過嘯鴻，王 昊

(上海電力學院能源與環(huán)境工程學院，上海 200090)

20世紀80年代中后期，磁流變液流體剪切屈服強度過低的瓶頸被突破之后，以磁流變液作為工作介質的器件研究被迅速應用到汽車、機械、土木工程、航空航天等領域的減振上.磁流變阻尼器成為振動控制的新一代高性能減振器，目前應用最廣泛的是在汽車領域與軍事領域，它在智能結構領域上的廣闊應用前景受到了各個國家的普遍關注，成為目前國際上研究的熱門課題之一，在國內也逐步受到重視.目前，磁流變阻尼器理論設計大多數都是基于Bingham模型的平板結構模型，現(xiàn)有的大多數磁流變阻尼器存在以下不足:磁力線并不是完全依照有效磁路行進的，由于缸體的導磁作用，磁力線會沿著缸體向外及側面漏磁，且使缸體帶有磁性，導致缸體可能與外部導磁零部件產生干擾，從而影響工作性能等，而在機械結構上也存在整體結構不夠緊湊、零件外型過于復雜、成本過高，以及難以大批量生產等問題，使得車用磁流變阻尼器無法推廣.因此，開發(fā)設計出一種新型的車用磁流變阻尼器，對提高我國汽車產品的技術含量和市場競爭力都具有重要的意義［1］.

1 磁流變阻尼器的設計準則

由于磁流變液和磁流變阻尼器的特殊性，在設計磁流變阻尼器之前，首先要明確磁流變阻尼器的設計準則，主要包括以下兩個方面［2，3］.

(1)磁路設計準則 在外加磁場作用下，磁流變液中的可磁化微粒沿著磁場方向排列成鏈狀結構或其他復雜結構，從而改變流變特性，在垂直于磁場方向的流動特性變化最大.因此，在設計磁流變阻尼器時應使阻尼通道中的磁流變液流動方向垂直于磁場方向，以便充分利用磁流變效應來改變磁流變阻尼器的阻尼力.

(2)機械部分設計準則 磁流變阻尼器的結構除了必須滿足必要的連接強度外，還要盡可能地保持良好的密封性，同時外形和行程必須滿足現(xiàn)用車輛阻尼器的尺寸規(guī)格要求.在保證機構順利運動的前提下，要盡可能簡化磁流變阻尼器的機械結構及加工工藝過程，并降低加工成本.

2 磁流變阻尼器結構方案的確定

在明確設計準則后，首先需要確定磁流變阻尼器的基礎結構.由于車用阻尼器對阻尼器自身的形狀、規(guī)格、尺寸都有一定的要求，故對磁流變阻尼器的基礎結構進行大幅更改的可能性不大.因此，在磁流變阻尼器的工作模式與結構類型方面，應選擇目前磁流變阻尼器中較為優(yōu)秀、可行性較高的設計方案作為本設計中的基礎結構方案.

2.1 工作模式的選擇

根據磁流變液在阻尼器中的受力狀態(tài)和流動形式的不同，其工作模式可以分為流動模式、剪切模式、擠壓模式，以及這3種模式的組合.在設計磁流變阻尼器時，應使阻尼通道中磁流變液的流動方向垂直于磁場方向，以便充分利用磁流變效應來改變磁流變阻尼器的阻尼力.由于汽車懸架阻尼器的行程較大，且在結構尺寸和結構強度上有嚴格要求，因而車用磁流變阻尼器很少采用擠壓模式，而多采用流動和剪切相結合的混合模式.根據汽車阻尼器的工作原理和結構特點，本方案選用基于剪切模式和流動模式共同作用，即混合工作模式的雙阻尼通道串聯(lián)的磁流變阻尼器，其工作原理如圖1所示.

由圖1可知，構成該標準磁流變阻尼器的基本構件有:活塞;活塞桿;電磁線圈;工作缸等.電磁線圈繞制在活塞上，通過活塞桿引出電源線.阻尼器內腔充滿了磁流變液，活塞在工作缸內作往復直線運動，活塞與缸體發(fā)生相對運動，并擠壓磁流變液迫使其流過缸體與活塞間的間隙，此時無磁場力作用，磁流變液以牛頓流體作粘性流運動，符合牛頓流體的本構關系;當電流通過線圈，產生磁場后，磁流變液就會瞬間由牛頓流體轉變?yōu)檎乘荏w，粘度呈數量級提高，流體的流動阻力增加，表現(xiàn)為具有一定屈服應力的類似于固體的本構關系.

圖1 基于混合模式磁流變阻尼器工作原理

在這個過程中，阻尼通道的磁場越強，所產生的阻尼力越大.因此，磁流變液在阻尼通道中產生的阻尼力是隨著阻尼通道中磁場強度變化而變化的，即可以通過調整電流來完成對阻尼力大小的控制.

2.2 活塞線圈結構的選擇

傳統(tǒng)磁流變阻尼器通常采用的都是單級線圈活塞式結構，這種結構便于加工，非常適合流水線生產.但隨著磁流變阻尼器應用的推廣，對磁流變阻尼器性能的要求自然也越來越嚴格.結構緊湊、高表現(xiàn)的阻尼性能是對現(xiàn)在磁流變阻尼器設計的一大要求，傳統(tǒng)單級線圈的電流-阻尼特性已經難以滿足現(xiàn)代汽車對阻尼器的要求.目前，在磁流變阻尼器設計方案中，較為熱門的是雙級線圈活塞式結構，在同等電流條件下，其最大阻尼力是單級線圈的1.44倍.

因此，在活塞線圈結構的方案上，本文選擇雙級線圈作為活塞線圈結構的基礎方案.

2.3 磁流變阻尼器的組裝結構

磁流變阻尼器可根據活塞桿和缸體的匹配分為單桿單筒、單桿雙筒和雙桿單筒3種形式，這也是目前大多數磁流變阻尼器設計所采用的結構形式.鑒于汽車阻尼器的形狀規(guī)格要求，必須舍棄磁流變阻尼器中的體積補償器，使得阻尼器能節(jié)省更多的懸架空間，因此本文所設計的磁流變阻尼器采用單桿雙筒式的組裝結構.這種阻尼器外型流暢，密封效果好，但是制作工藝復雜，加工成本較高，大多應用在大型機械或者高檔的轎車中.具體結構如圖2所示.

圖2 磁流變阻尼器組裝結構

3 磁流變阻尼器結構的優(yōu)化方案

磁流變阻尼器的機械結構部分改動限制較小，同時優(yōu)化該部分能延長磁流變阻尼器的使用壽命.磁流變阻尼器設計的核心在于優(yōu)化配置，降低成本，簡化工藝過程及美化結構外形.本文在文獻［4］的基礎上，結合連接密封的3個主要問題，提出了磁流變阻尼器結構的優(yōu)化方案.

3.1 磁流變阻尼器內部導線走向

磁流變阻尼器的運作需要持續(xù)供應的磁場，這也就意味著必須將通電的導線從外部引入到磁流變阻尼器的缸體中，并在活塞處繞成線圈，再從缸體內引出接上負極形成回路.由于磁流變阻尼器的工作缸在運作時是一個完全密閉的環(huán)境，要從外部引入導線，從缸體著手很難實現(xiàn).因此，選擇活塞桿，從活塞桿的底部鉆出大小合適的通孔，讓導線穿過活塞桿進入活塞內部，在活塞處繞成線圈后沿原路返回接回電源.但按照這一設計思路進行設計會碰到以下問題:一是從活塞桿鉆孔到活塞，這種過長的鉆削會帶來加工上的困難;二是在這么狹長的內部通道中將導線順利地引入和引出很難實現(xiàn);三是由于設計的磁流變阻尼器屬于雙級線圈活塞式結構，如何完成兩個線圈的連接也是一大難題.

本設計則通過拆離活塞與活塞桿，同時對活塞線圈進行“凹”字型鉆孔設計解決了以上問題:一是將活塞桿和活塞分離，不再采用塞桿一體化的設計，而是分成通過管螺紋可彼此緊密連接的兩個部分，從結構上縮短通孔的加工長度;二是在活塞桿的兩端以及活塞的左端，也就是導線通過的關鍵部分，用鉆孔的方式做出既可以容納多余導線，又方便導線引入引出的擴孔;三是在活塞部分配合雙級線圈的結構，用鉆孔的方式做出“凹”字形的引線孔路，使得導線能順利地從一個線圈引到另一個線圈.這樣的設計還避免了導線的非工作部分產生的磁通影響工作區(qū)域的磁通線，減少漏磁和磁渦的產生，提高了磁流變阻尼器的工作效率和電控準確性.

3.2 磁流變阻尼器底閥的設計

磁流變阻尼器的底閥是設計過程中的最大難點.底閥是單桿雙筒型磁流變阻尼器特有的重要元件之一，其作用是控制內筒和外筒之間磁流變液流動，是連接內筒與外筒的主要關卡.在阻尼器運動過程中，由于活塞桿進出內筒會帶來一定的體積差，磁流變液會經過底閥來完成工作缸與儲存缸之間的移動，從而彌補這一體積差.

為了使雙筒磁流變阻尼器能夠正常運作，底閥必須承受存在于活塞運動時內筒與外筒之間的壓力差，必須在磁流變液流經時保證完全暢通，這樣才能盡可能減少液體流動時的阻力.底閥如果不能時常保持暢通，磁流變液內的鐵質顆粒就會在這個位置發(fā)生沉降，從而影響磁流變阻尼器的正常工作.

傳統(tǒng)的底閥是通過特殊的溝回式凹槽來控制兩筒之間磁流變液的流動，但這不足以改善回流不足這一弊病，同時，過于復雜的底閥結構也是磁流變阻尼器制造成本居高不下的原因之一.本文提出的浮環(huán)分離結構，將底閥的回流作用分散到位于內外筒間隙的浮環(huán)上，將底閥的結構徹底簡化，同時加裝緩沖彈簧來避免阻尼器失效狀態(tài)下底閥與活塞硬性沖撞造成的損壞.浮環(huán)模型如圖3所示.

