汽车磁流变减振器设计原理与实验测试

　　在外加磁场的作用下,磁流变体的流动特性会发生显著变化,且响应时间仅为毫秒级,当去掉外加磁场时,磁流变体的流动特性又恢复到原始状态。利用磁流变体的这种可控特性设计制作可控阻尼力的汽车减振器,进而开发智能悬架系统来提高汽车的安全性和舒适性,已经引起国内外汽车制造商和科研机构的高度重视,并开展了相关理论和实验研究,相继开发了不同结构形式的可控磁流变减振器[1～3]。我国在这方面的研究还处于起步阶段,因此,对磁流变减振器的设计原理和实验进行深入研究,对开发汽车磁流变减振器和智能悬架系统具有非常重要的意义。

　　1　磁流变减振器的工作模式[4]

　　磁流变减振器的原理是利用磁流变液在外加磁场作用下,随机分布的磁化微粒的磁化运动方向大致平行于磁场方向,磁化运动使微粒首尾相联,形成链状结构或复杂的网状结构,从而使磁流变液的流变特性发生变化来实现减振器阻尼力控制。目前,直线运动的磁流变阻尼器都是基于流动模式和剪切模式[1]进行设计的。流动模式见图1a,在两固定不动的极板之间充满磁流变体,外加磁场经过极板垂直作用于两极板之间的磁流变体,使磁流变体的流动性能发生变化,从而使推动磁流变体流动的活塞所受的阻力发生变化,达到外加磁场控制阻尼力的目的。剪切模式见图1b,在两相对运动的极板之间充满磁流变体,外加磁场经过极板垂直作用于两极板之间的磁流变体,使磁流变体的流动性能发生变化,从而使推动极板运动的活塞所受阻力发生变化,达到外加磁场控制阻尼力的目的。

　　根据汽车减振器的工作原理和结构特点,利用流动模式和剪切模式共同作用,我们提出一种两阻尼通道串联的混合工作模式的汽车磁流变减振器,工作原理见图2,活塞在工作缸内作往复直线运动,利用线圈产生的磁场来控制磁流变液在阻尼通道中的流动,对减振器的阻尼力实现控制。

　　式中,u为磁流变液的流动速度;τ为磁流变液的剪切应力;r为径向坐标;z为轴向坐标;p为活塞运动引起的压力;ρ为磁流变液的密度。

　　为了简化,不计惯性力的作用,并设在同一阻尼通道内压力p沿轴向z是线性变化的,则式(1)简化为

　　2　磁流变减振器设计

　　2.1　阻尼力的计算方法

　　在外加磁场作用下,磁流变液表现为滨汉流体,本文将根据滨汉流体的本构方程对汽车磁流变减振器进行设计。滨汉流体本构关系为

　　式中,τy为与磁场H有关的临界屈服应力;η为磁流变液的塑性粘度。

　　在阻尼通道中,磁流变液的流动分为3个不同区域,见图3,且满足如下边界条件: