磁流變減振器基本結構設計研究綜述*

張 廣，張晉寧

（1.浙江工業大學臺州研究院，浙江臺州 318001；2.浙江工業大學機械工程學院，杭州 310014）

0 引言

磁流變液作為一種新型智能材料，在磁場的作用下，可以在幾毫秒內由黏性液體狀態變為半固體狀態，具有一定的磁控可變屈服應力。當磁場消失時，磁流變液可以迅速從類固體變為牛頓流體狀態。這種轉化過程是可逆連續的[1-3]。磁流變液由于具有響應速度快、阻尼連續可調、電磁可控性好等一系列優良特性，被廣泛應用于減振器[4]、離合器[5]和閥門[6]，這些磁流變器件廣泛用于車輛[7]和橋梁減振[8]等。

磁流變減振器由于其突出的動態性能，如輸出阻尼力大、響應速度快、能耗低以及電子和機械系統之間的簡單接口，在半主動振動控制中展現出優越的能力[9-10]。 研究表明，磁流變減振器在車輛懸架方面發揮著出色的作用，無論地形和負載條件如何變化，都能提高乘坐舒適性和操控性。同時，磁流變減振器在土木工程和軍事領域也蓬勃發展，如抗地震波減振器、直升機起落架減振器和反后座減振器[11-13]。

為了更好地理解磁流變液減振器的結構設計，本文對磁流變液減振器的基本結構設計問題進行綜述。

1 磁流變減振器的工作模式

磁流變減振器是一種新型減振器，基于磁流變液的可控特性，在外加磁場的情況下，磁流變液中雜亂分布的軟磁性顆粒被磁化后沿著磁力線分布，首尾相連，形成網狀或鏈狀結構，使磁流變液從Newton 流體特性轉變為Bingham流體特性。這一流動特性的改變，使減振器活塞阻尼通道兩端產生壓力差，進而調整減振器輸出的阻尼力值，達到減振器阻尼可變的目的。磁流變液在減振器中流動，近似于在兩個無限大平板間進行幾種不同方式的運動[14]。根據流體流動和流變應力，磁流變器件的工作模式主要分為以下3種：流動模式、剪切模式和擠壓模式[15]。

1.1 流動模式

在流動模式中，磁流變液位于兩個相對靜止的極板之間，如圖1 所示，由于裝置中的壓力差而使磁流變液流動。該壓力差為由磁場引起的屈服應力分量ΔPH和與磁場無關的黏性分量ΔPη之和[16]。

圖1 流動模式

式中：Q為體積流速；L、h、s分別為極板長度、寬度和間隙；c為經驗系數，ΔPη∕ΔPH＜1 時，c=2，1≤ΔPη∕ΔPH≤100時，c=3。

減振器是流動模式下磁流變液最典型的應用。減振器能產生強大的阻尼力，且可根據外部振動的不同自行調節磁場強度大小，使減振器阻尼通道兩端的壓力差發生變化，達到主動減振的目的。

1.2 剪切模式

磁流變在剪切模式下，磁流變液位于兩個相對運動的極板之間（圖2），產生剪切阻力。該阻力為由磁場引起的屈服力分量FH和黏性力分量Fη之和[16]。

圖2 剪切模式

式中：v為極板相對運動速度；A為工作表面積。

在此種模式下磁流變液器件主要依靠磁流變液的剪切應力來傳遞轉矩，由于磁流變液的屈服應力受外加磁場控制且相變的過程在毫秒量級內完成，磁流變液器件可以做成靈敏度極高的控制元件，用于連接和傳遞兩部件之間的力或力矩。

WANG 等[17]設計了一種具有剪切閥工作模式的礦用磁流變減振器。與傳統的減振器相比，這種磁流變減振器具有更好的耗能特性，可以在短時間內提供更大的阻尼力。磁流變減振器不僅可以有效避免振動篩的共振，而且不會影響振動篩工作時的穩定振幅，還可以大大減少振動篩的停機時間。

