磁流變慣容器設計與性能分析

摘要：為了提高傳統磁流變阻尼器在低頻域的減振性能，提出了一種新型磁流變慣容器，包括變阻尼單元和慣容單元兩部分，由磁流變閥、液壓馬達與飛輪等組成。利用活塞桿與缸筒的相對運動，實現變阻尼單元內的磁流變液在磁流變閥內往復流動，通過調控線圈上電流大小改變輸出阻尼的大小；同時，實現油液推動液壓馬達輸出軸及飛輪轉動，輸出器件的慣容特性。為提高磁流變閥內置通道的磁場利用率，提出了磁路設計優化方法，采用有限元方法對磁流變閥內部磁場強度進行仿真。結合磁場仿真與理論分析，設計并試制了樣機，搭建了器件性能平臺進行測試。結果表明，所設計器件能夠表現出慣容特性，具有良好的阻尼可控性。

關鍵詞：磁流變；變阻尼；器件；慣容；磁場

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）08-039-08

以磁流變液為介質的磁流變液器件作為一種典型的半主動變阻尼器件，具有阻尼連續可調、響應速度快和能耗低等優點[1]，已在不同減隔振場景中得到應用，如車輛懸架減振[2]、座椅隔振[3]、橋梁隔振[4]等場景。傳統磁流變阻尼器只能通過輸出可控阻尼來進行耗能，為進一步提高磁流變減振系統在低頻域振動控制的性能[5]，可以使器件改變系統動態頻率且不影響系統靜態剛度。慣容器件提供了一種解決思路，Smith[6]首先提出慣容器概念[6]，作為一種雙端質量元件，有多種結構實現方式，包括滾珠絲杠式、齒輪齒條式、液力式、液壓式等。慣容器可以通過輸出等效負剛度改變動態頻率且不影響靜態剛度，為振動控制改變等效剛度來改善隔振效果提供了新思路[7?9]，能夠避免一些負剛度裝置常見的靜態失穩問題[10]。相較于傳統磁流變阻尼器，引入慣容元件的減振系統不僅能通過調整輸出阻尼來消耗能量，還有助于改善低頻減振性能。Zhao 等[11]證明了慣容裝置可以有效降低從地面傳輸到受控結構的輸入能量，Jin 等[12]提出了一種由磁流變彈性體隔振器和滾珠絲杠慣容器組成的混合隔振系統，該混合隔振系統在低頻振動下隔振效果較好，可有效降低隔振系統的位移幅值。由于液力式慣容器可以避免機械式慣容器偏心、摩擦力大等問題[13]，劉昌寧等[14]基于機電液相似性設計了一種液力式慣容器，建立了非線性等效模型。聶佳梅等[15]提出了一種油氣彈簧與慣容器融合設計的液壓慣容懸架結構，具有結構緊湊的特點，有效改善了車輛的行駛平順性和乘坐舒適性。

結合磁流變阻尼器的變阻尼特性與慣容器件在低頻域出色的振動控制效果，使振動控制系統具備能耗低、可靠性高的特點，改善傳統磁流變控制系統的減隔振性能。文中提出了一種新型磁流變慣容器，該器件由磁流變液變阻尼單元和液力式慣容單元兩部分并組成，具有阻尼力可調的特性，兼具慣容特性，在低頻振動下具有更好的振動控制效果。