【文章內(nèi)容簡介】 式那樣在壓力作用下通過兩極板，又像剪切式那樣受到兩極板相對運動時產(chǎn)生剪切作用，從而使磁流變液的流動特性發(fā)生變化而產(chǎn)生阻尼力的變化，流動阻尼力的變化通過外加磁 場控制。 參數(shù)計算模型 剪切閥式磁流變阻尼器工作于剪切和流動的組合模式，具有結(jié)構(gòu)簡單、磁路設計 8 方便、出力大等優(yōu)良特性，其工作原理為阻尼器內(nèi)腔充滿了磁流變液，活塞在工作缸內(nèi)作往復直線運動，活塞與缸體發(fā)生相對運動，擠壓磁流變液迫使其流過缸體與活塞間的間隙，在沒有外加磁場作用下，磁流變液以牛頓流體作粘性流動，符合牛頓流體的本構(gòu)關系；當加上磁場后，磁流變液就會瞬間由牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)檎乘荏w，粘度呈數(shù)量級地提高，流體的流動阻力增加，表現(xiàn)為具有一定屈服力的類似固體的本構(gòu)關系。此時磁場對磁流變液的作用可用 Bingham 本構(gòu)關系進行描述，如圖 ，其本構(gòu)關系方程為： 圖 Bingham 模型 ypp bLhc L AvhLbbh LAF ??? ?????? ???????? ?? 22224032 （ ） 式中參數(shù) c變化范圍 23，本文 c=2，因此剪切閥式磁流變阻尼器阻尼力為： ypp bLhLAvhLbbh LAF ??? ?????? ???????? ?? 24224032 公式可以改為： re FvCFFF ???? 0?? （ ） 0e032 224 vCvhLbbhLAF p ??????? ?? ??? （ ） )(s240vgnbLhLAF yp ?? ?????? ?? （ ） 從上式可以看出磁流變阻尼器的阻尼 力由兩部分組成，一部分由液體流動時液體粘性產(chǎn)生的粘滯阻尼力，而另一部分由磁流變效應產(chǎn)生的庫倫阻尼力組成。當阻尼器幾何尺寸確定后，假設磁流變液的粘度系數(shù)為常數(shù)，粘滯阻尼力只是活塞運動速度的函數(shù)，而庫倫阻尼力只是磁流變液屈服應力的函數(shù)，屈服應力受磁場強度控制，因而 9 可以認為庫倫阻尼力只是勵磁電流的函數(shù)。 本章小結(jié) 本章主要論述了磁流變阻尼器的力學模型，說明了磁流變阻尼器中磁流變液在工作過程中的機理，介紹了 Bingham數(shù)學模型，簡要說明了磁流變阻尼器的機構(gòu)和工作原理。分析了現(xiàn)有的幾種工作模式，并最后選擇了 混合式的工作模式。闡述了阻尼力的求導原則。 10 第 3 章 磁流變阻尼器的設計 磁流變阻尼器是一種以磁流變液為介質(zhì)的半主動控制阻尼器，其具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、響應迅速、消耗功率小、抗污染能力強和輸出力大等優(yōu)點。本文對基于剪切閥工作模式的雙筒式磁流變阻尼器進行設計。 磁流變阻尼器設計應該滿足以下設計準則：外加垂直于磁流變液流動方向的磁場對產(chǎn)生磁流變效應的貢獻應最大，而平行于磁流變液流動方向的磁場則對產(chǎn)生磁流變效應的貢獻最小。在采用剪切模式、流 動模式和擠壓模式的阻尼器式，磁力線的方向必須垂直于阻尼通道內(nèi)磁流變液的流動方向，才能產(chǎn)生磁流變效應，這樣阻尼器才能產(chǎn)生所需的阻尼力。