1.3 擠壓模式

在擠壓模式中，磁流變液位于兩個極板之間，兩磁極作相對運動，磁力線的方向平行于活塞運動方向，磁極擠壓磁流變液，使之向四周流逸從而產生擠壓效果，如圖3所示，磁極的位移量較小（幾毫米以下），產生的阻力卻很大。擠壓模式與流動模式和剪切模式比較，研究的還不夠深入，主要應用在一些小振幅的減振器上。

圖3 擠壓模式

LI 等[18]對具有預壓縮機制的新型擠壓模式MR 減振器在這種激勵下的力學性能進行了定性和定量分析。為提高性能，提出了一種新型預壓縮機制擠壓模式MR 減振器。實驗結果表明，預壓縮可有效提高高頻硬化效果。

2 磁流變減振器工作缸的結構設計

磁流變減振器結構型式多樣，一般按磁流變減振器的突出結構特點進行分類以便進行描述，主要從以下幾個方面進行分類[19]：按補償腔位置不同可以分為外置或內置補償腔補償；按活塞桿的形式可以分為雙出桿式和單出桿式；按磁極安裝位置可以分為磁極運動式和磁極固定式；按缸筒結構形式可以分為單筒式和雙筒式。通常用以上幾種分類方式的組合對一般磁流變減振器的結構型式進行劃分，較為典型的結構型式有單出桿單筒型、單出桿雙筒型和雙出桿單筒型3種[20]。

2.1 單出桿單筒型結構

單出桿單筒型被動減振器的典型結構如圖4 所示。單出桿單筒型磁流變液減振器基本上是基于一個單桿缸的結構，它只有一個磁流變液工作缸，工作缸被一個運動活塞分為復原腔和壓縮腔。在活塞運動過程中，氣缸中的磁流變液通過組裝在活塞中的磁流變減振器控制閥，這導致磁流變液黏度明顯變化，從而導致流體流動的壓差，并因此產生與可控磁場成比例的阻尼力。帶有壓縮氣體（通常為氮氣）的蓄能器通過浮動活塞或氣囊與磁流變液分離，具有以下3 個功能。第一，蓄能器用于適應由于活塞運動而引起的不可壓縮磁流變液的體積變化。第二，蓄能器可提供壓力偏移，使得磁流變液控制閥的低壓側不會減小而引起磁流變液的氣蝕。第三，氣室在減振器受力時壓縮，在減振器未受力時恢復，從而起到一個類似彈簧的作用來保持減振器的延伸長度[21-22]。單出桿單筒型減振器的優點是機械結構制造更簡單、部件更少、質量更輕，缺點是氣壓更高（通常大于1 MPa），與雙管減振器相比，氣缸更容易損壞[21]。

圖4 單出桿單筒型

2.2 單出桿雙筒型結構

單出桿雙筒型減振器的基本結構如圖5 所示。該單出桿雙筒型減振器具有內缸和外缸。內缸填充有磁流變液，并像單出桿單筒型減振器的工作缸一樣引導活塞及活塞桿組件。部分填充有磁流變液的外缸適應由于活塞運動而引起的體積變化，從而實現與單出桿單筒型減振器中的氣動蓄能器機構相同的目的。此外，外缸還可以保護減振器的內部部件，并能將熱量從減振器流體傳遞到周圍環境。內缸底部設置有底閥，如圖6 所示。底閥用于在復原和壓縮過程中調節內缸和外缸之間的流動。當活塞桿進入減振器時，磁流變液從內缸通過底閥中的壓縮閥流入外缸。從內缸流入外缸的磁流變液流量等于活塞桿進入內缸時排出的體積。當活塞桿從減振器中抽出時，磁流變液通過底閥中的回流閥流入內缸[21，23-24]。一般來說，雙筒減振器可以在較低氣壓（小于1 MPa）下工作，但更加復雜，并且在散發產生的熱量方面存在問題[21]。