浮環(huán)的工作位置處于磁流變阻尼器內筒和外筒之間，由于內外筒壁面光滑度較高，在一定公差等級的限制下，可以保證浮環(huán)在內筒和外筒之間順暢滑動的同時又帶有較好的密封性.浮環(huán)的工作原理是利用重力讓磁流變液從外筒壓進內筒，鑒于磁流變阻尼器在實際工作時始終保持垂直于水平面的狀態(tài)，在活塞桿伸入內筒時，由于體積差的變化，部分磁流變液由內筒經過底閥進入外筒，浮環(huán)在壓力作用下被頂起，讓出外筒的空余容積，用于儲存進入外筒的磁流變液;而在活塞桿恢復初始狀態(tài)后，浮環(huán)就會在重力作用下將內筒內的磁流變液壓回內筒，補足內筒磁流變液的體積.底閥的剖面如圖4所示.

圖3 浮環(huán)模型示意

圖4 底閥剖面示意

浮環(huán)材料采用青銅，這樣不僅能和內筒和外筒的鋼質結構形成減磨性能良好的滑動摩擦副，也避免了因浮環(huán)的磁化而影響磁流變阻尼器的正常工作.為了保證浮環(huán)和內外筒的良好配合，也為了讓浮環(huán)能很好地定位，在浮環(huán)和外筒上采用了彼此匹配的契合設計.同時，在浮環(huán)和磁流變液接觸的部分，設計了橡膠質的浮環(huán)密封圈，使得密封更為徹底，也保護了浮環(huán)不被磁流變液浸泡腐蝕.該裝置的原理和結構都非常簡單，實現(xiàn)起來也相當容易，它不僅很好地實現(xiàn)了磁流變液的順流、回流，更保證了外筒和端蓋之間的良好密封性.

3.3 零件連接與密封性的優(yōu)化

完成了零件的結構以及尺寸設計后，如何將零件連接并組裝起來，選擇更為合理的零件連接方式是結構設計不可或缺的重要一環(huán).本文選擇磁流變阻尼器組裝結構中最重要的關鍵點，即內筒與端蓋處的連接密封作為主要優(yōu)化對象.

考慮到整個磁流變阻尼器中內筒是和活塞接觸最多、也是容納最多磁流變液的零件，這也就意味著端蓋與內筒間的連接處將是承受整個懸架阻尼運動最大應力的部分.因此，在設計端蓋與內筒的連接時，首先要考慮的是該連接處應具備較大的連接強度.本設計在端蓋與內筒之間采取管螺紋的連接方式，內筒端口外壁部分采用9 mm×1 mm的凸緣設計，與端蓋內壁攻出相配合的螺紋結構.

危險截面的拉伸強度為:

本文引用奧迪A6的實際數據進行計算，得出σca=131.42 MPa，而查閱機械制造手冊可得，采用20#低碳鋼為材料的管螺紋，其允許疲勞極限為200～280.由此可知，用管螺紋結構進行連接是可行且安全可靠的.

在進行端蓋內部的結構設計時，設計了可以正好容納一個塑膠彈性密封圈的內部凹槽，這個凹槽不僅能容納密封圈，更能在進行螺紋加工時起到退刀槽的作用.將密封圈塞入凹槽后，活塞桿在進出內筒的過程中就必須通過密封圈，緊密的公差配合尺寸使得活塞桿在運動時密封圈能將附著在活塞桿上的磁流變液阻擋回內筒，從而起到了良好的密封效果.

密封圈的材料為工業(yè)塑料聚甲醛，這種塑膠質的密封圈不僅對液體的密封效果較強，而且具有很強的彈性，在內筒螺紋扣緊時，該密封圈可以提供一定的預緊力，使得管螺紋自鎖，杜絕了內筒松脫的可能.密封圈的結構見圖5.

圖5 端蓋密封與連接

4 結束語

本文的設計經歷了從模糊概念到實際加工成產品的過程.通過這次設計，不僅希望能夠為國內磁流變阻尼器的研發(fā)貢獻力量，也希望磁流變設備能夠獲得國內更多科研機關的重視，將磁流變阻尼器這一智能化半主動阻尼設備運用到更多、更寬廣的領域中.

［1］張登友，魯嘉，唐龍，等.磁流變阻尼器的研究及應用現(xiàn)狀［J］.中國儀器儀表，2007，(10):29-32.

［2］廖昌榮，陳偉民，余淼，等.汽車磁流變減震器的設計準則探討［J］.中國機械工程，2002，13(6):723-727.

［3］廖昌榮，余淼，楊建春，等.汽車磁流變減震器設計中值得注意的若干技術問題［J］.汽車技術，2001，(5):10-14.

［4］GAVIN Henri，HOAGG Jesse.Optimal design of MR damper［C］//Proceeding U S-Japan Workshop on Smart Structures for Improved Seismic Performance in Urban Regions，2001，(1):225-236.