農用車輛超磁致伸縮與磁流復合阻尼器結構設計

河南省煙草公司鄭州市公司 劉英杰 劉劍君 劉文

河南農業大學機電工程學院 趙漢雨 丁攀

農用車輛超磁致伸縮與磁流復合阻尼器結構設計

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河南農業大學機電工程學院 趙漢雨 丁攀

作為典型的傳統農業大國，我國對拖拉機及其改裝車等農用車輛的各項性能高度重視，安全舒適更成為現代車輛座椅設計追求的必要目標。考慮到拖拉機存在座椅設備簡陋﹑駕駛環境惡劣﹑田間作業低速﹑路面不平且路況多變等特殊情況，將新型智能材料——磁流變液應用于拖拉機座椅懸架上，可有效耗散地面激勵引起的車輛對駕駛員的振動，改善乘坐舒適性。近年來，磁流變液憑借其響應快﹑造價低﹑壽命長﹑可調范圍大等諸多優點而備受人們關注。

磁流變（Magnetorheological Fluids，簡稱為MRF）阻尼器由于其自身具有的許多優良性能，成為了結構振動控制領域最具有發展前途的減振裝置之一。針對國內外當前磁流變阻尼器需要線圈和外配電源而造成體積和重量大﹑結構復雜﹑對能源具有依賴性﹑斷電時阻尼力不可調等問題，我們提出一種超磁致伸縮（Giant Magnetostrictive Material，簡稱為GMM）與磁流變復合阻尼新技術，設計制作了一種無源自適應磁流變阻尼器。這種阻尼器不需要線圈和外配電源，結構簡單，利用磁致伸縮逆效應和磁流變效應把外部負載力的變化轉變為磁流變液阻尼通道中磁場的變化，最終輸出不同大小的阻尼力，具有負載自適應的特點。

一、超磁致伸縮與磁流變耦合機理

GMM是一種新型的功能材料，可以將磁能和機械能進行相互轉換，響應速度快。GMM逆效應，是指在一定磁場中，給超磁致伸縮材料施加外力作用，其磁化強度發生變化的現象。

磁流變液在磁場作用下可產生很大的阻尼，超磁致伸縮材料在外部負載作用下會快速（微秒級）引起其磁化強度的變化，超磁致伸縮材料與磁流變材料耦合作用下的阻尼可控的新方法，基本原理表示如圖1所示。GMM﹑磁能交換介質與兩端的磁軛構成磁回路①，磁能交換介質﹑磁軛﹑磁流變液和軟磁體構成磁回路②，當外部負載加載在GMM上時（圖1b），其內部磁疇向與施力方向垂直的方向偏轉，導致其內部磁化強度減小，因此磁回路①的磁通量減小，由于總的磁通量不變，因此磁回路②的磁通量增加，磁流變液在磁場作用下阻尼增大，磁能交換介質實現了GMM磁路磁能與磁流變磁路磁能的交換，而且GMM的負載施加力越大，磁回路②的磁通量增加越多，磁流變液的阻尼力也越大，因此上述方法具有自適應性的特點。

圖1 超磁致伸縮與磁流變液耦合的基本原理示意圖

二、阻尼器結構設計

阻尼器結構如圖2所示，在GMM兩端設置永磁體給GMM提供偏置磁場，以提高磁機轉換效率；彈簧（或碟簧）將活塞桿受到的力加載到GMM上；MRF在間隙處磁場作用下產生阻尼力。MRF間隙厚度為1.5 mm，永磁體牌號為N33，磁極方向為軸向。圖2中所示彈簧伸縮長度滿足阻尼器位移達到±25 mm，但是在做后面的磁致伸縮逆效應靜動態實驗時，因為要求的力接近甚至超過10 000N，普通彈簧無法滿足這種要求，因此使用碟簧替代彈簧，結合實驗人員和設備安全性的考慮，實驗時阻尼器的位移選擇了較小。

圖2 阻尼器結構圖

三、結論

用磁致伸縮逆效應，把阻尼器受到的外部負載力的變化轉化為磁場的變化，進而對MRF進行控制。該阻尼器具有負載自適應的特點，無需能源裝置，結構簡單，在農用車輛﹑防震﹑航天航空﹑野戰軍事器械﹑車輛減振等領域具有廣闊的應用前景。

河南省煙草專賣局（公司）科學研究與技術開發項目（HYKJM201315），河南省科技攻關項目（172102310737），河南省高等學校重點科研項目（17B416001），河南省科技攻關項目（162102210271），河南省基礎與前沿技術研究項目（142300410294），國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201510466001）】