圖5 單出桿雙筒型

圖6 底閥示意

2.3 雙出桿單筒型結構

雙出桿單筒型是單管結構的特殊配置，如圖7 所示。活塞桿具有相同的直徑，并穿過雙端磁流變液減振器的兩端伸出。這種布置不需要將桿體積補償器并入減振器中，因此氣室可以被移除，并且其本身不會產生彈簧效應，可以提供小壓力蓄能器來適應流體的熱膨脹[23]。雙端磁流變減振器已經用于沖擊和振動加載、火炮后坐力應用以及結構中的地震保護[25-27]。

圖7 雙出桿單筒型

3 磁流變減振器控制閥的設計

磁流變閥通過電流控制磁場強度進而控制阻尼力，典型磁流變閥如圖8 所示，磁流變閥包括磁性殼體（通量環）、磁芯、纏繞感應線圈的非磁性線軸以及位于磁芯外部和磁性殼體內部之間的流液通道，該流液通道連接到磁流變液入口和出口[28-29]。磁路引導磁通通過磁流變閥的主體部分，磁流變液的動態屈服應力隨電磁線圈產生的磁場強度而變化，因此在受控的磁場強度下激活合成阻尼力以抵抗運動。在沒有磁場的情況下，阻尼力僅由磁流變液本身的黏度產生[30-31]。磁性外殼和磁芯通常使用低碳鋼，具有高磁導率和飽和度，并且可以有效地將磁通量引導到流體間隙中[32]。此外，采用襯套和墊圈來防止磁場泄漏[31]。

圖8 磁流變閥示意

電磁線圈放置在上述磁流變液工作缸內，稱為內線圈。可替換地，線圈可以布置在工作缸的外部，這被稱為外部線圈。內部線圈布局采用固定尺寸的環形流動通道（或所謂的矩形管道），并且流體流動的方向主要垂直于所施加的磁場，而外部線圈采用圓柱形管道，并且流體流動的方向平行于所施加的磁場。與使用外部線圈相比，使用內部線圈可以實現更高的壓力容量、更快的控制響應和更少的泄漏[33]。

4 典型的磁流變減振器

根據基本功能部件（即磁流變液工作缸和磁流變液控制閥）的不同布置，本節介紹了幾種典型的磁流變液減振器。

4.1 內置線圈的磁流變減振器

圖9 所示為磁流變液控制閥中內置線圈的一體式磁流變液減振器的結構。磁流變閥放置在移動活塞內，活塞桿具有中空結構，以容納線圈導線并將其與磁流變液分離。由于磁芯和工作缸可相對運動，所以這種磁流變減振器可以工作在3 種復雜的流體模式下：（1）單流模式；（2）閥模式和剪切模式組成的混合模式;（3）閥模式、剪切模式和擠壓模式組成的混合模式[32]。

圖9 內置線圈的結構示意

當磁流變減振器的勵磁線圈通電時，假設產生的磁通線均勻分布，忽略其他結構對磁場的影響。通過簡化磁路分析可以得到如圖10 所示的磁路圖。可以看出，磁通線依次穿過活塞頭、阻尼間隙和氣缸，形成閉合回路。根據不同結構中磁通線的方向，磁路可分為磁阻6 段，為R1～R6。HU 等[34]計算了磁流變減振器的磁路，分別建立了磁流變減振器的力學模型、電磁場模型、流場模型和應力場模型。在COMSOL 軟件中建立了磁流變減振器的多物理場耦合模型，并進行了多平臺聯合優化。

圖10 磁流變減振器的簡化磁路

一般來說，內置線圈的磁流變減振器通常具有結構緊湊、線路保護的優點，缺點是增加活塞頭的質量，更多散熱在磁流變液中導致溫度升高影響性能，安裝和維護不方便，以及磁流變閥剛性替換。盡管如此，由于利用活塞及閥單筒結構的集成設計能提供高導通狀態阻尼力和低斷開狀態阻尼力的效率[28]，所以大多數磁流變減振器仍選擇這種結構。如ARALIKATTI 等[35]將這種磁流變減振器用來抑制金屬切削中的刀具振動從而提高金屬表面光潔度和加工穩定性。

