基于磁流變液阻尼器的拉力器結構設計

王富山 戴畸哲 龔瑤 王凱 李趙春

(南京林業大學機械電子工程學院,江蘇南京 210037)

基于磁流變液阻尼器的拉力器結構設計

王富山 戴畸哲 龔瑤 王凱 李趙春＊

(南京林業大學機械電子工程學院,江蘇南京 210037)

針對磁流變阻尼器在拉力器中的應用,鑒于傳統拉力器存在材料種類單一,拉伸倍數小,體積大,使用壽命短,重量大,難拆卸,不易攜帶等方面缺點的思考,本文采用了新興智能材料——磁流變液注入拉力器的缸筒中形成磁流變液阻尼器這一方法,并針對其是否具有可操控性進行了分析,從而確定拉力器的模型結構以及尺寸大小。

磁流變液 阻尼器 拉力器 結構設計

近年來，磁流變液的可控流變特性逐漸被應用于建筑結構、機械系統、車輛工程和武器系統等眾多重要領域[1，2]。根據磁流變效應設計的磁流變液阻尼器具有結構緊湊、功耗低、阻尼力大、動態范圍廣、響應速度快等特點，其阻尼力可通過調節外加磁場大小來控制，在工程上有廣泛的應用前景[3-6]。然而，傳統拉力器的主要原理是通過彈簧的伸縮而產生一定大小的力，而這種拉力器存在材料種類單一，拉伸倍數小，體積大，使用壽命短，重量大，難拆卸，不易攜帶等缺點。因此，對磁流變液阻尼器應用于拉力器的具體的、可行的控制方法的研究，從而確定拉力器的結構、尺寸等具有戰略性意義。將磁流變阻尼器應用于拉力器，提高結構性能是磁流變技術具有現實意義和應用價值的研究方向。本文在傳統彈簧拉力器的基礎上采用磁流液阻尼器部分替代機械彈簧的方法進行拉力器的結構改進設計，為磁流變液這種新型材料應用于傳統彈簧拉力器，從而為它的結構與性能等方面的改善提供了依據。本文重點研究采用新興智能材料—磁流變液注入拉力器的缸筒中形成磁流變液阻尼器在可控性上進行了定量的計算，從而確定拉力器的模型、結構以及尺寸。針對磁流變液阻尼器的磁路結構的設計，用UniGraphics軟件和CAD軟件確定拉力器的模型，結構設計；用Visual軟件對初步設計的模型結構進行定量的計算及分析。

圖1 外形模型設計圖

圖2 外形模型尺寸標注剖視圖

1 磁流變液阻尼器拉力器模型設計

拉力器是是一種適合于大眾健身鍛煉的器材。研究拉力器的結構原理及新型材料對其的擴展應用對醫療康復儀器的設計具有極大的意義。傳統的拉力器主要利用彈簧的伸縮產生一定大小的力，其模型主要有彈力有限，彈簧易生銹，安全系數低 等缺點。本文提出的新型的磁流變液阻尼器拉力器具有結構緊湊、功耗低、阻尼力大、響應速度快，安全系數高等優點。

傳統拉力器和磁流變液阻尼器拉力器模型的對比，突出了磁流變液阻尼器的優越性。本文對新型磁流變液阻尼器拉力器的模型進行細致的分析。

用UniGraphics軟件和CAD軟件對模型進行了初步設計，如圖1(a)、圖1(b)所示。其基本思路是在缸筒內充滿磁流變液，活塞桿和拉環作為一個整體，底部安置一橡膠墊子，缸筒外部放置一機械彈簧。線圈則繞置在活塞桿上兩個圓盤中間凹下去的位置。從而，缸筒內部的磁流變液作用形成的阻尼器與缸筒外部的機械彈簧相輔相成，共同達到阻尼力的設計要求。圖1((a)、(b))為外形模型設計圖，圖2為其尺寸標注剖視圖。

2 磁流變液阻尼器拉力器的設計

磁流變液阻尼器拉力器的外形尺寸是基于MRD60型的設計過程而設計的。根據拉力器的需求，確定了阻尼器的幾個參數，阻尼器缸筒的內徑D1為30mm，缸筒外徑D3為26mm，磁流變液的零場粘度η為0.24pas，在最大電流下液體的屈服應力τy為52kpa，在這個尺寸參數下，要求阻尼器能夠在5m/s的速度下，提供最大500N的阻尼力，并且在0.05m/s的活塞運動速度下，可調系數能夠達到6。同時，在阻尼器的設計過程中，選用磁流變液的平板Bingham模型作為設計模型[2，7]。

2.1 磁流變阻尼器的結構尺寸設計

圖3 阻尼力和可調系數計算模塊界面

圖4 磁路截面積計算界面

圖5 Malab磁化曲線擬合操作界面

圖6 材料40Cr 磁化曲線

圖7 線圈匝數計算界面

(1)結構尺寸。在計算結構尺寸其他參數之前要先假設間隙h=2mm，有效長度L=20mm，活塞桿直徑D4=12mm。根據上面已知和假設的參數，可以計算出磁流變液阻尼器簡化成平板模型的等效寬度 w、活塞有效面積 Ap、阻尼器工作時的流量 Q。間隙h、有效長度L、活塞桿直徑D4這三個參數的具體數值，將在下面的計算過程中根據設計要求進行調整。

