賈永樞 周孔亢 徐 興 翁茂榮

（1.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.江蘇大學(xué)）

1 前言

本文分析了汽車(chē)單筒充氣磁流變減振器的結(jié)構(gòu)和阻尼力模型，通過(guò)試驗(yàn)研究了汽車(chē)單筒充氣磁流變減振器阻尼力特性、磁流變液特性、磁路特性以及溫度特性，為磁流變減振器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2 單筒充氣磁流變減振器結(jié)構(gòu)與阻尼力模型

圖1為基于流動(dòng)模式的單筒充氣磁流變減振器，活塞由工字形鐵心與導(dǎo)磁套筒通過(guò)焊接相連，并形成環(huán)形阻尼通道，漆包線(xiàn)繞制在鐵心上并通過(guò)注塑保護(hù)表面，電源線(xiàn)通過(guò)空心活塞桿引出。輸入0～2 A電流將在環(huán)形阻尼通道磁極處產(chǎn)生不同的磁場(chǎng)，改變流經(jīng)通道的磁流變液粘度，實(shí)現(xiàn)阻尼力控制。壓縮行程時(shí)，活塞桿占用筒內(nèi)體積，磁流變液需臨時(shí)儲(chǔ)存；拉伸行程時(shí)，活塞桿移出筒內(nèi)，下腔體積增大需要補(bǔ)償液體，否則會(huì)形成空行程，產(chǎn)生畸變。因此，需要在儲(chǔ)氣室內(nèi)充入2 MPa壓力的氮?dú)庥糜诨钊麠U的體積補(bǔ)償。

流動(dòng)模式閥體兩端的壓力差模型可以參考Phillips推導(dǎo)的模型[5]:

式中，Δpη為與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)的粘滯應(yīng)力分量；Δpτ（H）為與磁場(chǎng)有關(guān)的可控應(yīng)力分量；η為零磁場(chǎng)粘度；h為阻尼通道間隙；v為活塞相對(duì)外筒的運(yùn)動(dòng)速度；l為活塞有效長(zhǎng)度；τy為不同磁場(chǎng)的磁流變液剪切屈服應(yīng)力；D為環(huán)形阻尼通道直徑；A為減振器活塞的有效面積；c為 [2，3]范圍內(nèi)的一個(gè)常數(shù)，當(dāng)小于 1時(shí)，c取 2，當(dāng)大于100時(shí)，c取 3。

結(jié)合文獻(xiàn)[6]車(chē)輛單筒充氣磁流變減振器阻尼力數(shù)學(xué)模型建立及試驗(yàn)仿真，汽車(chē)減振器產(chǎn)生阻尼力可以描述為:

式中，F(xiàn)l為拉伸行程減振器阻尼力；Fy為壓縮阻尼力；p1為活塞上腔內(nèi)的壓強(qiáng)；p2為活塞下腔內(nèi)的壓強(qiáng)；pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)；Ah為活塞有效面積；Ag為活塞桿有效面積；Ff為摩擦力；S為活塞振動(dòng)位移；p0為活塞壓到底時(shí)充氣壓力；V0為活塞壓到底時(shí)儲(chǔ)氣室體積；p3為儲(chǔ)氣室充氣壓力；lg為活塞桿長(zhǎng)度。

聯(lián)立公式（1）、公式（2）即為單筒充氣磁流變減振器數(shù)學(xué)模型。

3 單筒充氣磁流變減振器特性試驗(yàn)

試驗(yàn)采用已經(jīng)商業(yè)化的國(guó)外某汽車(chē)懸架單筒充氣磁流變減振器，該減振器外徑50 mm，長(zhǎng)度620 mm，活塞桿直徑13 mm，活塞線(xiàn)圈電阻1 Ω，輸入電流0～2 A。如圖2所示，減振器裝在多速程控示功機(jī)上進(jìn)行特性試驗(yàn)。

