基于單筒式磁流變減振器的結構設計

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構進行分析，建立了適合的數學阻尼模型，設計一種新型的磁路方案。通過合適的公式和嚴謹的計算選定減震器的核心結構參數，設計出一種新型單筒式磁流變減振器。與傳統減震器相比，新式的磁流變減振器機械裝置簡單具有輸出阻尼更大，關鍵參數調節范圍更廣，流體響應速度更快，減震器能量消耗更低等特點，將會成為半主動懸架系統的最佳執行器之一。

關鍵詞：磁流變減振器;材料選擇;結構設計

0 ?引言

磁流變減振器（以下稱MRD）是磁流變液（以下稱MRF）在工程領域的一個重要應用。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。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，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發生變化的整個過程中其屈服應力、剪切粘度、流變行為、粘彈性等重要參數均會發生顯著變化。我們充分利用這類智能材料的優點，通過對磁路進行合理設計，在給MRD內部電磁線圈加入磁場后使得MRF在阻尼通道內產生有效的受磁場強度誘導的可控阻尼力，由其自身物理性質變化所產生的粘滯阻尼力和摩擦阻尼力（兩種阻尼力統稱為不可控阻尼力），基于此所產生的合力統稱為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，本文的主要研究內容體現在以下幾個方面：①根據設計方案選擇合適的MRF材料。②設計MRD，綜合考慮實際的設計條件與加工成本，通過我們已經分析好的MRD理論數學模型設計關鍵結構尺寸。③根據我們掌握的有關電磁學的基本知識設計磁路，使其電磁線圈產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重，提高MRD的減震性能。

1 ?材料選擇和設計方案

1.1 材料選取

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

MRF的選擇至關重要，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所受壓力梯度產生的流動模式，阻尼通道上下兩極板水平相對運動所產生剪切模式，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點復合所產生的剪切閥式工作模式。流動模式為流體流動導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。所以本次研究所設計的MRD，我們選擇流動模式作為MRF在阻尼通道內部流動的工作模式。

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，構成了封閉磁路。在忽略漏磁情況下，活塞勵磁線圈產生的磁場閉合回路，活塞內部放置了隔磁板，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理論模型構建及其阻尼力分析

在MRD工作期間，MRF反復流經環形阻尼間隙。對于MRF的準靜態分析，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提供了環形間隙中Bingham模型下MRF的典型剪切應力圖和速度曲線，在第Ⅰ區和第Ⅱ區域，流體間的剪切應力超過其屈服應力，流體發生剪切運動。而在區域C中，流體剪切應力低于屈服應力，通常此區域又稱為插頭流區域，在此區域內流體速度為常量。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（剪切應力與剪切應變速率的斜率），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為MRD所產生的阻尼力大小，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尺寸進行結構設計的時候，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是其可控阻尼力和動態范圍。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，這樣會使得動態范圍趨近于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值上，同樣可以讓動態范圍保持在峰值附近。根據G.Yang等學者的研究顯示，在對MRD進行設計時，我們普遍將阻尼孔尺寸比例（h/R2）設定為0.02左右，這將成為我們設計MRD阻尼孔尺寸的標準。我們暫定阻尼孔的高度h為2mm，所以缸體的內徑尺寸為R2為100mm。活塞頭運動的速度為6cm/s。其余零件尺寸可以根據車輛實際裝配要求再進行相應設計。

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

將阻尼通道設在活塞內的另一個好處是活塞外側與缸體內壁接觸，徑向方向產生的載荷沖擊較小，不再需要增加額外的導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用于大規模工程當中，所以本次MRD設計采用單筒單出桿結構，尾部則加入氮氣彈簧以實現減振器體積的補償。

2 ?結語

本文從MRD的結構出發，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，依據電磁學和流體力學相關知識對MRF的工作模式和磁路進行分析并設計出一種新型磁路。最后，以MRF的Bingham模型為基礎，創建MRD阻尼孔理論模型并對其產生的阻尼力進行合理分析以給出設計方法。

參考文獻：

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