4.2 外置線圈的磁流變減振器

對于內置線圈的磁流變減振器，線圈散熱引起磁流變液溫度的增加可能導致其黏度下降并降低阻尼力的范圍[36]。因此在一些應用中會選擇使用外置線圈的磁流變減振器。圖11 所示為外置線圈和活塞同時移動的磁流變減振器的結構。圖12 所示為外置線圈固定的磁流變減振器結構。具有同時移動的活塞和外置線圈的磁流變減振器可以提供比具有固定的外置線圈的磁流變減振器更大的行程[37]。外置線圈的磁流變減振器的優點是，線圈產生的所有熱能可以排放到大氣中，不會對減振器的液壓系統產生任何加熱。但是，根據GRUNWALD 和OLABI[38]的分析，在相同體積約束和線圈匝數的情況下，可用阻尼力小于內置線圈的磁流變減振器。

圖11 外置線圈可動的磁流變減振器

圖12 外置線圈固定的磁流變減振器

4.3 雙筒式磁流變減振器

除了單筒式磁流變液減振器，研究人員還開發了幾種雙筒式磁流變液減振器，將磁流變液控制閥結合到雙筒磁流變液缸的移動活塞中，其布置與單筒式磁流變液減振器中使用的布置類似[39-40]。需要注意的是，在某些混合模式的雙筒式磁流變液減振器中，與磁流變閥集成的活塞可以放置在離磁極相當遠的位置處，并且由于磁場可能影響活塞附近的流體流動，由磁流變效應引起的動態阻尼特性與純混合模式的動態阻尼特性略有不同[41]。

圖13 雙筒式磁流變減振器

圖13 所示為一種雙筒式磁流變減振器，賈永樞等[42]首先對其結構和工作原理進行分析，建立了阻尼力數學模型和三維有限元仿真模型，最后通過臺架試驗驗了該模型的正確性。該理論模型的建立對于類似的減振器結構建模具有一定的指導意義，同時該減振器道型對于分析磁流變減振器關鍵參數對阻尼力靈敏度具有重要意義。

4.4 旁路型磁流變減振器

磁流變閥與一個旁通管一起安裝在磁流變液工作缸內，阻力流出現在磁流變液工作缸缸外。在實際設計中，單筒或雙筒磁流變液工作缸與旁通閥配合使用，也存在內置線圈和外置線圈的旁路型磁流變液減振器。旁路型磁流變液減振器用于具有大沖程和大激勵振幅的高沖擊力系統，如火炮后坐力、飛機起落架裝置和危險物體運輸系統。圖14和圖15所示分別為雙出桿和單出桿旁路型磁流變減振器[43]。

圖14 雙出桿旁路型磁流變減振器

圖15 單出桿旁路型磁流變減振器

具有可變剛度和可變阻尼能力的磁流變液減振器表現出出色的減振性能。旁路型磁流變液減振器除了簡單的維護和簡單的組裝外，還提供更高的動態范圍和輸出力。外部設計的旁通閥允許直接進行設計修改，以實現不同應用（例如，越野車懸架系統）中阻尼力的廣泛可擴展性[44]，如增設環形磁鐵。如圖16 所示，磁流變閥的工作磁場由勵磁線圈和環形磁鐵施加，即使在零電流下也能保持出色的壓降性能。這種復合驅動磁流變閥控減振器的輸出阻尼力可以連續調節，通過調節輸入電流來控制減振器的動態性能[45]。

