基于单筒式磁流变减振器的结构设计

侯中福

摘要：针对于目前汽车市场上高级车更高的减震要求，本次研究通过对减震器结构进行分析，建立了适合的数学阻尼模型，设计一种新型的磁路方案。通过合适的公式和严谨的计算选定减震器的核心结构参数，设计出一种新型单筒式磁流变减振器。与传统减震器相比，新式的磁流变减振器机械装置简单具有输出阻尼更大，关键参数调节范围更广，流体响应速度更快，减震器能量消耗更低等特点，将会成为半主动悬架系统的最佳执行器之一。

关键词：磁流变减振器;材料选择;结构设计

0  引言

磁流变减振器（以下称MRD）是磁流变液（以下称MRF）在工程领域的一个重要应用。在零磁场作用下，MRF在阻尼通道间流动时保持其原有的流动状态。但是当有外加磁场加入后，MRF将会以毫秒级别的时间快速响应，磁性粒子之间相互吸引成链并沿着磁场线分布，成链的磁性粒子阻碍了MR流体载液的流动。从宏观上来讲，即MRF将变得更黏并逐渐凝固。在MRF发生变化的整个过程中其屈服应力、剪切粘度、流变行为、粘弹性等重要参数均会发生显著变化。我们充分利用这类智能材料的优点，通过对磁路进行合理设计，在给MRD内部电磁线圈加入磁场后使得MRF在阻尼通道内产生有效的受磁场强度诱导的可控阻尼力，由其自身物理性质变化所产生的粘滞阻尼力和摩擦阻尼力（两种阻尼力统称为不可控阻尼力），基于此所产生的合力统称为MRD阻尼力，并以此来智能可控的提高其减震性能。

本文旨在通过对MRD的核心部位阻尼通道进行详细研究，设计并制造一种满足输出阻尼力大小和范围、具有良好可控性的MRD。由此，本文的主要研究内容体现在以下几个方面：①根据设计方案选择合适的MRF材料。②设计MRD，综合考虑实际的设计条件与加工成本，通过我们已经分析好的MRD理论数学模型设计关键结构尺寸。③根据我们掌握的有关电磁学的基本知识设计磁路，使其电磁线圈产生的磁场能可以最大化作用于MRF，增大有效阻尼力在输出阻尼力中的权重，提高MRD的减震性能。

1  材料选择和设计方案

1.1 材料选取

MRD的设计不仅需要满足力学性能的要求，还需要有良好的导磁性能，所以导磁材料的选择很重要。由于本次设计需要对材料进行冷热加工，所以导磁材料除了具有良好的导磁特性，还应具有较好的冷热加工性。比较常见的导磁材料有：低碳钢、导磁不锈钢、硅钢以及电工纯铁等。由于电工纯铁的磁通密度最高，导磁效果更好，电工纯铁将作为导磁材料用作本次MRD设计。隔磁材料的选择同样需要严谨，常见的隔磁材料有钛、铜、铝以及隔磁不锈钢等。它们的相对导磁率均为1。经各方面分析考虑，本次设计我们选择321不锈钢。

MRF的选择至关重要，本次研究我们采用实验室自制的MRF作为检测MRD性能的载液。我们在传统磁流变液中加入带有磁性的纳米级铁磁矿颗粒和不带磁性的纳米级二氧化硅颗粒作为新配方并进行实验，结果如图1显示，加入了纳米级别的触变剂之后磁流变液的沉淀率有了显著的降低（样品3为加入纳米级触变剂的样品，样品1为未加入触变剂的样品）。

1.2 MRF的工作模式及磁路分析

MRF在阻尼通道内部流动时其主要的工作模式有以下几种类型：阻尼通道上下极板不动，基于MRF所受压力梯度产生的流动模式，阻尼通道上下两极板水平相对运动所产生剪切模式，阻尼通道上下两极板垂直相对运动对MRF进行挤压所形成的挤压模式，以及综合两种工作模式的优点复合所产生的剪切阀式工作模式。流动模式为流体流动导致在两个固定不动的平板之间有压力梯度，由于其理论分析清晰明了简洁，与实际情况误差小，被广泛应用在液压控制、伺服阀、减振器、制动器当中。所以本次研究所设计的MRD，我们选择流动模式作为MRF在阻尼通道内部流动的工作模式。