本來(lái)，在此前“義必成”鏢局護(hù)送文華齋裴主事的計(jì)劃中，李陸峰必死無(wú)疑，但是，拿人錢(qián)財(cái)、替人消災(zāi)在多數(shù)情況下是有底線(xiàn)的，那就是盡量不殺生害命。義必成鏢局就是這么做的，他們順利地護(hù)送裴主事出城，并將文華齋貴重古玩全部運(yùn)出。鏢局最怕攤上人命案，哪怕是面對(duì)兇徒，一般也不會(huì)動(dòng)殺機(jī)。主要原因有兩個(gè)：一來(lái)鏢局需要不停接手生意，沒(méi)有時(shí)間和精力跟人家打人命官司；二來(lái)鏢局要生存，要盈利，沒(méi)有閑錢(qián)、也不值得為人命案付出高昂代價(jià)——就算是格殺兇徒，死者家屬不敢深究，鏢局也會(huì)被官府敲去一大筆燒埋錢(qián)。

3.1 減振器示功特性試驗(yàn)

為測(cè)試減振器耗能和阻尼力特性，對(duì)減振器進(jìn)行示功特性試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)輸入電流為0～2 A，在每個(gè)輸入電流下激勵(lì)頻率選用0.17 Hz、0.42 Hz、0.83 Hz、1.25 Hz、1.67 Hz、2.5 Hz，振幅±50 mm，最大速度為0.524 m/s，得到如圖3、圖4所示的阻尼力特性曲線(xiàn)。

對(duì)比不同頻率、不同電流下的阻尼力特性曲線(xiàn)，可以得出如下結(jié)論:

a.示功曲線(xiàn)非常飽滿(mǎn)，減振器具有很強(qiáng)的耗能特性，且耗能特性隨著輸入電流、激勵(lì)頻率的增大而增加。

b.減振器具有良好的可控性，隨著輸入電流的增大，壓縮與復(fù)原阻尼力不斷增加。

c.在振幅相同條件下，隨著輸入電流增大，激振頻率對(duì)阻尼力的影響逐漸下降。在輸入電流為2 A時(shí)，隨著頻率的增加，頻率對(duì)阻尼力影響變小。由式（1）數(shù)學(xué)模型可知，粘滯阻尼力與激振頻率有關(guān)；可控阻尼力與剪切屈服應(yīng)力有關(guān)，隨著電流增大，可控阻尼力迅速增大，并大于粘滯阻尼力，所以阻尼力整體呈現(xiàn)出對(duì)激振頻率不敏感的特性。

3.2 減振器溫度特性試驗(yàn)

為了測(cè)試汽車(chē)單筒充氣磁流變減振器工作時(shí)溫度變化對(duì)減振器阻尼力特性的影響，對(duì)減振器進(jìn)行溫度特性試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，減振器裝在減振器示功臺(tái)架上，采用正弦激勵(lì)施加循環(huán)載荷，用熱敏電阻式溫度計(jì)記錄減振器平衡位置的溫度和阻尼力。

圖5所示為電流I為1.5 A、速度v為0.524 m/s時(shí)，活塞在平衡位置時(shí)阻尼力與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)。如圖6所示為不同電流與激振頻率下，溫度與時(shí)間的關(guān)系。

從圖5可以看出，隨著溫度升高，拉伸阻尼力下降，而壓縮阻尼力上升，拉伸與壓縮阻尼力的衰減率分別為7.3%和-6.7%。主要是由于充氣減振器隨著溫度升高，充氣壓力增大,導(dǎo)致拉伸阻尼力減小而壓縮阻尼力增大，這與阻尼力理論模型式（2）描述的阻尼力一致。

分析圖6可以得出，減振器升溫的快慢與電流和工作速度有關(guān)。速度一定時(shí)，減振器工作溫度隨電流的增大而升溫變快；電流一定時(shí)，減振器工作溫度隨速度增大而升溫變快。

3.3 磁流變液流變特性試驗(yàn)

磁流變液性能直接決定磁流變減振器的阻尼特性和可控性。為了測(cè)試外加磁場(chǎng)對(duì)磁流變液特性的影響，對(duì)某汽車(chē)單筒充氣磁流變減振器內(nèi)的磁流變液進(jìn)行流變特性試驗(yàn)。試驗(yàn)在奧地利安東帕公司的MCR301型流變儀內(nèi)完成，使用PP20測(cè)量夾具，即直徑為19.961 mm的兩個(gè)平行板。如圖7所示，該儀器可以產(chǎn)生最大1T的磁場(chǎng)，可以完全由軟件自動(dòng)記錄所有剪切應(yīng)力、剪切速度、溫度、磁場(chǎng)等參數(shù)。

a.剪切應(yīng)力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度20℃，設(shè)定儀器轉(zhuǎn)速95.7 r/min，剪切速率為100 s-1，控制外加磁場(chǎng)0～0.757 T線(xiàn)性增長(zhǎng)，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)軟件記錄不同剪切速率下的剪切應(yīng)力，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到如圖8所示關(guān)系曲線(xiàn)。

