汽車單筒充氣磁流變減振器特性的試驗研究＊

賈永樞 周孔亢 徐 興 翁茂榮

（1.浙江工貿職業技術學院；2.江蘇大學）

1 前言

本文分析了汽車單筒充氣磁流變減振器的結構和阻尼力模型，通過試驗研究了汽車單筒充氣磁流變減振器阻尼力特性、磁流變液特性、磁路特性以及溫度特性，為磁流變減振器的設計提供了依據。

2 單筒充氣磁流變減振器結構與阻尼力模型

圖1為基于流動模式的單筒充氣磁流變減振器，活塞由工字形鐵心與導磁套筒通過焊接相連，并形成環形阻尼通道，漆包線繞制在鐵心上并通過注塑保護表面，電源線通過空心活塞桿引出。輸入0～2 A電流將在環形阻尼通道磁極處產生不同的磁場，改變流經通道的磁流變液粘度，實現阻尼力控制。壓縮行程時，活塞桿占用筒內體積，磁流變液需臨時儲存；拉伸行程時，活塞桿移出筒內，下腔體積增大需要補償液體，否則會形成空行程，產生畸變。因此，需要在儲氣室內充入2 MPa壓力的氮氣用于活塞桿的體積補償。

流動模式閥體兩端的壓力差模型可以參考Phillips推導的模型[5]:

式中，Δpη為與磁場無關的粘滯應力分量；Δpτ（H）為與磁場有關的可控應力分量；η為零磁場粘度；h為阻尼通道間隙；v為活塞相對外筒的運動速度；l為活塞有效長度；τy為不同磁場的磁流變液剪切屈服應力；D為環形阻尼通道直徑；A為減振器活塞的有效面積；c為 [2，3]范圍內的一個常數，當小于 1時，c取 2，當大于100時，c取 3。

結合文獻[6]車輛單筒充氣磁流變減振器阻尼力數學模型建立及試驗仿真，汽車減振器產生阻尼力可以描述為:

式中，Fl為拉伸行程減振器阻尼力；Fy為壓縮阻尼力；p1為活塞上腔內的壓強；p2為活塞下腔內的壓強；pa為標準大氣壓強；Ah為活塞有效面積；Ag為活塞桿有效面積；Ff為摩擦力；S為活塞振動位移；p0為活塞壓到底時充氣壓力；V0為活塞壓到底時儲氣室體積；p3為儲氣室充氣壓力；lg為活塞桿長度。

聯立公式（1）、公式（2）即為單筒充氣磁流變減振器數學模型。

3 單筒充氣磁流變減振器特性試驗

試驗采用已經商業化的國外某汽車懸架單筒充氣磁流變減振器，該減振器外徑50 mm，長度620 mm，活塞桿直徑13 mm，活塞線圈電阻1 Ω，輸入電流0～2 A。如圖2所示，減振器裝在多速程控示功機上進行特性試驗。

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3.1 減振器示功特性試驗

為測試減振器耗能和阻尼力特性，對減振器進行示功特性試驗。試驗時輸入電流為0～2 A，在每個輸入電流下激勵頻率選用0.17 Hz、0.42 Hz、0.83 Hz、1.25 Hz、1.67 Hz、2.5 Hz，振幅±50 mm，最大速度為0.524 m/s，得到如圖3、圖4所示的阻尼力特性曲線。

對比不同頻率、不同電流下的阻尼力特性曲線，可以得出如下結論:

a.示功曲線非常飽滿，減振器具有很強的耗能特性，且耗能特性隨著輸入電流、激勵頻率的增大而增加。

b.減振器具有良好的可控性，隨著輸入電流的增大，壓縮與復原阻尼力不斷增加。

c.在振幅相同條件下，隨著輸入電流增大，激振頻率對阻尼力的影響逐漸下降。在輸入電流為2 A時，隨著頻率的增加，頻率對阻尼力影響變小。由式（1）數學模型可知，粘滯阻尼力與激振頻率有關；可控阻尼力與剪切屈服應力有關，隨著電流增大，可控阻尼力迅速增大，并大于粘滯阻尼力，所以阻尼力整體呈現出對激振頻率不敏感的特性。

3.2 減振器溫度特性試驗

為了測試汽車單筒充氣磁流變減振器工作時溫度變化對減振器阻尼力特性的影響，對減振器進行溫度特性試驗。試驗時，減振器裝在減振器示功臺架上，采用正弦激勵施加循環載荷，用熱敏電阻式溫度計記錄減振器平衡位置的溫度和阻尼力。

