摩托车磁流变减振器的设计

洪志聪

摘 要：磁流变液能够智能化地控制摩托车的减振效果，在摩托车减振器的设计上有重要的应用。该文对磁流变液及流变特性进行研究，以磁流变减振器的工作模式为基础，进行摩托车磁流变减振器的设计。

关键词：磁流变 减振器 摩托车

中图分类号：U483 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（c）-0098-01

磁流变材料的工作电压最大只有几十伏，有效克服了电流变材料要求的高压特性；另外，磁流变材料的剪切屈服应力远远优于电流变材料，加之对杂质影响不敏感的特性，磁流变材料在结构振动控制以及车辆工程等领域有很大的优势。

1 磁流变及流变特性

一些特殊的液体当受到外加磁场的作用时，它们的流体特性会产生显著改变，达到阈值的磁场甚至会导致流体固化；一旦外加磁场被移除，流体又恢复原来的特性；这样的流体被称为磁流变体，这种效应被称为磁流变效应。

磁流变效应产生的机理主要有两种理论[1]：相变理论和场致偶极子理论。相变理论的观点是：当没有外加磁场时，磁极化粒子的运动轨迹只受热运动的影响，运动状态是随机的；一旦外加磁场的强度达到一定阈值，磁极化粒子就会被极化，此时磁场和热运动的相互作用会使粒子变得有序，当外加磁场足够强时，这种顺序就会变为长链，最终导致固态相的产生。场致偶极矩的观点是：外加磁场导致磁极化粒子磁化成磁偶极子，而且这些磁偶极子相互成链。

磁流变体的连续相（载体液）主要有两种：非极性的和有极性的。顾名思义，非极性的连续相很少会受到磁场的影响；而有极性的连续相会因为外加磁场的作用而导致极性分子产生有序化。磁流变体的分散相的极化有粒子体内极化、粒子表面双电层极化以及界面极化：粒子体内极化主要表现为电子、离子的位移极化和偶极子的转向极化；双电层极化是粒子表面的电荷层在磁场作用下产生的电荷不均匀分布；界面极化主要指的是分散相粒子在连续相界面处因为磁化率不同导致的不均匀分布。不同极化方式的时间长短不一，对磁流变效应的影响也不尽相同。一般而言，当磁流变体受到高频磁场的作用时，其磁流变效应会变得尤为微弱；反之，低频磁场会使磁流变效应相对较强。

磁极化颗粒间的分子力会使颗粒聚集成团，磁流变体的这种结团现象主要采用表面活性剂处理，也就是在载体液中加入比磁极化颗粒更小的硅胶。表面活性剂的组成部分主要是亲油基和亲水基，亲油基伸展在载体内进行热摆动，而亲水基只会吸附到颗粒表面；一旦表面含有亲水基的磁极化颗粒相互靠近，就会阻碍亲油基的热摆动，表面活性剂的这两种组成成分就会产生相互排斥的作用力，以阻碍磁极化颗粒的相互靠近。

2 磁流变减震器的工作模式

当在减震器内运动时，磁流变液的运动近似等于无限大平行平板间的运动形式。一般而言，磁流变减振器有如下几种[2]：阀式、挤压式、剪切阀式以及剪切式。

阀式磁流变减振器在两个固定上动的极板间充满磁流变液，外加磁场垂直作用于两极板；随着外加磁场的变化，磁流变液的流动性你也会产生变化，推动磁流变液的活塞阻力也随之变化，从而控制阻尼力；阀式磁流变减振器的典型代表是Lord公司研制生产的单出杆磁流变减振器。对剪切式磁流变减振器而言，它有两个相对运动的极板，极板间充满磁流变液，外加磁场垂直作用于磁流变液，外加磁场的变化导致磁流变液的流动性能产生变化，导致发生变化的推动极板的活塞可以控制阻尼力。挤压式磁流变减振器也是在两个基本间充满磁流变液体，但两个极板间的距离因为挤压而变得越来越小，因此磁流变液向四周流动，外加磁场垂直于磁流变液，同时又平行于磁流变液的运动方向，磁流变液的这种流动性能变化导致推动活塞的阻力变化，从而影响外加磁场控制阻尼力；挤压式磁流变减振器的工作模式适合设计开发行程较小的减振器。

磁流变液在受到上施加磁场的作用下会表现为自由流动的牛顿流体，其剪切应力等于液体流速对坐标的导数和磁流变液的粘度系数的乘积。外加磁场的作用导致磁流变液的流变性能产生变化，其真实本构关系可以包括屈前区和屈后区两部分，屈后区的磁流变液的剪应力受到磁场强度和剪应变速率两个因素的影响。

阀式减振器的组成部分主要包括活塞、内外缸筒以及活塞杆[3]。内外缸间组成了旁路环形通道，磁流变液的工作间隙就限于此通道中。为了确保活塞双向运动过程中两侧油缸的净截面积一样，两端的活塞杆直径要一样大。另外，缸筒上的激励磁线圈会产生工作磁场，外力作用导致的活塞左右移动会强迫磁流变液流经内外缸间的旁路环形间隙，这样就产生了磁流变效应。剪切式减振器的组成部分主要包括缸筒、缸外循环流通道以及活塞三部分。当缸外循环流通道的截面积足够大时，磁流变液在里面流动受到的阻力就比较小，活塞和缸筒间的环形间隙是磁流变液的工作间隙。剪切阀式减振器由缸筒和活塞两部分组成，活塞和缸筒间的空隙是磁流变液的工作间隙。

3 磁流变减震器设计

磁路是磁流效应的基础，磁路设计的好坏会直接影响磁流变减振器的性能。在磁流变减振器的磁路设计中，需要根据设计要求确定磁路各个部分的尺寸、形状以及激励磁线圈匝数等，从而控制磁流变减振器的磁化效果[4]。

外加磁场的作用能够改变磁流变液的流动方式，磁流变液的可磁化微粒会沿着磁场方向运动，从而排列为链状结构。考虑到在垂直于磁场方向的流动特性变化比较明显，所以在设计磁流变减振器时最好使阻尼通道中的磁流变液的流动方向垂直于磁场方向，这样能够充分利用磁流变效应，以改变磁流变减振器的阻尼力。在分析磁路中的磁通量和磁动势的关系时，需要用到磁路欧姆定律及安培环路定律。磁介质组成的磁场中，沿着所有闭合曲线的磁场强度的环流大小和闭合曲线中所围绕的自由电流的和相等。另外，考虑到磁阻的大小和磁路长度之间是正比例关系，而与磁导率以及磁路段横截面积成反比，所以设计磁路时可以调整这三个参数来调节磁阻的大小。

4 结语

该文首先对磁流变体及磁流变效应进行研究，然后分析了磁流变减振器的工作模式和各种模式的磁流变减振器的阻尼力，最后在此基础上进行磁流变减振器的设计，对摩托车磁流变减振器的研究有重要的参考意义。

参考文献

[1] 赵丹侠.基于多级径向流动模式的磁流变液减振器理论与实验研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[2] 鞠锐，廖昌荣，周治江，等.单筒充气型轿车磁流变液减振器研究[J].振动与冲击，2014.

[3] 贾永枢，翁茂荣，周孔亢，等.基于三维有限元的磁流变减振器磁路分析[J].系统仿真学报，2014.

[4] 闫占辉，李晓冬，贺会超.一种新型汽车磁流变液减振器的设计[J].机床与液压，2014.