可以減少耗能，使得系統(tǒng)結構精簡。

國馬里蘭大學的CHOI等［22］研制了一種如圖18所示的自發(fā)電式MRD。利用電磁感應原理在腔內內置一個能量回收裝置，讓永磁體運動切割磁感線產生感應電動勢，實現(xiàn)自發(fā)電功能。

圖18 自發(fā)電磁流變阻尼器結構示意圖

重慶大學的汪忠［23］提出了一種如圖19所示基于自供電技術的磁流變阻尼器狀態(tài)參數(shù)無線傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過電磁式機械能量采集器將阻尼器活塞運動機械能轉換成電能，并以超級電容儲能。實驗結果表明自供能裝置能產生高達4.64 V的開路電壓。

圖19 帶有能量采集裝置的磁流變阻尼器

南京理工大學的蔣學爭［24］提出了一種如圖20所示的無需外部電源設備的電磁感應自供能磁流變阻尼器。它包括一個電磁感應能量捕獲結構，能將外界振動能轉換成適合磁流變阻尼器使用的穩(wěn)壓直流電，可在無外界電源情況下實現(xiàn)對振動的智能控制。

圖20 電磁感應自供能磁流變阻尼器

3.3 自感應自發(fā)電式磁流變阻尼器

香港中文大學的陳超等人［25］提出了一種如圖21所示的自感應自發(fā)電磁流變阻尼器。該磁流變阻尼器不僅可以利用電磁感應發(fā)電結構給自身供電，還能夠根據(jù)電磁感應結構收集電能的大小自行感應出阻尼器活塞桿的運動速度。

圖21 自感應自發(fā)電磁流變阻尼器

3.4 課題組設計的差動自感式磁流變阻尼器

課題組也提出一種如圖22所示的集阻尼力可控及相對位移傳感于一體的新型差動自感式磁流變阻尼器［26－28］。仿真及實驗結果表明，該差動自感式磁流變阻尼器能夠輸出可控阻尼力，也能輸出與活塞桿相對位移成正比的輸出電壓。

圖22 差動自感式磁流變阻尼器

4 結束語

磁流變阻尼器是一種工業(yè)應用非常廣泛的智能減振結構。文中對國內外現(xiàn)有磁流變阻尼器的結構設計及功能集成研究進行了綜合分析。重點介紹了激勵線圈個數(shù)、液流通道布置方式以及活塞桿出桿方式等對磁流變阻尼器結構設計的影響，為磁流變阻尼器的優(yōu)化設計提供了一定的參考。同時，對自感應、自發(fā)電等不同功能的磁流變阻尼器進行了探討，并介紹了課題組設計的新型差動自感式磁流變阻尼器，為磁流變阻尼器在半主動控制系統(tǒng)中的應用指明了方向。

［1］JOLLY M R，BENDER JW，CARLSON JD．Properties and Applications of Commercial Magnetorheological Fluids［J］．Journal of Intelligent Material Systems and Structures，1999，10(1):5－13．

［2］ZHU X C，JING X J，CHENG L．Magnetorheological Fluid Dampers:A Review on Structure Design and Analysis［J］．Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2012，23(8):839－873．

［3］YAO G Z，YAP F F，CHEN G，et al．MR Damper and its Application for Semi-active Control of Vehicle Suspension System，Mechatronics，2002，12(7):963－973．

［4］LEE U，KIM D，HUR N，et al．Design Analysis and Experimental Evaluation of an MR Fluid Clutch［J］．Journal of Intelligent Material Systems and Structures，1999，10(9):701－707．

［5］PARLAK Zekeriya，ENGIN Tahsin，CALLI Ismail．Optimal Design of MR Damper Via Finite Element Analyses of Fluid Dynamic and Magnetic Field［J］．Mechatronics，2012，22(6):890－903．

［6］YOSHIOKA H，RAMALLO J C，SPENCER JR B F．“Smart”Base Isolation Strategies Employing Magnetorheological Dampers［J］．Journal of Engineering Mechanics，2002，128(5):540－551．