故在設計磁流變阻尼器使，應使阻尼通道中的磁流變液的流動方向垂直于磁場方向，以便充分利用磁流變效應來改變阻尼器的阻尼力。由于汽車懸架阻尼器的行程較大，且在結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)強度上有嚴格的要求，利用磁流變液來開發(fā)汽車磁流變阻尼器不能踩用擠壓模式，而只能采用流動模式、混合模式。本文采用的是混合模式。由于磁芯中磁感應強度和磁場強度的關系是非線性的，因而，磁路中磁通和磁勢的關系也是非線性的。 當磁芯受到交變的磁激勵時，磁芯處于反復磁化過程中，磁芯中會產(chǎn)生功率損失。另外，磁路的磁通與磁勢的關系除了滿足磁路的克?；舴蚨赏?，還要滿足電磁感應定律。通過電流將導致渦流的產(chǎn)生，渦流的出現(xiàn)使磁芯中磁通與線圈中電流的波形發(fā)生變化。同時，我們還要注意在阻尼器的應用階段存在一些問題需要進一步研究：（ 1）穩(wěn)定問題，其中包括磁流變流體的穩(wěn)定性以及阻尼器性能的穩(wěn)定性；（ 2）還原問題；（ 3）誤差問題，包括阻尼力、磁路磁場強度的計算值和實際值的誤差；（ 4）補償問題，包括磁流變液流體的滲漏補償以及控制系統(tǒng)的變量補償；（ 5）使 用壽命問題，包括磁流變液、磁路線圈、密封系統(tǒng)的使用壽命；（ 6）文維修問題，主要是維修保養(yǎng)的方便性。 磁路設計的影響因素 磁流變阻尼器的性能主要決定于其幾何尺寸、磁路以及磁流變液的性能等。在給定磁流變液性能參數(shù)的情況下，設計一個優(yōu)良的阻尼器的關鍵在于阻尼器的構(gòu)造設計和磁路設計。此外，還包括防塵、漏液、隔磁、密封、散熱以及連接等反面的考慮。在設計時要考慮以下幾個因素：磁性材料的選擇、漏磁的分析、退磁和線圈的設計等。 密封件的選擇 （ 1）密封件的作用和意義 在減振器設計中，密封裝置用來防止磁流變 液的泄露以及外界灰塵和異物的侵入。 11 磁流變液外漏不僅會造成浪費，污染機械和工作環(huán)境，甚至會引起機械操作失靈及設備和人身事故。若導線與磁流變液直接接觸，可能產(chǎn)生漏磁，導致導線發(fā)熱，影響磁流變液的性能。侵入減振器中的微小灰塵微粒，會引起加劇液壓元件的磨損和摩擦，增大阻尼力，減小減振器的功效，并且還有可能進一步導致泄露。因此，密封件是減振器的一個重要的組成部分。它的工作可靠性和使用壽命，是衡量液壓系統(tǒng)好壞的一個重要標準。 （ 2）密封的分類 被密封的部位在兩個需要密封的偶合面之間，通常根據(jù)這些偶合面在機械運行時有無相 對運動，可把密封分為動密封和靜密封兩類。 （ 3）密封形式的選擇 設計或選擇密封件以及裝置的基本要求是： 1） 密封件長期在流體介質(zhì)中工作，必須保證其材料物理性能的穩(wěn)定。 2）在工作壓力下，應具有良好的密封性能，并隨著壓力的增加 能自動提高其密封性能，即泄露在高壓下沒有明顯的增加。 3）動密封裝置的動摩擦阻力要小，摩擦系數(shù)要穩(wěn)定，不能出現(xiàn)運動偶件卡住或運動不均勻等現(xiàn)象。 4）磨損小，使用壽命長。 5）制造簡單，拆卸方便，成本低廉。 密封件的選擇方法，首先根據(jù)密封設備的使用條件和要求，例如負載情況、工作壓力以 及速度大小和變化情況、使用環(huán)境以及對密封性能的具體要求等，正確選擇與之相匹配的密封件結(jié)構(gòu)形式。然后再根據(jù)所用工作介質(zhì)的種類和使用溫度，合理選擇密封件材料。