浅析磁流变减震器磁流变效应的影响因素

杨启正

【摘要】磁流变液属可控流体，是智能材料中研究较为活跃的一支，是可磁化的固体微颗粒在基液中形成的悬浮液，其流变特性可由外加磁场连续控制，在不加磁场时，它表现为牛顿流体；在外加磁场作用下，磁流变液能在1ms内快速、可逆地由流动性良好的牛顿流体转变为高粘度、低流动性的宾汉塑性固体，具有一定的抗剪屈服应力，且其屈服应力随外界磁场的增加而增加。汽车磁流变减震器是利用磁流变液的流变特性和机械设计方法相结合而设计开发的减震器。影响磁流变效应的因素主要有磁场强度、磁饱和强度、温度等。

【关键词】磁流变液；减震器；磁场；影响因素

一、磁流变液减振器原理

（一）磁流变液及其效应

磁流变液是将微米尺寸的磁激化颗粒分散溶于绝缘基液中形成的特定非胶性悬浮液体。磁流变液效应是指在未加磁场下，磁流变液表现为牛顿流体特性；在外加磁场的作用下，磁流变表现为宾汉流体的特性。当磁流变液受到强磁场时，其悬浮颗粒被感应极化，彼此间相互作用形成粒子链，并在极短的时间相互作用，由流体变为具有一定剪切屈服应力的粘塑体。

（二）磁流变液流变特此特性及应用

（1）磁流变液具有高粘度、低流动性的特点，其表观粘度发生变化的过程是连续的、无级的，是非线性的。（2）磁流变效应的响应时间为毫秒级，响应过程是可逆的可控的。（3）磁流变效应所需的能耗低，可以采用低电压，大电流控制磁场强度的强弱，进而控制磁流变效应。

基于磁流变液表现的各种特点，设计开发流体控制阀、阻尼器等磁流变器件，使它更能够满足汽车半主动悬架的减振控制要求。

二、磁流变效应的影响因素

（一）外加磁场的磁场强度

在没有外加磁场作用时，磁流变液无屈服应力；在外加磁场作用下，磁流变液具有一定的屈服应力，并且屈服应力随外加磁场的增加而增加，这种现场被认为是磁流变效应的主要标志。

（二）颗粒的磁饱和强度

提高磁饱和磁他强度可提高屈服应力。当悬浮相微粒磁化饱和后，剪切应力随磁场强度的增大变缓。随悬浮相体积分数的增大，剪切应力虽有较大幅度的增加，但同时会带来零场粘度的增大，屈服应力下降。

（三）磁流变液的磁化率

固体颗粒的磁化率是影响磁流变液剪切应力的另一个重要影响因素，不同的颗粒材料具有不同的磁学特性，其在不同的磁场强强度下的磁化率也会不同，导致磁流变材料的宏观特性也会不同。剪切应力随着磁化率的增加而增加，在磁化率较小时，增加的较快，在磁化率较大的情况下，增加的幅度不是很明显。要得到具有良好的磁流变效应磁流变液，应该选用磁化率对磁场强度敏感的材料做悬浮相颗粒。

（四）颗粒体积百分数

固体颗粒的浓度对磁场变效应有明显的影响，随着固体颗料体积百分率的增大，相同磁场强度和剪应变率所对应的剪切应力也相应增大。实验发现，当体积百分数大于30%时，磁流变液易出现沉淀，将影响材料的磁流变效应。固体颗粒在磁场作用下磁场化，在两极间形成贯通的磁链，当固体颗粒数目较多时，更可在磁链基础上聚集成柱或网状结构，因而增加了磁流变液的粘度和阻力，甚至固化，具有明显增强屈服应力，亦即增强磁流变效应。

体积百分数越大，由于分散相的固体颗粒数目多，形成的磁链也多；同时，体系的相对磁导率和磁极化率就越大，其磁流变效应就越强。当体积百分率较低时，固体颗粒数目有限，在磁场作用下磁极化形成的磁链数目少，因而磁流变效应不明显。同时，体积百分率越低，时入明显磁流变效应所需的场强越高，甚至达到固体颗粒磁饱和场强。因此，体积百分率不能过低，一般不小于10%。此外，体积百分率也不能过高，因为，对于任何一个两相的悬浮液来说，当体积百分率过高时，会有一个结构上的突变，即由无序的固体颗粒逐步形成一种三维的网状结构，液体终止流动呈现固化特性，当体积百分率达到某一数值，固体颗粒也形成网状结构，出现固化状态。磁流变液易出现严重的沉淀和板结，返而会影响磁流变体的工作效率，大量的实验表明，体积百分率的最佳范围在15%一，30%之间。

（五）温度

温度对磁流变的影响主要来自两个方面，即温度对颗粒热运动和磁性颗粒磁性化的影响。温度的升高对磁流变效应是增强还是减弱，主要决定这两方面的影响孰强孰弱。温度越高，颗粒的布朗运动越剧烈，颗粒在外加磁强作用下成链越困难，磁流变效应就会减弱。此外，对液体本身而言，其粘度随温度升高而有一定程度的降低。

（六）可磁极化颗粒和稳定剂

优良的磁流变液在零磁场的条件下的粘度较小，具有良好的流动性，这就要求颗粒在磁流变液中的比例不能太大；而另一方面，磁流变液在一定的磁场下应具备良好的磁流变效应，这就要求可磁极化颗粒在磁流变液中的比例应尽可能大。

稳定剂增大了磁流变液的粘度，有助于克服可磁极化微粒的沉积，稳定剂对不同基础液的亲和性是不同的。因此，用不同基础液配制磁流变液必须考虑稳定剂的比例。一般，采用预处理的可磁极化微粒来配制磁流变液已使分散相的不稳定性有所改善，稳定剂的比例应相对减少，磁流变液的零磁场粘度下降。

三、结束语

随着磁流体技术综合性能的不断提高，磁流变液这一智能流体材料将会在汽车上大量应用。智能流体将使汽车结构发生重大变化。如磁流体润滑剂、磁流体离合器制动器、磁流体油封等，磁流变液减振器在隔离发动机振动，衰减路面不平度的冲击和改善驾驶员座椅的振动品质方面大显身手，使汽车行驶平顺性和舒适性得到很大的提高，车内噪声也将大大降低。