單筒式磁流變減振器優(yōu)化設(shè)計(jì)

張麗霞 鄭超藝 潘福全 林炳欽

摘要：磁流變減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)非線性多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，基于對(duì)磁流變減振器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析和討論，參照減振器實(shí)際功能需求，考慮減振器的加工工藝及安裝尺寸等因素，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)為雙線圈單筒單出桿型式的磁流變減振器，為汽車半主動(dòng)懸架的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：磁流變減振器;單筒式;雙線圈;半主動(dòng)懸架

0? 引言

與傳統(tǒng)的汽車被動(dòng)懸架相比較，半主動(dòng)懸架系統(tǒng)能實(shí)時(shí)匹配懸架所需的阻尼力要求，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整[1]。作為半主動(dòng)懸架系統(tǒng)執(zhí)行元件的磁流變減振器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、阻尼力可控、輸出阻尼力大、響應(yīng)速度快、動(dòng)力可調(diào)系數(shù)大、控制相對(duì)簡(jiǎn)單、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，成為目前半主動(dòng)懸架的主要研究方向。

1? 磁流變減振器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的磁流變減振器為單筒單出桿型式，內(nèi)設(shè)浮動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)，采用氣體補(bǔ)償形式進(jìn)行體積差補(bǔ)償，其中注入的氣體為氮?dú)?。由活塞桿、磁芯、上下壓板、線圈、活塞外套等組成活塞總成結(jié)構(gòu)，其中活塞外套中間部分有一導(dǎo)向帶，防止活塞在工作缸中往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)與工作缸由于摩擦導(dǎo)致活塞外套表面磨損，影響活塞的往復(fù)垂直運(yùn)動(dòng)。磁芯與活塞桿采用緊配的方式套在活塞桿上，中間有一O形密封圈防止磁流變液從活塞桿內(nèi)的通孔中溢出。由上、下壓板將活塞外套與磁芯分隔開(kāi)形成1mm的間隙，這一間隙為磁流變液工作間隙，是活塞設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。磁芯上開(kāi)有兩個(gè)線圈槽，漆包線在線圈槽中反向繞制，形成兩個(gè)串聯(lián)能產(chǎn)生反向磁場(chǎng)的線圈。其中漆包線兩端分別與磁芯中部的接插件兩根pin針一端相連，pin針的另一端與外接導(dǎo)線相連，再?gòu)幕钊麠U通孔中將導(dǎo)線引出減振器。線圈通電時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，沿磁芯中部、磁芯側(cè)面、磁流變液工作間隙、活塞外套形成閉合回路，活塞外套采用翻邊的方式將各部分裝配成一個(gè)整體。工作缸封口處加設(shè)導(dǎo)向器，保證活塞能垂直上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)外，還設(shè)有耐腐蝕橡膠材料加工的油封，起到密封油液的作用，導(dǎo)向器上還有一個(gè)卡箍與工作缸環(huán)形槽配合，將導(dǎo)向器固定在工作缸端口，再在端口封一端蓋，則磁流變減振器封裝完成。新的磁流變減振器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2? 磁流變減振器活塞總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于流動(dòng)工作模式設(shè)計(jì)的磁流變減振器，活塞總成處自形成導(dǎo)磁回路，并在不加其他導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行自導(dǎo)向?；钊偝奢S對(duì)稱平面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。主要由電磁線圈總成（鐵芯、線圈、導(dǎo)線）、活塞外套、上壓板、下壓板這幾個(gè)部分組成磁流變減振器活塞總成。其中上壓板、下壓板為不導(dǎo)磁材料，鐵芯和活塞外套為導(dǎo)磁材料。整個(gè)活塞總成通過(guò)活塞外套與上壓板、下壓板采取卷邊的工藝或者螺紋連接方式將各個(gè)部分之間的相對(duì)關(guān)系固定，裝配成一個(gè)整體。其中，活塞鐵芯位于活塞外套之中，其軸、徑向的定位通過(guò)活塞鐵芯兩端限位凸臺(tái)和上壓板、下壓板的限位凹槽進(jìn)行限定。

設(shè)計(jì)的電磁線圈為雙線圈結(jié)構(gòu)，鐵芯上開(kāi)有兩個(gè)勵(lì)磁線圈繞線環(huán)形凹槽，在進(jìn)行繞線前需要注塑一定厚度的骨架，再將漆包線反向繞制在兩線圈槽內(nèi)，保證通電后兩繞線槽中間的鐵芯區(qū)域和對(duì)應(yīng)的阻尼通道處磁力線方向相同，磁場(chǎng)相互疊加，起到增強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的目的。其中，鐵芯、活塞外套、磁流變液阻尼通道共同組成磁路回路。

