磁流變阻尼器工作原理和工作特性及其在車輛上的應用分析①

譚凌峰 廖禹帆

(樂山市特種設備監督檢驗所 四川樂山 614000)

1 磁流變阻尼器的工作原理

傳統MR阻尼器的工作原理基本相同，即利用通電線圈。到目前為止，磁流變阻器的動力和驅動模式主要有壓力驅動模式、剪切模式和擠壓流動模式[1]。壓力驅動模式是通過壓力的作用，致使磁流變液產生阻尼；剪切模式則是通過磁體兩級之間的剪切流動產生阻尼，而擠壓流動模式則是磁體兩級的相對運動形成擠壓，產生阻尼。三種模式的阻尼的產生運動情況如圖1所示。在這三種模式中，壓力模式是研究時間最長、應用最多，且阻尼力最大的模式，無論是理論還是應用上，都比另外兩種模式較多。

磁流變阻器的性能主要通過磁流變阻器上的線圈的磁場的變化疊加引起的，在線圈通電后，改變了阻尼器中原有的磁性顆粒的分布規律和變化趨勢，形成可以收尾相接的磁流束，磁流束的磁場一方面產生反向的阻力，另一方面限制磁流變液的運動，使得阻尼器的逆向作用進一步加強，從而形成減振的效果。

2 磁流變阻尼器的工作特性

由于不易利用流變力學理論進行分析，因為本來結構復雜的磁流變體，它的動態阻尼力表現出強非線性的特性。磁流變阻尼器的工作特性與磁流變液工作狀態有關系，一般可以分為三種工作特性模型，包括三種類型模式，流動模式、剪切模式和混合模式。

流動模式的磁流變阻器，其主要包括有內外缸筒、活塞及活塞桿等部件。旁路環形通道是在內外兩面缸筒之間形成的，其實也稱為磁流變液的環行工作間隙[2]。其直徑相同的兩端，存在的活塞桿是用來保證活塞進行兩面移動的工作，前提是兩側油缸有相同的凈截面積。安裝激磁線圈在內(外)缸筒上，以便于產生工作磁場加以利用。產生磁流變效應是因為活塞借助外力作用而產生左右移動的現象時，其活塞兩端會產生壓力差，繼而環形間隙由磁流變液所流過。

剪切模式的MR阻尼器它是由缸筒、活塞和缸外循環流道共同構成了阻尼器。假設存在足夠大的缸外循環流道截面積，液體阻力可忽略不計。工作間隙是由活塞與缸筒之間存在環形間隙的一種磁流變液[3]。而在不存在磁場的狀態下，活塞運動的阻力主要來自于環形間隙中的阻力。當存在磁場的狀態時下，傳輸力和粘性力兩部分構成活塞運動的阻尼。

混合模式的磁流變阻器，主要包括有缸筒和活塞等構件。混合模式的磁流變阻器和油缸的結構很像。環狀間隙是在活塞與缸筒之間留存，作為工作間隙的磁流變液。其混合工作模式是流動模式和剪切模式的復合體[4]。缸筒與活塞產生相對運動前提是存在外在的壓力。其阻尼力一部分是為活塞兩端的壓差所產生的液壓阻力；另一部分是剪切阻力由工作間隙所產生的。

圖1 產生阻尼的運動情況圖

圖2 磁流阻尼器應用于汽車減振

3 在汽車方面應用

在汽車制造行業，通過磁流變阻器實現車輛減振也得到了廣泛的應用，例如懸架減振器以及汽車座椅減振系統等。在汽車的懸架系統設置磁流變阻器，利用其半主動控制的特點，可以將車輛的實際運行情況和實際地形情況進行組合，在信息化評估中控制車輛的減振情況，能更好的提高車輛的舒適度以及車輛在行駛過程中的安全性。這方面的應用統一以Lord公司最為突出。Lord公司開發的單筒式汽車座椅懸架阻尼器，通過壓力模式進行阻尼器的動力產生，這種單筒式阻尼器，主要的壓縮氣體是惰性氮氣，并以一個單桿鏈接活塞，活塞行程在2.9cm左右。在這款阻尼器的活塞上，分布有環形的阻尼孔和線圈，環形孔距離直徑為4cm的阻尼器中心大概17cm。阻尼器中，容納的阻尼變液的梯級為70cm3左右，而容納在活塞中的阻尼液為0.3cm3作用，通過1A的電流進行控制。將這款阻尼器布置到汽車懸架系統上，能實現較好的減振效果，其部署位置如圖2所示。

4 結語

本文是介紹在磁流變阻尼器的研究背景和工作原理的基礎上，概述了在磁流變阻尼器在汽車行業的應用，磁流變阻尼器是減震器家族較為領先的成員，他良好的工作特性讓其成為今后減震器發展的趨勢，在不久的將來，磁流變阻尼器會在提高舒適感的市場上廣泛應用。