磁流变减振器特点分析研究
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本文作者：马然 朱思洪 伊力达尔 史俊龙 单位：南京农业大学工学院
以磁流变液为工作介质的磁流变减振器具有结构简单、能耗低、阻尼力可调可控的特点，得到人们的重视与研究，在车辆悬架、发动机悬置等方面有着广泛的应用前景。美国内华达大学研制了用于山地自行车、摩托车等的磁流变减振器［1－2］，大大改善了这些车辆的越野性和舒适性。美国Lord公司研制出了磁流变制动器［3］。Delphi汽车系统公司已研制成功了基于磁流变减振器的汽车半主动悬挂系统，并在高级轿车上进行试装和性能测试。大量的应用实践表明:应用磁流变减振器的车辆半主动悬架系统可以有效提高车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性，是未来汽车智能悬挂系统发展的方向［4］。为了提高磁流变减振器的设计效率，尽量增大其动态范围和可控力值，在设计阶段往往需要对其进行性能预估，优化减振器的若干设计参数，推迟其磁饱和现象，增大磁流变液工作间隙的磁通密度，充分发挥磁流变体的可控性能，同时减少试制次数，缩短开发时间，节约开发成本。韩国学者NamYJ［5］采用有限元方法对磁流变减振器的磁场进行了分析，研究了其动态特性及可控性;国内学者张进秋等人［6－7］对三阶段叶片式磁流变液减振器进行了优化设计及磁路仿真，得到了磁场分布相对比较理想的结构方案;重庆大学机械传动国家重点实验室［8－9］提出了基于磁路设计的结构优化方法，对磁流变减振器的一些关键尺寸进行了优化，并试验验证了经过结构优化的磁流变减振器具有更大的饱和工作电流和最大输出阻尼力。文中利用有限元数值模拟方法研究磁场分布规律，分析磁芯直径、阀体壁厚、阻尼通道长度和线圈电流对阻尼孔附近磁通密度的影响，通过减振器外特性试验，验证了减振器磁路设计的正确性和有效性，并为实现磁流变减振器的半主动悬架控制研究奠定了基础。
1磁路结构及Bingham模型
自行研制的磁流变减振器磁路结构及关键技术参数如图1及表1所示。工作缸内充满了磁流变液，当活塞在工作缸中作往复直线运动时，磁流变液流经阻尼通道。磁芯轴上绕有绝缘线圈，给线圈通以一定大小的电流，活塞端部周围产生磁场。由图2可知，为使屈服应力达到最大，阻尼孔附近的磁通密度B至少要达到0．5T。大量理论分析表明，整个磁路的磁动势主要降落在阻尼通道处，为简化计算，忽略其他磁路部分的磁阻，磁路基尔霍夫定律可近似写为［11］。
2有限元分析
2．1磁路仿真模型根据图1所示磁路结构，在ANSYS软件电磁场分析模块中建立其磁路有限元实体模型。磁流变减振器的磁路包括磁芯、侧翼、阻尼通道和阀体4大部分。单元类型定义为Plane53并赋予相应材料的相对磁导率或B－H曲线。仿真时采用通量平行边界条件，施加激励的电流密度为J=7．5×106A/m2。
2．2磁力线分布规律图3和图4分别是磁路磁力线分布图和磁流体处磁通密度云图。线圈通入电流后，减振器磁路的磁力线呈对称分布，首先通过磁芯到达活塞端面，然后穿过阻尼通道到达工作缸，而后再次穿过阻尼通道到达活塞另一端面，最后回到磁芯形成闭合回路。从图3和图4可以看出，阻尼通道处的磁通密度分布均匀，从而表明了磁流体处的磁场是均匀的，验证了液体粘度处处相等的假设。同时，磁力线的方向垂直于阻尼通道内磁流变液的流动方向，这样可以充分利用磁流变效应来改变减振器的阻尼特性，符合磁流变减振器的设计准则。
3模型验证
3．1试验方法由于毫特斯拉计无法测量浸在磁流变液体中的减振器各部位的表面磁通密度值，为验证模型建立方法的正确性并修正模型，以未加磁流变液体的减振器磁芯作为实验和计算对象，在两种典型电流工况下，分别用试验和仿真的方法获取上、下活塞表面及空间部分点的磁通密度值，比较两种结果。将减振器活塞杆固定，利用稳压电源为减振器线圈通以不同大小的电流，分别用高度千分尺和WT－4B型数字式毫特斯拉计确定各测量点位置，并测量其磁通密度值。