線圈的引出線通過(guò)鐵芯內(nèi)部的引線槽經(jīng)過(guò)活塞桿通孔引出，連通外部電源。為了避免磁流變液與勵(lì)磁線圈內(nèi)的漆包線直接接觸造成磨損，而導(dǎo)致線圈短路，需要對(duì)兩勵(lì)磁線圈進(jìn)行包塑而進(jìn)行封裝保護(hù)。再者，為了防止磁流變液從活塞桿通孔泄露并固定引出線，需要在活塞桿引線孔內(nèi)注滿特殊粘合劑，完成活塞總成組件的封裝。

為了保證減振器在活塞換向或低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁流變液能充分流動(dòng)于上、下腔，保證高壓氣室進(jìn)行體積補(bǔ)償，可以在鐵芯中開(kāi)幾個(gè)與上、下壓板通孔相對(duì)的微小通孔。具體通孔個(gè)數(shù)可以依據(jù)具體的車型和阻尼力需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了活塞總成在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中起自導(dǎo)向作用，一般設(shè)計(jì)活塞外套中間位置的外徑大于兩邊，類似的環(huán)形凸起結(jié)構(gòu)，保持該外徑與工作缸的內(nèi)徑距離在0.5mm左右，保證導(dǎo)向。也可以在活塞外套中部加一環(huán)形導(dǎo)向帶，起到自導(dǎo)向作用。

3? 活塞材料的選用

3.1 磁流變液材料的選擇

選擇的磁流變液應(yīng)具有低零場(chǎng)黏度、沉降和凝聚穩(wěn)定性良好、流變響應(yīng)時(shí)間短、良好的溫度穩(wěn)定性（-40～150℃）等特點(diǎn)[2]。本文采用清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院智能懸架與輪胎課題組研制的6-5#-1型磁流變液。

3.2 活塞外套和活塞鐵芯材料的選擇

磁回路主要由活塞外套、活塞鐵芯側(cè)面、活塞鐵芯中心軸、阻尼通道工作間隙幾個(gè)部分組成。因此，除了磁流變液的性能要求外，要求活塞外套和活塞鐵芯具有較好的導(dǎo)磁性能。具體材料要求如下[3]：

①高磁導(dǎo)率材料，即選定一定匝數(shù)的線圈時(shí)，同樣磁路結(jié)構(gòu)的情況下，加載較小的激勵(lì)電流就能獲得更大的磁感應(yīng)強(qiáng)度;

②要求材料低矯頑力，磁滯回線所包圍的面積盡可能小，磁滯損失較小，渦流損失小;

③要求在開(kāi)啟或斷開(kāi)激勵(lì)電流時(shí)磁路能夠快速生磁或退磁，材料有較強(qiáng)的退磁性能，盡量縮短響應(yīng)時(shí)間，提升控制的可靠性;

④盡量選擇性價(jià)比高的材料，降低磁流變減振器開(kāi)發(fā)成本。

DT4型電工純鐵具有以上要求的性能特點(diǎn)，所以本文選擇DT4型電工純鐵作為自制磁流變減振器磁路部分的材料。

3.3 活塞桿材料的選擇

活塞桿主要將線圈的導(dǎo)線引出工作缸，不作為磁回路的一部分，但是需要承受一定的拉壓力及彎矩，所以需要考慮構(gòu)建的強(qiáng)度及剛度要求，選擇的材料應(yīng)具有良好的抗沖擊、塑韌性、抗振性等，還需便于切削加工與表面絕緣和熱處理，所以活塞桿選擇45#鋼作為原材料。

3.4 上、下壓板材料的選擇

上、下壓板主要起著固定鐵芯的作用，使鐵芯與活塞外套保持一定的阻尼通道間隙大小。一般不作為磁回路的一部分，具有一定的強(qiáng)度和剛度即可，所以上、下壓板選擇6xxx或7xxx系-T6鋁合金。

3.5 電感線圈材料的選擇

電感線圈的導(dǎo)線選用內(nèi)阻小、耐熱性能高的漆包銅線，線圈填充材料為抗磁、絕緣及耐沖擊耐腐蝕的材料。

4? 磁流變減振器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

經(jīng)過(guò)前面幾個(gè)部分對(duì)磁流變減振器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析和討論，可以得到如表1所示的磁流變減振器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

5? 結(jié)論

本文介紹了磁流變減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則及流程，基于結(jié)合原減振器性能要求，進(jìn)行磁流變減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，確定磁路關(guān)鍵參數(shù)，并確定了磁流變減振器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和各零部件的加工材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]張麗霞，龐齊齊，潘福全，等.磁流變減振器魔術(shù)公式模型在懸架控制中的應(yīng)用[J].中國(guó)機(jī)械工程：1-8.

[2]袁姝.電磁場(chǎng)參數(shù)對(duì)磁流變液特性的影響及優(yōu)化研究[D]. 上海工程技術(shù)大學(xué)，2016.

[3]張麗霞，林炳欽，李雪冰，等.基于Ansoft的磁流變減振器磁路設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代制造工程，2020（01）：1-9.