多环槽式磁流变阻尼器建模与特性分析

　　磁流变液是一种流变特性随外加磁场的变化而变化的智能材料，通过对外界磁场强弱的控制，可在毫秒级的时间内改变磁流变液体的流变力学特性，这一特性对于动力学主动和半主动控制非常有用。由磁流变液制成的阻尼器结构简单、响应速度快、功耗低、阻尼力大且连续可调，是一种典型的可控流体阻尼器，适用于结构振动控制、飞机起落架及车辆悬架系统等。通过对电流的控制可以很容易实现对磁场以及流变力学特性的控制，使得磁流变液阻尼器成为最佳的半主动控制元件，从而引起工业界和国内外学者的广泛关注。也使得磁流变液在最近几年得到飞速发展，应用于实际应用的产品也不断出现。

　　本文对自行设计的多环槽式磁流变阻尼器进行了理论分析和实验建模，利用振动实验台完成阻尼力特性实验，并分析了各参数对阻尼器阻尼力的影响。为今后磁流变阻尼器的设计及改进提供了参考依据。

　　1 结构及磁路设计

　　1.1 磁流变阻尼器的结构

　　通过对磁流变阻尼器工作模式进行分析可知，剪切模式和流动模式共同作用(混合工作模式) 的磁流变阻尼器，结构简单、紧凑，阻尼效果好。因此，本文提出了基于剪切模式和流动模式共同作用(混合工作模式)的一种多环形槽结构磁流变阻尼器，其特点是阻尼器的活塞上开有若干个矩形齿状环形槽，以增加流动阻力。在外加磁场的作用下，当磁流变液流经环形通道时，由于环形间隙的作用，阻尼器的阻尼力随着磁流变液的粘度变化，会产生较大的变化。混合模式磁流变阻尼器，采用类似活塞缸式的结构，活塞与缸体内壁间存在环形间隙，按结构又可分为单出杆活塞缸结构和双出杆活塞缸结构。活塞的移动引起流体通过环形间隙而流动，磁流变液在剪切和流动的组合模式下工作，电磁线圈可绕在活塞上。该设计考虑阻尼器要承受静载荷，所以采用单出杆结构。采用单出杆活塞缸结构，一方面需要考虑体补偿和热补偿，本设计采用了隔膜式蓄能器；另一方面，活塞通过活塞杆在缸体内处于悬臂状态，稳定性差，本设计在活塞杆端部加装导向盘。

　　综上所述，本文设计的磁流变阻尼器的原理图如图1 所示。活塞杆在缸体内作往复直线运动，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特性，从而改变阻尼器上下腔之间的压力差，实现阻尼力控制。

　　1. 2 磁流变阻尼器的磁路结构设计

　　根据目前研究的成果，作用在磁流变液上的磁场方向与磁流变液流动方向垂直时，其效果最佳。因此，这是磁路设计要考虑的因素之一，与阻尼器的结构密切相关。图 2 为自行设计的多环形槽结构磁流变阻尼器的磁路结构示意图。该阻尼器的磁路设计特点，是在活塞矩形齿槽工作段让磁力线与该段磁流变液流动方向垂直，用以增大磁场对磁流变液的作用效果。在工作段 a 段和 b 段上，如果导磁缸体的磁阻比较大（大于磁流变液本身的磁导率），磁力线大部分将从缸体和活塞间隙处的磁流变液中通过，使得磁力线方向与磁流变液流动方向平行，作用效果变差。所以导磁缸体作为磁回路中的一部分，其材料选择非常重要。根据以上分析，本次设计加大了缸体的壁厚。使得缸体的磁阻远小于磁流变液的磁阻。另外，磁路作为一个整体，各个活动件之间的连接处（如图2 中 e处）、磁路中每个活动件（如图 2 中 1、2、5 处）的磁阻都必须匹配，以提高磁路的效率[2]。