圖16 復合驅動旁路型磁流變減振器

4.5 海綿型磁流變減振器

一種海綿型磁流變減振器，其中磁流變液包含在吸收劑基體中，該減振器采用剪切模式操作，具有較少的復雜性和密封問題。如圖17所示，它由球關節、活塞桿、油缸、氣缸的封面和底鉗構成。海綿型磁流變減振器的活塞是一個線圈，線圈纏繞著一塊海綿，海綿是一種吸收劑材料。海綿型磁流變減振器在剪切模式下工作，活塞在工作缸內往復運動，無需密封件、軸承或精確的機械公差，并且僅需要最小體積的磁流變液，這有利于磁流變液在成本敏感領域的應用。在實踐中，低成本的海綿基磁流變液減振器已用于高性能洗衣機，抑制洗衣機的振動[46]，還有的被用于鏜削刀具的減振和提高穩定性[47]，以及用于機器人輔助手術領域[48]。

圖17 海綿型磁流變減振器

4.6 磁流變擠壓油膜減振器

磁流變擠壓油膜減振器是一類具有變剛度和變阻尼特性的智能軸承，可用于旋轉系統的減振。這種類型的磁流變減振器具有高阻尼力和低阻尼行程，結構簡單緊湊，已被應用于轉子或直線運動系統中以抑制不平衡振動[49]。

圖18 所示為一種磁流變擠壓油膜減振器。該減振器的部件包括主體（外部元件）、圓盤（內部元件）、側蓋、兩個線圈、O 形圈和兩個滾珠軸承。閥體、閥盤和側蓋均由碳鋼制成。線圈嵌入減振器的主體和側蓋內，充當電磁鐵的核心。它們放大產生的磁場并引導其通過磁流變流體膜。磁流變流體的黏度以及因此系統的阻尼在向線圈施加電流并形成磁場時改變。此外，磁流變擠壓油膜減振器內部還安裝了一個滾珠軸承，以防止軸的旋轉傳遞到移動盤上。因此，只有渦動會傳遞到磁盤。

圖18 磁流變擠壓油膜減振器

這種帶有磁流變液的緊湊型減振器提供由外部磁場控制的可變阻尼力。磁流變擠壓油膜減振器被歸類為具有可變剛度和阻尼性能的智能軸承，可以減輕旋轉系統的振動[50]。

用比例控制器提供控制反饋，借助仿真模型可對磁流變擠壓油膜減振器重要設計參數進行參數化研究。發現這些受控減振器可用于在不同的操作條件下以及在臨界轉速時減小振動[51]。

5 結束語

相比于傳統減振器，磁流變減振器的優點在于能夠實現半主動控制。本文系統地概述了磁流變液減振器的結構設計問題，從磁流變減振器的線圈結構設計、工作缸設計、磁路電磁設計等方面，提出了提高磁流變減振器阻尼力、縮短響應時間等改進措施。對于磁流變液減振器的結構設計，可以得出以下結論。

（1）根據不同的工作模式和結構配置，出現了多種類型的磁流變減振器，憑借磁流變減振器獨特的優勢，在工程領域和醫學領域展現出優異的表現，也已廣泛應用于不同技術領域的許多復雜系統中。

（2）磁流變液減振器的結構設計一直以提高減振器性能為目標，但越來越多地考慮實際因素，如有效的機械幾何形狀和電磁回路特性，并引入創新結構或智能材料來構造相當復雜但更緊湊和通用的系統。

（3）磁流變液減振器的優化設計可以通過系統統一地考慮實際約束條件來進一步系統地探索。這可以通過建立磁流變液減振器的無量綱動力學模型、從材料和幾何特性兩個方面考慮有效設計參數的統一優化目標函數以及有效評估制造公差和應用中易損部件的參數敏感性分析來實現。

（4）磁流變減振器在不同領域的應用潛力將進一步探討。例如，根據磁流變減振器的可變阻尼和剛度特性，智能可穿戴設備可用于醫療，以防止關節振動；在虛擬現實設備中，佩戴者改變了運動阻尼，以增加對真實環境的體驗感；在醫療或其他領域的遠程控制中，為操作員模擬實時觸覺反饋，以提高真實感。盡管這些方向提出了許多具有挑戰性的問題，但對實際應用的需求肯定會推動當前基于磁流變減振器的設備的研究向前發展。