基于單筒式磁流變減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

侯中福

摘要：針對于目前汽車市場上高級車更高的減震要求，本次研究通過對減震器結(jié)構(gòu)進行分析，建立了適合的數(shù)學(xué)阻尼模型，設(shè)計一種新型的磁路方案。通過合適的公式和嚴謹?shù)挠嬎氵x定減震器的核心結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計出一種新型單筒式磁流變減振器。與傳統(tǒng)減震器相比，新式的磁流變減振器機械裝置簡單具有輸出阻尼更大，關(guān)鍵參數(shù)調(diào)節(jié)范圍更廣，流體響應(yīng)速度更快，減震器能量消耗更低等特點，將會成為半主動懸架系統(tǒng)的最佳執(zhí)行器之一。

關(guān)鍵詞：磁流變減振器;材料選擇;結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 ?引言

磁流變減振器（以下稱MRD）是磁流變液（以下稱MRF）在工程領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用。在零磁場作用下，MRF在阻尼通道間流動時保持其原有的流動狀態(tài)。但是當有外加磁場加入后，MRF將會以毫秒級別的時間快速響應(yīng)，磁性粒子之間相互吸引成鏈并沿著磁場線分布，成鏈的磁性粒子阻礙了MR流體載液的流動。從宏觀上來講，即MRF將變得更黏并逐漸凝固。在MRF發(fā)生變化的整個過程中其屈服應(yīng)力、剪切粘度、流變行為、粘彈性等重要參數(shù)均會發(fā)生顯著變化。我們充分利用這類智能材料的優(yōu)點，通過對磁路進行合理設(shè)計，在給MRD內(nèi)部電磁線圈加入磁場后使得MRF在阻尼通道內(nèi)產(chǎn)生有效的受磁場強度誘導(dǎo)的可控阻尼力，由其自身物理性質(zhì)變化所產(chǎn)生的粘滯阻尼力和摩擦阻尼力（兩種阻尼力統(tǒng)稱為不可控阻尼力），基于此所產(chǎn)生的合力統(tǒng)稱為MRD阻尼力，并以此來智能可控的提高其減震性能。

本文旨在通過對MRD的核心部位阻尼通道進行詳細研究，設(shè)計并制造一種滿足輸出阻尼力大小和范圍、具有良好可控性的MRD。由此，本文的主要研究內(nèi)容體現(xiàn)在以下幾個方面：①根據(jù)設(shè)計方案選擇合適的MRF材料。②設(shè)計MRD，綜合考慮實際的設(shè)計條件與加工成本，通過我們已經(jīng)分析好的MRD理論數(shù)學(xué)模型設(shè)計關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸。③根據(jù)我們掌握的有關(guān)電磁學(xué)的基本知識設(shè)計磁路，使其電磁線圈產(chǎn)生的磁場能可以最大化作用于MRF，增大有效阻尼力在輸出阻尼力中的權(quán)重，提高MRD的減震性能。

1 ?材料選擇和設(shè)計方案

1.1 材料選取

MRD的設(shè)計不僅需要滿足力學(xué)性能的要求，還需要有良好的導(dǎo)磁性能，所以導(dǎo)磁材料的選擇很重要。由于本次設(shè)計需要對材料進行冷熱加工，所以導(dǎo)磁材料除了具有良好的導(dǎo)磁特性，還應(yīng)具有較好的冷熱加工性。比較常見的導(dǎo)磁材料有：低碳鋼、導(dǎo)磁不銹鋼、硅鋼以及電工純鐵等。由于電工純鐵的磁通密度最高，導(dǎo)磁效果更好，電工純鐵將作為導(dǎo)磁材料用作本次MRD設(shè)計。隔磁材料的選擇同樣需要嚴謹，常見的隔磁材料有鈦、銅、鋁以及隔磁不銹鋼等。它們的相對導(dǎo)磁率均為1。經(jīng)各方面分析考慮，本次設(shè)計我們選擇321不銹鋼。

MRF的選擇至關(guān)重要，本次研究我們采用實驗室自制的MRF作為檢測MRD性能的載液。我們在傳統(tǒng)磁流變液中加入帶有磁性的納米級鐵磁礦顆粒和不帶磁性的納米級二氧化硅顆粒作為新配方并進行實驗，結(jié)果如圖1顯示，加入了納米級別的觸變劑之后磁流變液的沉淀率有了顯著的降低（樣品3為加入納米級觸變劑的樣品，樣品1為未加入觸變劑的樣品）。

1.2 MRF的工作模式及磁路分析

MRF在阻尼通道內(nèi)部流動時其主要的工作模式有以下幾種類型：阻尼通道上下極板不動，基于MRF所受壓力梯度產(chǎn)生的流動模式，阻尼通道上下兩極板水平相對運動所產(chǎn)生剪切模式，阻尼通道上下兩極板垂直相對運動對MRF進行擠壓所形成的擠壓模式，以及綜合兩種工作模式的優(yōu)點復(fù)合所產(chǎn)生的剪切閥式工作模式。流動模式為流體流動導(dǎo)致在兩個固定不動的平板之間有壓力梯度，由于其理論分析清晰明了簡潔，與實際情況誤差小，被廣泛應(yīng)用在液壓控制、伺服閥、減振器、制動器當中。所以本次研究所設(shè)計的MRD，我們選擇流動模式作為MRF在阻尼通道內(nèi)部流動的工作模式。