［7］CARLSON JD，SPENCER JR B F．Magnetorheological Fluid Dampers for Semi-active Seismic Control［C］．Proc．3rd Internaitonal Conference on Motions and Vibration Control，Chiba，Japan，1996:35－40．

［8］GAVIN H，HOAGG J，DEBUSSY M．Optimal Design of MR Dampers［C］．Proc．U．S．－Japan Workshop on Smart Structures for Improved Seismic Performance in Urban Regions，2001:225－236．

［9］郭朝陽，宗路航，陳現(xiàn)敏，等．內通道式磁流變阻尼器及其減振控制研究［J］．振動與沖擊，2011，30(3):47－52．

［10］徐曉美，富春．線圈外置式磁流變阻尼器及其磁場有限元分析［J］．拖拉機與農用運輸車，2009，36(5):54－58．

［11］趙丹俠．基于多級徑向流動模式的磁流變液減振器理論與實驗研究［D］．重慶:重慶大學，2012．

［12］SIMON David E．Experimental Evaluation of Semi-active Magnetorheological Primary Suspensions for Heavy Truck Applications［D］．Virginia Polytechnic Institute and State University，Virginia，1998．

［13］薛建海．雙出桿磁流變減震器及減震系統(tǒng)研究［D］．天津:中國民航大學，2008．

［14］ZHENG Di，YE Wencong，HU Liyong，et al．Optimal Design for Working Clearance of Rotary MRF Dampers［C］．Ningbo Institute of Technology Zhejiang University，2009．

［15］張進秋，彭志召，張建，等．葉片式磁流變液減振器結構設計與優(yōu)化［J］．振動、測試與診斷，2013，33(1):132－137．

［16］ZHU C S．A Disk-type Magneto-rheological Fluid Damper for Rotor System Vibration Control［J］．Journal of Sound and Vibration，2005，283(3－5):1051－1069．

［17］DU Chengbin，WAN Faxue，YU Guojun．A Magnetic Flux Leakage Study of a Self-decoupling Magnetorheological Damper［J］．Smart Materials and Structures，2011，20(6):1－10．

［18］WANG DH，WANG T．Principle，Design and Modeling of an Integrated Relative Displacement Self-sensing Magnetorheological Damper Based on Electromagnetic Induction［J］．Smart Materials and Structures，2009，18(9):1－20．

［19］WANG DH，BAI X X，LIAO W H．An Integrated Relative Displacement Self-sensing Magnetorheological Damper:Prototyping and Testing［J］．Smart Materials and Structures，2010，19(10):1－19．

［20］劉磊．自感知磁流變復合阻尼器的設計與研究［D］．浙江:浙江大學，2012．

［21］OR SW，DUAN YF，NI Y Q，et al．Development of Magnetorheological Dampers with Embedded Piezoelectric Force Sensors for Structural Vibration Control［J］．Journal of Intelligent Material Systems and Structures，2008，19(11):1327－1338．

［22］CHOI Young-Tai，Norman M．Wereley．Self-Powered Magnetorheological Dampers［J］．Journal of Vibration and A-coustics，2009，131(4):044501．

［23］汪忠．基于自供能技術的磁流變阻尼器參數(shù)檢測系統(tǒng)設計［D］．重慶:重慶大學，2011．

［24］蔣學爭．自供能磁流變阻尼器的振動能量捕獲技術研究［D］．南京:南京理工大學，2012．

［25］CHEN Chao，LIAO Wei-Hsin．A Self-sensing Magnetorheological Damper with Power Generation［J］．Smart Materials and Structures，2012，21(2):1－14．

［26］胡國良，茹毅．差動自感式磁流變阻尼器感應特性研究［J］．液壓與氣動，2012(10):84－88．

［27］胡國良，茹毅，王紅．差動自感式磁流變阻尼器力學性能分析［J］．機床與液壓，2013，41(9):6－13．

［28］胡國良，茹毅，王紅．差動自感式磁流變阻尼器繞線缸體對磁場特性影響分析［J］．機床與液壓，2013，?41(13):9－12．