單筒式磁流變減振器優化設計

張麗霞 鄭超藝 潘福全 林炳欽

摘要：磁流變減振器的結構設計是一個非線性多目標優化問題，基于對磁流變減振器主要結構參數的分析和討論，參照減振器實際功能需求，考慮減振器的加工工藝及安裝尺寸等因素，設計了結構為雙線圈單筒單出桿型式的磁流變減振器，為汽車半主動懸架的開發設計奠定基礎。

關鍵詞：磁流變減振器;單筒式;雙線圈;半主動懸架

0? 引言

與傳統的汽車被動懸架相比較，半主動懸架系統能實時匹配懸架所需的阻尼力要求，根據實際情況進行調整[1]。作為半主動懸架系統執行元件的磁流變減振器因其結構簡單、阻尼力可控、輸出阻尼力大、響應速度快、動力可調系數大、控制相對簡單、能耗低等優點，成為目前半主動懸架的主要研究方向。

1? 磁流變減振器整體結構設計

設計的磁流變減振器為單筒單出桿型式，內設浮動活塞結構，采用氣體補償形式進行體積差補償，其中注入的氣體為氮氣。由活塞桿、磁芯、上下壓板、線圈、活塞外套等組成活塞總成結構，其中活塞外套中間部分有一導向帶，防止活塞在工作缸中往復運動時與工作缸由于摩擦導致活塞外套表面磨損，影響活塞的往復垂直運動。磁芯與活塞桿采用緊配的方式套在活塞桿上，中間有一O形密封圈防止磁流變液從活塞桿內的通孔中溢出。由上、下壓板將活塞外套與磁芯分隔開形成1mm的間隙，這一間隙為磁流變液工作間隙，是活塞設計的重要參數之一。磁芯上開有兩個線圈槽，漆包線在線圈槽中反向繞制，形成兩個串聯能產生反向磁場的線圈。其中漆包線兩端分別與磁芯中部的接插件兩根pin針一端相連，pin針的另一端與外接導線相連，再從活塞桿通孔中將導線引出減振器。線圈通電時產生磁場，沿磁芯中部、磁芯側面、磁流變液工作間隙、活塞外套形成閉合回路，活塞外套采用翻邊的方式將各部分裝配成一個整體。工作缸封口處加設導向器，保證活塞能垂直上下往復運動外，還設有耐腐蝕橡膠材料加工的油封，起到密封油液的作用，導向器上還有一個卡箍與工作缸環形槽配合，將導向器固定在工作缸端口，再在端口封一端蓋，則磁流變減振器封裝完成。新的磁流變減振器結構示意圖如圖1所示。

2? 磁流變減振器活塞總成結構設計

基于流動工作模式設計的磁流變減振器，活塞總成處自形成導磁回路，并在不加其他導向結構的前提下進行自導向。活塞總成軸對稱平面結構簡圖如圖2所示。主要由電磁線圈總成（鐵芯、線圈、導線）、活塞外套、上壓板、下壓板這幾個部分組成磁流變減振器活塞總成。其中上壓板、下壓板為不導磁材料，鐵芯和活塞外套為導磁材料。整個活塞總成通過活塞外套與上壓板、下壓板采取卷邊的工藝或者螺紋連接方式將各個部分之間的相對關系固定，裝配成一個整體。其中，活塞鐵芯位于活塞外套之中，其軸、徑向的定位通過活塞鐵芯兩端限位凸臺和上壓板、下壓板的限位凹槽進行限定。

設計的電磁線圈為雙線圈結構，鐵芯上開有兩個勵磁線圈繞線環形凹槽，在進行繞線前需要注塑一定厚度的骨架，再將漆包線反向繞制在兩線圈槽內，保證通電后兩繞線槽中間的鐵芯區域和對應的阻尼通道處磁力線方向相同，磁場相互疊加，起到增強磁感應強度的目的。其中，鐵芯、活塞外套、磁流變液阻尼通道共同組成磁路回路。

