摩托車磁流變減振器的設計

洪志聰

摘 要：磁流變液能夠智能化地控制摩托車的減振效果，在摩托車減振器的設計上有重要的應用。該文對磁流變液及流變特性進行研究，以磁流變減振器的工作模式為基礎，進行摩托車磁流變減振器的設計。

關鍵詞：磁流變 減振器 摩托車

中圖分類號：U483 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0098-01

磁流變材料的工作電壓最大只有幾十伏，有效克服了電流變材料要求的高壓特性；另外，磁流變材料的剪切屈服應力遠遠優于電流變材料，加之對雜質影響不敏感的特性，磁流變材料在結構振動控制以及車輛工程等領域有很大的優勢。

1 磁流變及流變特性

一些特殊的液體當受到外加磁場的作用時，它們的流體特性會產生顯著改變，達到閾值的磁場甚至會導致流體固化；一旦外加磁場被移除，流體又恢復原來的特性；這樣的流體被稱為磁流變體，這種效應被稱為磁流變效應。

磁流變效應產生的機理主要有兩種理論[1]：相變理論和場致偶極子理論。相變理論的觀點是：當沒有外加磁場時，磁極化粒子的運動軌跡只受熱運動的影響，運動狀態是隨機的；一旦外加磁場的強度達到一定閾值，磁極化粒子就會被極化，此時磁場和熱運動的相互作用會使粒子變得有序，當外加磁場足夠強時，這種順序就會變為長鏈，最終導致固態相的產生。場致偶極矩的觀點是：外加磁場導致磁極化粒子磁化成磁偶極子，而且這些磁偶極子相互成鏈。

磁流變體的連續相（載體液）主要有兩種：非極性的和有極性的。顧名思義，非極性的連續相很少會受到磁場的影響；而有極性的連續相會因為外加磁場的作用而導致極性分子產生有序化。磁流變體的分散相的極化有粒子體內極化、粒子表面雙電層極化以及界面極化：粒子體內極化主要表現為電子、離子的位移極化和偶極子的轉向極化；雙電層極化是粒子表面的電荷層在磁場作用下產生的電荷不均勻分布；界面極化主要指的是分散相粒子在連續相界面處因為磁化率不同導致的不均勻分布。不同極化方式的時間長短不一，對磁流變效應的影響也不盡相同。一般而言，當磁流變體受到高頻磁場的作用時，其磁流變效應會變得尤為微弱；反之，低頻磁場會使磁流變效應相對較強。

磁極化顆粒間的分子力會使顆粒聚集成團，磁流變體的這種結團現象主要采用表面活性劑處理，也就是在載體液中加入比磁極化顆粒更小的硅膠。表面活性劑的組成部分主要是親油基和親水基，親油基伸展在載體內進行熱擺動，而親水基只會吸附到顆粒表面；一旦表面含有親水基的磁極化顆粒相互靠近，就會阻礙親油基的熱擺動，表面活性劑的這兩種組成成分就會產生相互排斥的作用力，以阻礙磁極化顆粒的相互靠近。

2 磁流變減震器的工作模式

當在減震器內運動時，磁流變液的運動近似等于無限大平行平板間的運動形式。一般而言，磁流變減振器有如下幾種[2]：閥式、擠壓式、剪切閥式以及剪切式。

閥式磁流變減振器在兩個固定上動的極板間充滿磁流變液，外加磁場垂直作用于兩極板；隨著外加磁場的變化，磁流變液的流動性你也會產生變化，推動磁流變液的活塞阻力也隨之變化，從而控制阻尼力；閥式磁流變減振器的典型代表是Lord公司研制生產的單出桿磁流變減振器。對剪切式磁流變減振器而言，它有兩個相對運動的極板，極板間充滿磁流變液，外加磁場垂直作用于磁流變液，外加磁場的變化導致磁流變液的流動性能產生變化，導致發生變化的推動極板的活塞可以控制阻尼力。擠壓式磁流變減振器也是在兩個基本間充滿磁流變液體，但兩個極板間的距離因為擠壓而變得越來越小，因此磁流變液向四周流動，外加磁場垂直于磁流變液，同時又平行于磁流變液的運動方向，磁流變液的這種流動性能變化導致推動活塞的阻力變化，從而影響外加磁場控制阻尼力；擠壓式磁流變減振器的工作模式適合設計開發行程較小的減振器。

磁流變液在受到上施加磁場的作用下會表現為自由流動的牛頓流體，其剪切應力等于液體流速對坐標的導數和磁流變液的粘度系數的乘積。外加磁場的作用導致磁流變液的流變性能產生變化，其真實本構關系可以包括屈前區和屈后區兩部分，屈后區的磁流變液的剪應力受到磁場強度和剪應變速率兩個因素的影響。

閥式減振器的組成部分主要包括活塞、內外缸筒以及活塞桿[3]。內外缸間組成了旁路環形通道，磁流變液的工作間隙就限于此通道中。為了確保活塞雙向運動過程中兩側油缸的凈截面積一樣，兩端的活塞桿直徑要一樣大。另外，缸筒上的激勵磁線圈會產生工作磁場，外力作用導致的活塞左右移動會強迫磁流變液流經內外缸間的旁路環形間隙，這樣就產生了磁流變效應。剪切式減振器的組成部分主要包括缸筒、缸外循環流通道以及活塞三部分。當缸外循環流通道的截面積足夠大時，磁流變液在里面流動受到的阻力就比較小，活塞和缸筒間的環形間隙是磁流變液的工作間隙。剪切閥式減振器由缸筒和活塞兩部分組成，活塞和缸筒間的空隙是磁流變液的工作間隙。

3 磁流變減震器設計

磁路是磁流效應的基礎，磁路設計的好壞會直接影響磁流變減振器的性能。在磁流變減振器的磁路設計中，需要根據設計要求確定磁路各個部分的尺寸、形狀以及激勵磁線圈匝數等，從而控制磁流變減振器的磁化效果[4]。

外加磁場的作用能夠改變磁流變液的流動方式，磁流變液的可磁化微粒會沿著磁場方向運動，從而排列為鏈狀結構。考慮到在垂直于磁場方向的流動特性變化比較明顯，所以在設計磁流變減振器時最好使阻尼通道中的磁流變液的流動方向垂直于磁場方向，這樣能夠充分利用磁流變效應，以改變磁流變減振器的阻尼力。在分析磁路中的磁通量和磁動勢的關系時，需要用到磁路歐姆定律及安培環路定律。磁介質組成的磁場中，沿著所有閉合曲線的磁場強度的環流大小和閉合曲線中所圍繞的自由電流的和相等。另外，考慮到磁阻的大小和磁路長度之間是正比例關系，而與磁導率以及磁路段橫截面積成反比，所以設計磁路時可以調整這三個參數來調節磁阻的大小。

4 結語

該文首先對磁流變體及磁流變效應進行研究，然后分析了磁流變減振器的工作模式和各種模式的磁流變減振器的阻尼力，最后在此基礎上進行磁流變減振器的設計，對摩托車磁流變減振器的研究有重要的參考意義。

參考文獻

[1] 趙丹俠.基于多級徑向流動模式的磁流變液減振器理論與實驗研究[D].重慶：重慶大學，2012.

[2] 鞠銳，廖昌榮，周治江，等.單筒充氣型轎車磁流變液減振器研究[J].振動與沖擊，2014.

[3] 賈永樞，翁茂榮，周孔亢，等.基于三維有限元的磁流變減振器磁路分析[J].系統仿真學報，2014.

[4] 閆占輝，李曉冬，賀會超.一種新型汽車磁流變液減振器的設計[J].機床與液壓，2014.