磁流变阻尼器结构设计及功能集成研究现状分析

胡国良，谢政，周维，龙铭

(1.华东交通大学机电工程学院，江西南昌 330013;2.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江杭州 310027)

0 前言

磁流变液是一种新型智能流体材料。在磁场的作用下，磁流变液可以毫秒级的速度由黏性流态转为类固态;而当磁场撤出时，它可立即从固态转化为液态，并且这种转化过程是可逆的［1］。由于磁流变液所呈现出来的一系列优异特性，被广泛应用于磁流变阻尼器、磁流变离合器以及磁流变阀等［2－4］。

磁流变阻尼器(MRD)作为一种新型的特殊智能型阻尼器，具有结构简单、体积较小、能耗极低、响应快速、阻尼力大、性能稳定等特点。由于其优良的减振性能，被广泛地用于汽车、机车、机械、建筑、桥梁、火炮等领域的振动控制。文中主要对不同结构型式的MRD设计进行阐述，同时对带有自感应及自供能功能的功能集成式MRD进行详细分析，为新型MRD的设计提供一定的理论参考。

1 磁流变阻尼器工作原理介绍

图1所示是一种典型的剪切阀式磁流变阻尼器的结构简图，主要包括活塞、活塞杆、套筒、激励线圈及端盖等。

图1 剪切阀式磁流变阻尼器磁路简图

MRD激励线圈未导电时，磁流变液以流体的形式填充在阻尼器缸体内。一旦向激励线圈通电，由于电磁感应，在带有激励线圈的活塞和套筒之间的阻尼间隙就会产生感应磁场。缸体内的磁流变液流经阻尼间隙时，由于感应磁场的作用会迅速转变为半固态，形成沿磁场方向排列的链状体，其黏度也会随着感应磁场的加强而增大。当感应磁场达到一定强度，链状排列的分子间产生了足够大的力时，该阻尼器就获得了一定的阻尼力。

2 磁流变阻尼器结构设计

磁流变阻尼器的结构设计思路呈现出多元化趋势。有按照激励线圈的级数来设计的，把MRD设计成单级、双级或多级;也有按照液流通道的布置方式来进行MRD结构设计，包括内侧、外侧或蛇形等MRD;也有按照活塞杆的结构形式来进行设计的，包括单出杆式及双出杆式MRD。

2.1 不同激励线圈个数的磁流变阻尼器

磁流变阻尼器的激励线圈通常设计成单级和双级两种，目前也有三级和四级的。如图2所示，土耳其萨卡里亚大学的PARLAK提出了一种典型的单线圈型MRD［5］，这是一种比较普遍、且得到广泛工业应用的MRD。

图2 单线圈磁流变阻尼器

美国圣母大学的YOSHIOKA在Lord公司支持下，设计了如图3所示的一种双线圈型MRD［6］，仿真及试验结果表明该阻尼器有较好的减震效果。

图3 双线圈型磁流变阻尼器

美国Lord公司的CARLSON提到了如图4所示的在日本新兴科学与工程博物馆所装配的一种三线圈磁流变阻尼器［7］。在地震的情况下，该阻尼器可在毫秒级的时间内为该博物馆提供200 kN级的阻尼力，从而达到有效的减震效果。

美国杜克大学的GAVIN提出了一种如图5所示的四级线圈型MRD［8］，该阻尼器的激励线圈增加到4个，使得磁流变液流经阻尼通道增大，从而在相同阻尼间隙大小的情况下，输出阻尼力增大，扩大了阻尼力调节范围。

图4 三线圈型磁流变阻尼器

图5 四级线圈型磁流变阻尼器

研究表明，通过增加激励线圈的个数来增大磁场的流经面积，进而提高阻尼力的大小是可行的。但在具体应用场合，需要考虑结构尺寸大小以及阻尼力的需求，所以对激励线圈个数的选择并不是越多越好，需要综合考虑来进行阻尼器设计。