從圖8中可以看出，剪切應(yīng)力隨外加磁場(chǎng)的增大而增大，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到0.75 T時(shí)剪切應(yīng)力達(dá)到60 kPa，磁流變液具有很好的可控性。結(jié)合單筒充氣磁流變減振器數(shù)學(xué)模型式（1）、式（2），外加磁場(chǎng)可以最終控制減振器的阻尼力，即減振器具有良好的可控性。

b.剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置剪切速率0～100 s-1線(xiàn)性增長(zhǎng)，設(shè)定外加磁場(chǎng)為0、0.4 T、0.75 T，通過(guò)軟件記錄參數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到如圖9所示的曲線(xiàn)。從圖9中可以看出，剪切速率一定時(shí)，剪切應(yīng)力隨外加磁場(chǎng)的增大而迅速增大；當(dāng)外加磁場(chǎng)一定時(shí)，剪切應(yīng)力隨剪切速率的增大而線(xiàn)性增大。

3.4 減振器磁路磁場(chǎng)特性試驗(yàn)

磁流變減振器通過(guò)控制活塞線(xiàn)圈電流改變減振器活塞阻尼通道的磁場(chǎng)，從而控制磁流變液的剪切應(yīng)力及粘度，產(chǎn)生不同的阻尼力，因此磁路磁場(chǎng)直接關(guān)系到減振器的減振效果。如圖10所示，使用上海高端GM-2高斯計(jì)測(cè)試減振器內(nèi)部活塞阻尼通道磁極處的磁場(chǎng)，試驗(yàn)時(shí)阻尼通道的介質(zhì)為空氣。通過(guò)穩(wěn)壓器輸入0～2 A電流，利用高斯計(jì)顯示并記錄活塞阻尼通道磁極在不同電流時(shí)的磁場(chǎng)，得到如圖11所示在空氣狀態(tài)下的磁場(chǎng)特性曲線(xiàn)。

分析圖11可知，活塞阻尼通道的磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度隨電流增大而增大，具有較強(qiáng)的可控性，在電流1.8 A左右，磁場(chǎng)增大幅度開(kāi)始變小，主要是由于活塞的鐵心與活塞套筒材料的磁路開(kāi)始趨于磁飽和，以及磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)影響所致。

4 結(jié)束語(yǔ)

a.汽車(chē)單筒充氣磁流變減振器具有很強(qiáng)的耗能特性。隨著輸入電流的增加，活塞阻尼通道的磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大，磁流變液剪切應(yīng)力增大，使得阻尼力增大，當(dāng)電流達(dá)到一定時(shí)通道磁場(chǎng)出現(xiàn)飽和，阻尼力將趨于穩(wěn)定。

b.單筒充氣磁流變減振器振幅一定時(shí)，隨著輸入電流增加，激振頻率大小對(duì)阻尼力影響逐漸下降。

1 Jolly M R，Bender J W， Carlson J D.Properties and appli?cations of commercial magnetorheological fluids.SPIE，1998，3327:262～275.

2 Gordaninejad F,Fuchs A,Doqrour U,et al.A new genera?tion of magneto-rheological fluid dampers.USA:University of Nevada Rew,2004.

3 張進(jìn)秋，劉義樂(lè)，師文濤，等.車(chē)用磁流變減振器動(dòng)力性能試驗(yàn)分析.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，20（2）:1～5.

4 舒紅宇，王立勇，吳碧華，等.一種磁流變減振器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn).農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37（5）:166～168.

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6 賈永樞，周孔亢.車(chē)輛單筒充氣磁流變減振器數(shù)學(xué)模型及試驗(yàn)仿真.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（12）:272～278.