在使用或設計時，應盡可能按照國家標準。 從裝配圖上可以看出，該減振器需要多出密封。由于減振器中活塞和缸體有相對運動，所以本結(jié)構(gòu)采用 Vd 形橡膠密封圈，其主要材料為氟橡膠（ SN）， XAI7453，工作介質(zhì)為油、水、空氣，軸速小于等于 19m/s 設備，起端面密封和防塵的作用。 漏磁分析 在所有的磁路中都存在著漏磁，這是應為在磁路的實際兩點間若有任一磁位 差，就有磁通存在。漏磁與磁路的幾何形狀有關，磁路中各段均有漏磁存在。磁路中的漏磁有三種形式： （ 1） 工作間隙端面漏磁，在工作間隙附近成圓弧狀，工作間隙越長，這種漏磁就愈大。可以認為，這種漏磁與工作間隙長度成比例增加，而且還受間隙端面的形狀及相對位置等因素影響。 12 （ 2） 磁體表面漏磁，通常磁體越長，這種漏磁就越大。 （ 3） 軛鐵間的漏磁，這種漏磁與磁體在磁路中的位置有關。磁體相對位置不同，漏磁差別也很大。磁鐵越靠近工作間隙，漏磁就越小。另外，在空隙處，磁力線會往外膨脹，因而取空隙的橫截面積時，應該取大一些。并且在以往的研究中得到漏 磁磁導在很大程度上決定于磁體側(cè)面表面積，表面積越大漏磁越大。所以，在實際工作間隙內(nèi)的磁場要小于計算值。在磁路設計時，合理地縮短工作間隙的距離，減少結(jié)合面，改善結(jié)合情況都有利于減少磁路中的漏磁。同時，為了減少磁鐵表面的漏磁，我們在磁路外可加上銅環(huán)或銅圈以此來進行磁屏蔽。 為了減少漏磁，設計是需要注意以下幾點： （ 1） 因為活塞桿不在磁回路中，所以最好選用不導磁材料或?qū)Т挪牧媳容^低的材料。 （ 2） 導磁回路中，導磁體的連續(xù)處盡量緊密接觸，以免在連接處因存在縫隙而產(chǎn)生較大磁阻，影響效率。 （ 3） 在整個磁路中，盡量使各導磁體的磁阻大致相 同，使得整個磁路均衡匹配，從而防止部分地段較早的磁飽和。在磁路設計中，對于磁路中漏磁的解決，本章采用漏磁系數(shù)的概念來設計磁路。即在考慮漏磁的情況下，線圈產(chǎn)生的磁通量 m? 就不等于工作間隙中的磁通量 g? ，在計算中引入漏磁系數(shù)gm???? 。 磁性材料的選擇 磁性元件主要指缸筒 、磁軛、磁芯和活塞桿。在忽視漏磁的情況下，纏繞在導磁環(huán)上的勵磁線圈產(chǎn)生的磁場經(jīng)過磁軛、間隙、缸筒、最后回到磁芯形成閉合回路。阻尼通道的槽太寬滯留的磁流變液多，阻力大，調(diào)節(jié)范圍大。缸體設計要考慮壁厚，避免經(jīng)由缸體的磁通比較早的進入飽和。 一般電磁路的磁芯選用軟磁體，其特點在于軟磁體有高的磁感應強度，易退磁，磁滯回線包圍面積小，大的磁導率和很小的矯頑力。軟磁材料是磁力線的通路，使用軟磁材料可以減少磁阻，在必要的控件建立均勻強度磁場。磁芯材料的種類較多，主要有電工純鐵、硅鋼、鐵鎳合金、鐵鋁合金、鐵鈷合金等。在選擇 材料時通常要求磁芯材料磁導率高，因為當線圈匝數(shù)一定時，通以不大的電流，就能產(chǎn)生很大的磁場。一般來講軟磁材料的磁導率都比較高。為了減小由交變電引起的交變磁場，不使磁導體中產(chǎn)生渦流損失，故選擇給阻尼器直流電。退磁，對于磁路的有效能很重要，因為當初始斷電時，如果仍存在磁場，那勢必會對振動控制的有效性產(chǎn)生影響。所以我們選擇的軟磁材料必須有較小的剩磁，較小的矯頑力以及較小磁滯回線包圍的面積。由 13 此可以看出軟磁材料中具有扁平磁滯回線的這一列材料比較符合要求。