2.2 不同液流通道布置的磁流变阻尼器

图6 内通道式MR阻尼器

磁流变阻尼器的液流通道设计方式也多种多样，有置于激励线圈内侧或外侧的、也有蛇形的液流通道。图2和图3所示为传统MRD激励线圈设计方式，即将线圈内置，使得液流通道置于外侧。该类结构可实现磁屏蔽，有效避免磁泄漏，因而线圈内置式磁流变阻尼器得到了广泛的应用研究。中国科学技术大学的郭朝阳等［9］提出了一种如图6所示的内通道式MRD。该阻尼器的液流通道布置于线圈的内部，其液流通道位于电磁线圈内部，故而其磁流变效应发生于活塞内部的两层固定平板之间，使得大面积的磁流变液成链，进而产生较大的阻尼力。南京林业大学的徐晓美等［10］对如图7所示的MRD进行了分析研究，该阻尼器液流通道也是布置于线圈内部。图中阻尼器端盖与外支架通过螺栓连接，外支架与活塞杆固连，以使活塞阀体和磁靴同步运动，实现阻尼力的实时连续可调。

图7 线圈外置式磁流变阻尼器结构示意图

图8 多级径向流动式磁流变阻尼器

重庆大学的赵丹侠［11］提出了一种如图8所示的多级径向流动式MRD，即蛇形液流通道MRD。该阻尼器采用多级径向液流方式，增加了磁流变液的有效工作间隙长度，有效提高了输出阻尼力的调节范围。

MRD结构设计中，从简单的液流通道置于线圈外侧到置于线圈内侧，再到蛇形的液流通道，都是对阻尼器性能进行进一步优化。

2.3 不同活塞杆布置的磁流变阻尼器

MRD的活塞杆出杆布置也是阻尼器设计时需重点考虑的。在阻尼器的一端安装活塞杆的MRD就是单出杆式MRD，该结构的缸筒内的体积会随着活塞杆往复运动发生变化。DELPHI公司研发出了一种被称为Magnetic Ride Control RPO F55的磁流变悬架系统，该系统使用了如图9所示的单出杆MRD，使得轿车在较好的操纵稳定性的同时获得更大的阻尼力［12］。

图9 单出杆式磁流变阻尼器

在阻尼器两端对称安装活塞杆的MRD就是双出杆式MRD。航空工程学院的薛建海［13］设计了一种如图10所示的带矩形槽活塞的双出杆MRD。该结构使得阻尼器轴向定位更好，降低了活塞与端盖间的磨损，能够有效地防止卡死现象的发生。

图10 双出杆式磁流变阻尼器

2.4 其他结构型式的磁流变阻尼器

浙江大学宁波理工学院的郑堤等人［14］设计了一种如图11所示的旋转式MRD。该结构的阶梯状间隙比常规间隙所产生的磁场更优越。能够产生较大的阻尼转矩。

图11 旋转式MR阻尼器结构简图

装甲兵工程学院的赵振宁对如图12所示的叶片式MRD进行了设计与研究［15］。

图12 叶片式磁流变阻尼器

浙江大学的朱长生［16］提出了一种如图13所示的盘式MRD。该阻尼器能够以极小的直流电驱动线圈产生足够的磁场，对转子系统提供足够的阻尼力。

图13 盘式磁流变阻尼器

河海大学的杜成斌等［17］设计了如图14所示的自解耦式MRD。该阻尼器由永磁铁激励和感应磁场激励同时供磁，能够在小振幅的情况下产生小的阻尼力，大振幅且低频情况下产生较大的阻尼力，可很好地实现位移控制。