MRD中轴对称的流体场可以近似为流体通过平行管道，上下两极板为固定不动的组合，在两极板间加入可定向流动的磁流变液，构成了封闭磁路。在忽略漏磁情况下，活塞励磁线圈产生的磁场闭合回路，活塞内部放置了隔磁板，使得磁感线多次穿插于阻尼间隙中，使得MRF的流变特性在磁场作用下变化将更加明显。

1.3 MRD理论模型构建及其阻尼力分析

在MRD工作期间，MRF反复流经环形阻尼间隙。对于MRF的准静态分析，我们假定：①MRD以恒定速度移动;②MRF可以被充分利用;③采用Bingham可塑性模型描述MRF的行为。

图2提供了环形间隙中Bingham模型下MRF的典型剪切应力图和速度曲线，在第Ⅰ区和第Ⅱ区域，流体间的剪切应力超过其屈服应力，流体发生剪切运动。而在区域C中，流体剪切应力低于屈服应力，通常此区域又称为插头流区域，在此区域内流体速度为常量。有公式如下：

其中，v0为MRF在上极板位置的速度，η为MRF的塑性粘度（剪切应力与剪切应变速率的斜率），L为阻尼间隙的有效长度，AP为活塞的有效横截面积。dp（x）/dx為MRF在阻尼间隙X轴向方向的压力梯度，F为MRD所产生的阻尼力大小，MRD阻尼力可以本分解为可控阻尼力部分Fη和非可控阻尼力部分Fuc。可控阻尼力的大小由磁场强度所决定，非可控阻尼力的大小由粘滞阻尼力Fη和摩擦阻尼力Ff所组成。

1.4 MRD基本几何尺寸设计

从尺寸角度考虑，与活塞的直径相比，阻尼间隙的宽度是很小的，所以在对MRD尺寸进行结构设计的时候，我们可以简化采用平行板模型进行理论分析。对于MRD来说，其最为重要的两个性能参数是其可控阻尼力和动态范围。为了最大化MRD的使用效率，我们会尽量提高可控阻尼力大小。从下面所列出公式可以得出，可控阻尼力与阻尼间隙h的宽度成反比，与阻尼间隙的有效长度L成正比。

然而阻尼间隙h如果过小同样会使得粘滞阻尼力变得过大，而摩擦阻尼力一般为常数，这样会使得动态范围趋近于0。所以阻尼间隙尺寸的确定有一个最合适的值。它不但会保持可控阻尼力在一个比较大的数值上，同样可以让动态范围保持在峰值附近。根据G.Yang等学者的研究显示，在对MRD进行设计时，我们普遍将阻尼孔尺寸比例（h/R2）设定为0.02左右，这将成为我们设计MRD阻尼孔尺寸的标准。我们暂定阻尼孔的高度h为2mm，所以缸体的内径尺寸为R2为100mm。活塞头运动的速度为6cm/s。其余零件尺寸可以根据车辆实际装配要求再进行相应设计。

汽车静置一段时间后会出现磁流变液的沉降的现象，这种问题会造成阻尼孔的堵塞。为了解决这一现象，我们考虑将阻尼孔设计在活塞体上靠近边缘处，开出三个圆弧形阻尼通道。

将阻尼通道设在活塞内的另一个好处是活塞外侧与缸体内壁接触，径向方向产生的载荷冲击较小，不再需要增加额外的导向装置从而可以获得MRD更大的行程。另外，由于双出杆式减震器无法满足应用于大规模工程当中，所以本次MRD设计采用单筒单出杆结构，尾部则加入氮气弹簧以实现减振器体积的补偿。

2  结语

本文从MRD的结构出发，首先对铁芯、线圈、活塞、缸体等核心部件所要达到的功能指标进行分析，给出了合适的材料进行匹配。其次，依据电磁学和流体力学相关知识对MRF的工作模式和磁路进行分析并设计出一种新型磁路。最后，以MRF的Bingham模型为基础，创建MRD阻尼孔理论模型并对其产生的阻尼力进行合理分析以给出设计方法。

参考文献：

[1]王众.泵式磁流变减振器设计及试验研究[D].吉林大学， 2016.

[2]Yang， G.， Spencer， B. F.， Carlson， J. D. & Sain， M. K. Large-scale MR fluid dampers： modeling and dynamic performance considerations. Eng. Struct. 24， 309-323， doi：10.1016/s0141-0296（01）00097-9 （2002）.

[3]陈杰平.基于磁流变减振器的汽车半主动悬架设计与控制研究[D].合肥工业大学，2010.