線圈的引出線通過鐵芯內部的引線槽經過活塞桿通孔引出，連通外部電源。為了避免磁流變液與勵磁線圈內的漆包線直接接觸造成磨損，而導致線圈短路，需要對兩勵磁線圈進行包塑而進行封裝保護。再者，為了防止磁流變液從活塞桿通孔泄露并固定引出線，需要在活塞桿引線孔內注滿特殊粘合劑，完成活塞總成組件的封裝。

為了保證減振器在活塞換向或低速運動時，磁流變液能充分流動于上、下腔，保證高壓氣室進行體積補償，可以在鐵芯中開幾個與上、下壓板通孔相對的微小通孔。具體通孔個數可以依據具體的車型和阻尼力需求進行設計。為了活塞總成在往復運動中起自導向作用，一般設計活塞外套中間位置的外徑大于兩邊，類似的環形凸起結構，保持該外徑與工作缸的內徑距離在0.5mm左右，保證導向。也可以在活塞外套中部加一環形導向帶，起到自導向作用。

3? 活塞材料的選用

3.1 磁流變液材料的選擇

選擇的磁流變液應具有低零場黏度、沉降和凝聚穩定性良好、流變響應時間短、良好的溫度穩定性（-40～150℃）等特點[2]。本文采用清華大學車輛與運載學院智能懸架與輪胎課題組研制的6-5#-1型磁流變液。

3.2 活塞外套和活塞鐵芯材料的選擇

磁回路主要由活塞外套、活塞鐵芯側面、活塞鐵芯中心軸、阻尼通道工作間隙幾個部分組成。因此，除了磁流變液的性能要求外，要求活塞外套和活塞鐵芯具有較好的導磁性能。具體材料要求如下[3]：

①高磁導率材料，即選定一定匝數的線圈時，同樣磁路結構的情況下，加載較小的激勵電流就能獲得更大的磁感應強度;

②要求材料低矯頑力，磁滯回線所包圍的面積盡可能小，磁滯損失較小，渦流損失小;

③要求在開啟或斷開激勵電流時磁路能夠快速生磁或退磁，材料有較強的退磁性能，盡量縮短響應時間，提升控制的可靠性;

④盡量選擇性價比高的材料，降低磁流變減振器開發成本。

DT4型電工純鐵具有以上要求的性能特點，所以本文選擇DT4型電工純鐵作為自制磁流變減振器磁路部分的材料。

3.3 活塞桿材料的選擇

活塞桿主要將線圈的導線引出工作缸，不作為磁回路的一部分，但是需要承受一定的拉壓力及彎矩，所以需要考慮構建的強度及剛度要求，選擇的材料應具有良好的抗沖擊、塑韌性、抗振性等，還需便于切削加工與表面絕緣和熱處理，所以活塞桿選擇45#鋼作為原材料。

3.4 上、下壓板材料的選擇

上、下壓板主要起著固定鐵芯的作用，使鐵芯與活塞外套保持一定的阻尼通道間隙大小。一般不作為磁回路的一部分，具有一定的強度和剛度即可，所以上、下壓板選擇6xxx或7xxx系-T6鋁合金。

3.5 電感線圈材料的選擇

電感線圈的導線選用內阻小、耐熱性能高的漆包銅線，線圈填充材料為抗磁、絕緣及耐沖擊耐腐蝕的材料。

4? 磁流變減振器主要結構參數的確定

經過前面幾個部分對磁流變減振器主要結構參數的分析和討論，可以得到如表1所示的磁流變減振器主要結構參數。

5? 結論

本文介紹了磁流變減振器結構設計的基本原則及流程，基于結合原減振器性能要求，進行磁流變減振器結構參數設計，確定磁路關鍵參數，并確定了磁流變減振器的主要結構參數和各零部件的加工材料。

參考文獻：

[1]張麗霞，龐齊齊，潘福全，等.磁流變減振器魔術公式模型在懸架控制中的應用[J].中國機械工程：1-8.

[2]袁姝.電磁場參數對磁流變液特性的影響及優化研究[D]. 上海工程技術大學，2016.

[3]張麗霞，林炳欽，李雪冰，等.基于Ansoft的磁流變減振器磁路設計與試驗研究[J].現代制造工程，2020（01）：1-9.