MRD中軸對稱的流體場可以近似為流體通過平行管道，上下兩極板為固定不動的組合，在兩極板間加入可定向流動的磁流變液，構(gòu)成了封閉磁路。在忽略漏磁情況下，活塞勵磁線圈產(chǎn)生的磁場閉合回路，活塞內(nèi)部放置了隔磁板，使得磁感線多次穿插于阻尼間隙中，使得MRF的流變特性在磁場作用下變化將更加明顯。

1.3 MRD理論模型構(gòu)建及其阻尼力分析

在MRD工作期間，MRF反復(fù)流經(jīng)環(huán)形阻尼間隙。對于MRF的準靜態(tài)分析，我們假定：①MRD以恒定速度移動;②MRF可以被充分利用;③采用Bingham可塑性模型描述MRF的行為。

圖2提供了環(huán)形間隙中Bingham模型下MRF的典型剪切應(yīng)力圖和速度曲線，在第Ⅰ區(qū)和第Ⅱ區(qū)域，流體間的剪切應(yīng)力超過其屈服應(yīng)力，流體發(fā)生剪切運動。而在區(qū)域C中，流體剪切應(yīng)力低于屈服應(yīng)力，通常此區(qū)域又稱為插頭流區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)流體速度為常量。有公式如下：

其中，v0為MRF在上極板位置的速度，η為MRF的塑性粘度（剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變速率的斜率），L為阻尼間隙的有效長度，AP為活塞的有效橫截面積。dp（x）/dx為MRF在阻尼間隙X軸向方向的壓力梯度，F(xiàn)為MRD所產(chǎn)生的阻尼力大小，MRD阻尼力可以本分解為可控阻尼力部分Fη和非可控阻尼力部分Fuc。可控阻尼力的大小由磁場強度所決定，非可控阻尼力的大小由粘滯阻尼力Fη和摩擦阻尼力Ff所組成。

1.4 MRD基本幾何尺寸設(shè)計

從尺寸角度考慮，與活塞的直徑相比，阻尼間隙的寬度是很小的，所以在對MRD尺寸進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，我們可以簡化采用平行板模型進行理論分析。對于MRD來說，其最為重要的兩個性能參數(shù)是其可控阻尼力和動態(tài)范圍。為了最大化MRD的使用效率，我們會盡量提高可控阻尼力大小。從下面所列出公式可以得出，可控阻尼力與阻尼間隙h的寬度成反比，與阻尼間隙的有效長度L成正比。

然而阻尼間隙h如果過小同樣會使得粘滯阻尼力變得過大，而摩擦阻尼力一般為常數(shù)，這樣會使得動態(tài)范圍趨近于0。所以阻尼間隙尺寸的確定有一個最合適的值。它不但會保持可控阻尼力在一個比較大的數(shù)值上，同樣可以讓動態(tài)范圍保持在峰值附近。根據(jù)G.Yang等學(xué)者的研究顯示，在對MRD進行設(shè)計時，我們普遍將阻尼孔尺寸比例（h/R2）設(shè)定為0.02左右，這將成為我們設(shè)計MRD阻尼孔尺寸的標準。我們暫定阻尼孔的高度h為2mm，所以缸體的內(nèi)徑尺寸為R2為100mm?；钊^運動的速度為6cm/s。其余零件尺寸可以根據(jù)車輛實際裝配要求再進行相應(yīng)設(shè)計。

汽車靜置一段時間后會出現(xiàn)磁流變液的沉降的現(xiàn)象，這種問題會造成阻尼孔的堵塞。為了解決這一現(xiàn)象，我們考慮將阻尼孔設(shè)計在活塞體上靠近邊緣處，開出三個圓弧形阻尼通道。

將阻尼通道設(shè)在活塞內(nèi)的另一個好處是活塞外側(cè)與缸體內(nèi)壁接觸，徑向方向產(chǎn)生的載荷沖擊較小，不再需要增加額外的導(dǎo)向裝置從而可以獲得MRD更大的行程。另外，由于雙出桿式減震器無法滿足應(yīng)用于大規(guī)模工程當中，所以本次MRD設(shè)計采用單筒單出桿結(jié)構(gòu)，尾部則加入氮氣彈簧以實現(xiàn)減振器體積的補償。

2 ?結(jié)語

本文從MRD的結(jié)構(gòu)出發(fā)，首先對鐵芯、線圈、活塞、缸體等核心部件所要達到的功能指標進行分析，給出了合適的材料進行匹配。其次，依據(jù)電磁學(xué)和流體力學(xué)相關(guān)知識對MRF的工作模式和磁路進行分析并設(shè)計出一種新型磁路。最后，以MRF的Bingham模型為基礎(chǔ)，創(chuàng)建MRD阻尼孔理論模型并對其產(chǎn)生的阻尼力進行合理分析以給出設(shè)計方法。

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