图14 自解耦磁流变阻尼器

3 功能集成式磁流变阻尼器

磁流变阻尼器的功能集成是当前的一个研究热点。功能集成的MRD机械结构得到简化，信息反馈性能得到提升;同时节省了安装空间，降低了系统成本。

3.1 自感应式磁流变阻尼器

基于MRD的半主动控制系统主要由MRD、传感器、控制器及辅助电路等构成。现有的半主动控制系统中传感器与MRD分开配置不仅结构较复杂、占用空间大、连接线缆多，而且传感器置于工作环境之中易受到外界环境碰撞、渗水、渗油、电磁干扰等影响，导致系统体积庞大、稳定性低。重庆大学的王代华等［18－19］提出了一种如图15所示的集成相对位移的自感式MR阻尼器(IRDSMRD)。该阻尼器能够及时将位移信号反馈出来。是一种位移感应性能优越的MRD。

图15 IRDSMRD结构模型

浙江大学刘磊等人［20］设计了一种如图16所示的自感知磁流变复合阻尼器。该阻尼器由基于超磁致伸缩逆效应的内置传感装置和被动、半主动阻尼减振装置两部分组成。仿真分析了装备该阻尼器的车辆在路面上行驶时车体的垂直加速度和速度，得出了加速度功率谱，通过与普通车辆数据对比，验证了半主动模糊控制的新型磁流变阻尼器具有较强的减振效果。

图16 自感知磁流变复合阻尼器结构

香港工业大学的OR等［21］提出了一种如图17所示的嵌入压电力传感式MRD。该阻尼器展现了极佳的力传感和可控阻尼力性能。

图17 嵌入压电力传感式磁流变阻尼器

3.2 自发电式磁流变阻尼器

磁流变阻尼器工作时需要电压激励，设计时需要加入外接电能源以及调理电路。将自供能功能集成到MRD中，可以减少耗能，使得系统结构精简。

国马里兰大学的CHOI等［22］研制了一种如图18所示的自发电式MRD。利用电磁感应原理在腔内内置一个能量回收装置，让永磁体运动切割磁感线产生感应电动势，实现自发电功能。

图18 自发电磁流变阻尼器结构示意图

重庆大学的汪忠［23］提出了一种如图19所示基于自供电技术的磁流变阻尼器状态参数无线传感系统。该系统通过电磁式机械能量采集器将阻尼器活塞运动机械能转换成电能，并以超级电容储能。实验结果表明自供能装置能产生高达4.64 V的开路电压。

图19 带有能量采集装置的磁流变阻尼器

南京理工大学的蒋学争［24］提出了一种如图20所示的无需外部电源设备的电磁感应自供能磁流变阻尼器。它包括一个电磁感应能量捕获结构，能将外界振动能转换成适合磁流变阻尼器使用的稳压直流电，可在无外界电源情况下实现对振动的智能控制。

图20 电磁感应自供能磁流变阻尼器

3.3 自感应自发电式磁流变阻尼器

香港中文大学的陈超等人［25］提出了一种如图21所示的自感应自发电磁流变阻尼器。该磁流变阻尼器不仅可以利用电磁感应发电结构给自身供电，还能够根据电磁感应结构收集电能的大小自行感应出阻尼器活塞杆的运动速度。

图21 自感应自发电磁流变阻尼器

3.4 课题组设计的差动自感式磁流变阻尼器

课题组也提出一种如图22所示的集阻尼力可控及相对位移传感于一体的新型差动自感式磁流变阻尼器［26－28］。仿真及实验结果表明，该差动自感式磁流变阻尼器能够输出可控阻尼力，也能输出与活塞杆相对位移成正比的输出电压。

图22 差动自感式磁流变阻尼器

4 结束语

磁流变阻尼器是一种工业应用非常广泛的智能减振结构。文中对国内外现有磁流变阻尼器的结构设计及功能集成研究进行了综合分析。重点介绍了激励线圈个数、液流通道布置方式以及活塞杆出杆方式等对磁流变阻尼器结构设计的影响，为磁流变阻尼器的优化设计提供了一定的参考。同时，对自感应、自发电等不同功能的磁流变阻尼器进行了探讨，并介绍了课题组设计的新型差动自感式磁流变阻尼器，为磁流变阻尼器在半主动控制系统中的应用指明了方向。

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