圖5所示為電流I為1.5 A、速度v為0.524 m/s時，活塞在平衡位置時阻尼力與溫度的關系曲線。如圖6所示為不同電流與激振頻率下，溫度與時間的關系。

從圖5可以看出，隨著溫度升高，拉伸阻尼力下降，而壓縮阻尼力上升，拉伸與壓縮阻尼力的衰減率分別為7.3%和-6.7%。主要是由于充氣減振器隨著溫度升高，充氣壓力增大,導致拉伸阻尼力減小而壓縮阻尼力增大，這與阻尼力理論模型式（2）描述的阻尼力一致。

分析圖6可以得出，減振器升溫的快慢與電流和工作速度有關。速度一定時，減振器工作溫度隨電流的增大而升溫變快；電流一定時，減振器工作溫度隨速度增大而升溫變快。

3.3 磁流變液流變特性試驗

磁流變液性能直接決定磁流變減振器的阻尼特性和可控性。為了測試外加磁場對磁流變液特性的影響，對某汽車單筒充氣磁流變減振器內的磁流變液進行流變特性試驗。試驗在奧地利安東帕公司的MCR301型流變儀內完成，使用PP20測量夾具，即直徑為19.961 mm的兩個平行板。如圖7所示，該儀器可以產生最大1T的磁場，可以完全由軟件自動記錄所有剪切應力、剪切速度、溫度、磁場等參數。

a.剪切應力與磁感應強度的關系試驗。試驗溫度20℃，設定儀器轉速95.7 r/min，剪切速率為100 s-1，控制外加磁場0～0.757 T線性增長，試驗時通過軟件記錄不同剪切速率下的剪切應力，經數據處理得到如圖8所示關系曲線。

從圖8中可以看出，剪切應力隨外加磁場的增大而增大，當磁感應強度達到0.75 T時剪切應力達到60 kPa，磁流變液具有很好的可控性。結合單筒充氣磁流變減振器數學模型式（1）、式（2），外加磁場可以最終控制減振器的阻尼力，即減振器具有良好的可控性。

b.剪切應力與剪切速率的關系試驗。試驗設置剪切速率0～100 s-1線性增長，設定外加磁場為0、0.4 T、0.75 T，通過軟件記錄參數，經數據處理得到如圖9所示的曲線。從圖9中可以看出，剪切速率一定時，剪切應力隨外加磁場的增大而迅速增大；當外加磁場一定時，剪切應力隨剪切速率的增大而線性增大。

3.4 減振器磁路磁場特性試驗

磁流變減振器通過控制活塞線圈電流改變減振器活塞阻尼通道的磁場，從而控制磁流變液的剪切應力及粘度，產生不同的阻尼力，因此磁路磁場直接關系到減振器的減振效果。如圖10所示，使用上海高端GM-2高斯計測試減振器內部活塞阻尼通道磁極處的磁場，試驗時阻尼通道的介質為空氣。通過穩壓器輸入0～2 A電流，利用高斯計顯示并記錄活塞阻尼通道磁極在不同電流時的磁場，得到如圖11所示在空氣狀態下的磁場特性曲線。

分析圖11可知，活塞阻尼通道的磁場感應強度隨電流增大而增大，具有較強的可控性，在電流1.8 A左右，磁場增大幅度開始變小，主要是由于活塞的鐵心與活塞套筒材料的磁路開始趨于磁飽和，以及磁路結構參數影響所致。

4 結束語

a.汽車單筒充氣磁流變減振器具有很強的耗能特性。隨著輸入電流的增加，活塞阻尼通道的磁感應強度逐漸增大，磁流變液剪切應力增大，使得阻尼力增大，當電流達到一定時通道磁場出現飽和，阻尼力將趨于穩定。

b.單筒充氣磁流變減振器振幅一定時，隨著輸入電流增加，激振頻率大小對阻尼力影響逐漸下降。

1 Jolly M R，Bender J W， Carlson J D.Properties and appli?cations of commercial magnetorheological fluids.SPIE，1998，3327:262～275.

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3 張進秋，劉義樂，師文濤，等.車用磁流變減振器動力性能試驗分析.裝甲兵工程學院學報，2006，20（2）:1～5.

4 舒紅宇，王立勇，吳碧華，等.一種磁流變減振器的設計與試驗.農業機械學報，2006，37（5）:166～168.

5 Phillips R W.Engineering applications of fluids with a vari?able yield stress.Berkeley:University of Califonia，1969.

6 賈永樞，周孔亢.車輛單筒充氣磁流變減振器數學模型及試驗仿真.機械工程學報，2008，44（12）:272～278.