表1 磁流變阻尼器結構參數

其中， w是平板模型的等效寬度，單位為m； Ap為活塞有效面積，單位為m2； Q為阻尼器工作時的流量，單位為3m/s。C為補償系數，在設計中可以近似用。

(2)磁流變阻尼器的阻尼力。在拉力器中，磁流變液阻尼器阻尼力主要由庫侖力和粘性力構成。影響庫侖力的主要因素有活塞有效面積Ap、間隙h、有效長度L等，而影響粘性力的因素則有阻尼器工作時的流量Q等。可調系數Δ是在一定的活塞運動速度下粘性力占總阻尼力比重的倒數。

根據磁流變液的本構方程和邊界條件可以推到出阻尼器產生阻尼力的公式：

Fτ—產生的庫侖力，N； Fη—產生的粘性力，N；F—總的阻尼力，N；可調系數：

庫侖力和黏性力主要與阻尼器的結構有關，利用假設的參數計算出的結構參數同樣也影響著阻尼器的阻尼力。實驗要求能夠提供最大500N的阻尼力。根據計算出的尺寸，計算輸出的阻尼力能否達到實驗的要求，并進行優化設計。

(3)優化設計。如果假定的h，L，D4計算出的阻尼力不滿足要求，則需要重新假設，并進行計算直至阻尼力符合要求。為了減少計算量，方便尺寸的不斷優化，提高設計效率，利用Visual軟件對計算流程進行程序化，其VB各參數計算流程界面如圖4所示。

(4)磁路截面積計算。各個磁路截面積的大小對磁流變阻尼器的性能參數有著很大的影響。

參考單桿單筒式磁流變液阻尼器的設計流程，D1，D2，D3，D4，L的值會在設計初期做出一定的假設，而在能夠影響磁流變阻尼器性能的參數中，還有線圈骨架直徑D5和長度L1未定，由于這兩個參數與磁路的結構有關，所以需要在磁路的設計中來確定。

不考慮漏磁，把磁路當做電路來看，線圈通電產生磁場源。把阻尼器按磁路的功能分成幾個部分(如圖(4))。進行磁路設計的主要目的是保證在電流最大時，磁路各部分能向磁流變液傳遞足夠的磁場。設定最大電流為2.5A，在此電流下，磁路要能向磁流變液傳遞其飽和磁場強度300Amp/m。其次，要保證磁流變液中的磁場能量盡量大，即減少減小其他部分的能量損耗。由于結構和材料的限制，單級的阻尼器磁路可能無法向磁流變液提供所需的磁場，這是可以采用多級結構，在此我們設阻尼器分為X級(這里取3)。首先要計算出磁路各部分的導磁界截面積。

其中，S1是鐵芯部分截面積；S2是活塞磁軛部分截面積；S3是磁極截面積；S4是磁流變液截面積。

活塞材料為40Cr，其飽和磁感應強度約為1.5T(即B4)，要求磁流變液達到的磁場強度300Amp/m，查其磁化曲線得到其所達到的磁感應強度0.9T(即B1)。根據磁通守恒定律： Φ= B·S，至此算出D5以及磁路各部分的截面積以及求出磁路各部分的磁感應強度。圖4為利用VB程序磁路截面積計算界面。

2.2 材料磁化曲線擬合

要計算線圈匝數N，必須要先計算出磁場強度H。而磁場強度H與磁感應強度B有關，所以需要確定材料(這里我們用40Cr)的磁化曲線，即得到磁場強度H關于磁感應強度B的函數，是對后面進行線圈骨架直徑D5和長度L1的確定所做的前期準備。用Malab進對此材料進行了磁化曲線的擬合，其操作界面如圖5所示，得到了一條誤差相對最小的曲線，如圖6所示。其函數關系式為：

H─磁場強度， Amp/ m

B─磁感應強度，T

2.3 線圈匝數確定

線圈匝數N除了與磁場強度H有關，還與活塞結構各部分大小有關。根據公式：

由上面的公式得到N與L1的關系，并不能真正求出線圈匝數，因此要求出L1的值。設計線圈分三層繞制，則每層線圈長度應為(d為電磁線標稱直徑，，線圈骨架長度L 1顯然要大于。所以，匝數應滿足不等式，求出L1的最小值，考慮到在繞制線圈時，線圈之間不可能緊密，會有間隙，所以適當放長L1的大小。圖7為所計算的線圈匝數。

至此，整個活塞部分的結構就設計好了，各個參數表1所示。

3 結語

本文基于MRD60型的設計過程，采用了輔助圖形結構設計軟件、Visual軟件簡化計算程序等手段確定了該拉力器的模型結構，尺寸大小以及形成磁路的各級參數，同時驗證了磁流變液阻尼器應用于拉力器初步符合阻尼力等設計要求，在理論上具有一定的可行性。但是該尺寸所確定的結構形成的磁場規律能否符合設計要求，對此，我們可以采用MAXWELL磁路分析軟件對其磁路進一步仿真驗證。

[1]Seval G.Synthesis and properties of magnetorheological Fluids:[PhD Dissertation].University of Pittsburgh,2002.

[2]Jolly M R,Bender J W,Carlson J.Properties and applications of commercial magnetorheological fluids.SPIE,1998,3327;262.

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[4]Carlson J D.What makes a good MR fluid[J].Journal of Intelligent Material System and Structure,2003,13(7-8):431-435.

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[6]鄒明松,侯保林.兩種大噸位磁流變阻尼器的功耗比較與參數優化[J].南京理工大學學報,2008,32(6):719-723.

[7]Lange U,Richter L,Zipser L.Flow of magnetorheologiaclfluids.Journal ofInetlligent Material Systems and Structures,2001,12(3):161-164.