結(jié)合以上的分析最終磁芯材料選擇鐵鎳合金。 退磁 這里所 說的退磁和磁芯材料選擇中的退磁有區(qū)別。這個退磁是指，如果給定的空間及工作間隙很小，在這些很小的間隙中帶上一些外來的強磁性微粒，則強磁性微粒就會破壞間隙中應有的磁場大小或磁場分布狀態(tài)以至于使磁系統(tǒng)不能正常工作。在這種情況下，為了保證磁系統(tǒng)正常工作，必須清除外來的強磁性微粒或預防強磁性微粒的吸附，這就必須完全退磁。所謂退磁就是用一定的方法使試樣處于磁中性狀態(tài)。退磁的方法有：靜態(tài)和動態(tài)退磁法。 磁流變阻尼器的動態(tài)范圍 磁流變阻尼器的動態(tài)范圍是衡量磁流變阻尼器性能的重要指標。粘滯阻尼力工作過程中基本保持不 變，而又磁流變效應產(chǎn)生的剪切阻尼力隨外加磁場的大小而不同，因此整個阻尼力變化幅度定義為磁流變阻尼器的動態(tài)范圍 D，其表達式為 31 fFFFD ???? 式中 fF 為摩擦引起的阻尼力。由上式可以看出，當結(jié)構(gòu)設定時， ?F 和 fF 為常量， ?F 越大， D越大，阻尼效果越好。 阻尼間隙的選取對阻尼器性能的影響 阻尼間隙尺寸的選取直接影響著磁流變阻尼器的阻尼特性。阻尼間隙 h 與磁流變阻尼器的阻尼力 F成反比。通過仔細分析比較可知，一方面，庫倫阻尼力 ?F 與阻尼間隙 h 成反比，在設計中，要求盡可能增加可控阻尼力（即庫倫阻尼力）的大小以增強可控效果，所以，要獲得大 的可控阻尼力，在設計時，需要減小 h 的取值，另一方面，粘滯阻尼力 ?F 與阻尼間隙 h的三次方成反比，隨著間隙的減小，粘滯阻尼力和快速增加，動態(tài)范圍會迅速減小。根據(jù)設計要求，在設計過程中，應盡可能增加磁流變阻尼器的動態(tài)范圍以提高阻尼器的可控能力，因此，在設計時應適當?shù)倪x取阻尼間隙的大小，一般合適的間隙范圍為 。 阻尼通道有效長度的選取對阻尼器性能的影響 活塞阻尼通道有效長度 L 的增加，導致了更多的磁流變液產(chǎn)生磁流變效 應，磁流變阻尼力增大。但是由于不同車型底盤對懸架阻尼器的布置空間有限，有效長度增加勢必會導致活塞的長度增加，這樣會使阻尼器工作的有效行程受到影響。因此，為了獲得較大阻尼力，在結(jié)構(gòu)尺寸允許的前提下，應盡可能的增加阻尼通道的有效長度。 14 磁路結(jié)構(gòu)的分析 由于磁流變阻尼器與普通阻尼器就夠上的不同，為了達到阻尼力可控，其活塞上纏有線圈，就涉及到線圈引入問題，因此，采用活塞桿內(nèi)設引線孔德方法。由于引線長度很長而且引線孔直徑很小，已有的加工工具在強度和長度上都無法實現(xiàn)該活塞桿結(jié)構(gòu)，而且引線孔的作用只是滿足導線引 出，因此，活塞桿采用電火花打孔的方法，對孔的同心度及光潔度要求不用太高。 磁流變阻尼器活塞上的線圈在纏繞過程中，主要會遇到兩個問題，一是漆包線在纏繞結(jié)束后需要從活塞桿引線孔中再引出的方法問題；二是在引線過程中，活塞桿內(nèi)引線通道比較粗糙，由于漆包線劃傷出現(xiàn)的短路問題。對于前者，若采用單線引入引出，還會是引線通道出入口加大，而且加大密封的難度；對于后者，若采用帶有絕緣套的導線，會在設計時增加磁流變阻尼器活塞纏繞線圈處得尺寸，進而影響活塞在阻尼器內(nèi)有限空間的布置。因此，在設計時，在引線通道口處精致處理的基礎上，采 用雙線引入的方法，并且將活塞桿引線孔內(nèi)的漆包線用熱線管處理，避免在穿線時劃傷受損