3．2实验与仿真结果比较修正的参数是磁路各部分材料的相对磁导率。铁磁材料及磁流变液的磁化曲线是非线性的，磁导率随磁场强度的变化而变化，材料的工作点往往是B－H曲线上接近磁导率峰值点处的某一点。针对该实验系统，通过改变相对磁导率的多次实验与仿真结果比较来确定其值。实验结果与模型修正后的仿真结果如图5所示。通过比较发现，上活塞的上端面及下活塞的下端面处，磁通密度仿真值和实验值偏差较明显，特别是下端面处，实验值明显大于仿真值，这是由于加工精度导致上下活塞端面不完全对称，并且边缘表面具有尖端优势，尖端部位电荷密度大，磁场强度大。活塞表面其他平滑部位，以及除表面外的空间其他各点，磁通密度B的仿真值与实验值的变化规律基本一致，其大小也基本吻合，从而验证了仿真模型的正确性。
4阻尼通道处磁通密度影响因素分析
4．1磁芯直径和工作缸壁厚对磁通密度的影响保持线圈所通电流I=2A，阻尼通道长度L=15mm不变，磁芯直径d的变化范围为8～20mm，间隔2mm，工作缸壁厚H的变化范围为3～13mm，由图6可知，阻尼通道处磁通密度随磁芯直径的增大而增大，随工作缸壁厚的增大而减小;其增大幅度随工作缸壁厚的增大而减小，随磁芯直径的增大而增大。当磁芯直径小于16mm，并且工作缸壁厚大于7mm时，阻尼通道处磁通密度均不能达到设定的目标值0．5T，这意味着环形间隙中的磁流变液将不能到达最佳工作点。这是因为，减小磁芯直径或增大工作缸壁厚会导致磁路其他部分快速到达磁饱和，从而阻止了磁通密度的增大。为避免缸筒处出现磁饱和，并保证结构强度，选择磁芯直径d为16mm;同时，从图6中可以看出，工作缸壁厚在3～7mm之间时，阻尼通道处磁通密度约在0.5～0．6T之间，满足设计要求。文中加工制造的磁流变减振器，其工作缸采用拉伸工艺制作而成，为保证强度要求，其壁厚为7mm。
4．2阻尼通道长度对磁通密度的影响保持d=16mm，H=7mm不变，阻尼通道长度L变化范围为5～20mm，分析其对磁通密度的影响。由图7可知，阻尼通道处磁通密度随其长度的增大而减小，当长度大于15mm时，磁通密度均小于0．5T。为充分发挥磁流变液体的流变特性，设计阻尼通道长为15mm。
5试验研究
利用减振器性能测试机，采用专用的测试系统，根据国家标准QC/T545—1999《汽车筒式减振器台架试验方法》，对自行研制的磁流变减振器进行台架试验，测试磁流变减振器的外特性。输入电流从0～2A变化，间隔0．4A;减振器活塞速度从0．1～0．3m/s变化，间隔0．05m/s。图8所示为减振器活塞速度为0．1m/s与0．3m/s时，不同输入电流下的减振器示功图。由图可知，电流为0时，磁流变减振器具有粘性阻尼力，随着电流的增加阻尼力明显增大。这意味着，相比传统液力减振器，磁流变减振器可以作为一个多功能设备，它可以在指定的动态工作范围内提供无级变化并可作周期性循环的阻尼力。随着电流的增大，阻尼力并非无限增大，而是慢慢增加直到阻尼力达到最大值，此时的饱和电流约为1．8A。这是因为，磁流变液体在一定的磁场强度下会达到磁饱和，在磁流变减振器的设计中要充分考虑磁饱和现象，以便有效发挥磁流变液的流变特性。
6结论
(1)建立了减振器磁路仿真模型，分析了其磁力线分布规律。分析结果表明，磁力线呈对称分布，在阻尼通道内分布均匀并且垂直于磁流变液的流动方向。这样可以充分利用磁流变效应来改变减振器的阻尼特性，符合磁流变减振器的设计准则。(2)以减振器磁芯为实验和仿真对象，分析比较了磁芯表面及空间各点的磁通密度，通过实验对仿真模型进行了修正。(3)仿真研究了各种因素对阻尼通道处磁通密度的影响，得到了合理的磁芯直径、阻尼通道长度及工作缸壁厚，可供减振器磁路设计参考。(4)试验得到了减振器在不同活塞速度下的示功特性曲线，试验结果为磁流变半主动空气悬架的控制提供了依据。