陳紹志 張煒 張玉增

1、山東濰坊工程職業(yè)學(xué)院山工機(jī)電工程學(xué)院 2、雷沃重工股份有限公司

1 引言

減振器作為汽車的易損件，其工作狀態(tài)將直接影響到汽車行駛的平穩(wěn)性和汽車的使用壽命，減振器和彈性元件來(lái)承擔(dān)緩沖擊與減振的任務(wù)，如果阻尼系數(shù)過(guò)大，將使懸架的彈性變壞，甚至?xí)箿p振器的連接件損壞，因此應(yīng)使減振器保持良好的工作狀態(tài)。

近來(lái)，由于功耗少、響應(yīng)快、容錯(cuò)性好和成本低等優(yōu)點(diǎn)，磁流變阻尼技術(shù)在車輛懸架的振動(dòng)控制領(lǐng)域有其廣闊的應(yīng)用前景。磁流變減振系統(tǒng)是利用了磁流變液體在磁場(chǎng)作用下粘度產(chǎn)生巨大變化的特性，因此只要通過(guò)控制磁場(chǎng)強(qiáng)度就可以獲得可控制的阻尼力。由此構(gòu)建的磁流變減振系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)范圍寬、阻尼力大、響應(yīng)速度快、溫度適應(yīng)性強(qiáng)、能耗低等特點(diǎn)，是理想的半主動(dòng)式動(dòng)力減振系統(tǒng)。因此，電磁技術(shù)在汽車領(lǐng)域受到高度重視并發(fā)揮著重要的作用。電磁阻尼減振器正是基于電磁技術(shù)衍生出的新的產(chǎn)物。

2 電磁阻尼減振器

本論文所設(shè)計(jì)的電磁阻尼減振器原理圖如圖1所示。

圖1 電磁阻尼減振器的結(jié)構(gòu)原理圖

其工作原理為：電磁阻尼減振器在工作時(shí)，永磁體受激振力作用而上下振動(dòng)，相鄰的永磁體相對(duì)位移會(huì)發(fā)生變化，即二者的間距會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致磁場(chǎng)力的改變。在激勵(lì)作用下，彈性力由橡膠減振筒和彈簧產(chǎn)生，以削弱外界激勵(lì)的作用。相鄰的永磁體之間的磁通量隨著永磁體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生改變，感應(yīng)線圈由于磁通量的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在閉合的感應(yīng)線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，變化的感應(yīng)電流又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)總是要阻礙磁通量的改變，因此產(chǎn)生阻止改變的阻尼力，即減緩兩個(gè)永磁體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，發(fā)揮減振器的根本作用。

電磁阻尼減振器具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：該減振器主要通過(guò)彈簧、感應(yīng)電流、永磁體產(chǎn)生的阻礙磁場(chǎng)改變力而實(shí)現(xiàn)減振，對(duì)永磁體自身的矯頑力要求較低。根據(jù)減振程度的不同，可以選擇具有相應(yīng)程度矯頑力的永磁體；同時(shí)還可以利用感應(yīng)線圈把振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，而彈簧活塞式減振器和永磁式減振器卻以摩擦的形式產(chǎn)生阻尼力，將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能而浪費(fèi)掉；感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁體的磁場(chǎng)之間形成減振阻尼力，該減振方式的減振性能比普通減振器更優(yōu)，減振達(dá)到效果更佳。如果永磁體和感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間產(chǎn)生的阻尼力不足，還可以通過(guò)改變永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度和彈簧剛度來(lái)優(yōu)化阻尼系數(shù)。

3 電磁阻尼減振器的工作原理

電磁現(xiàn)象是日常生活中普遍存在的現(xiàn)象，麥克斯韋在已有定律和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，從數(shù)學(xué)的角度對(duì)電磁場(chǎng)規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。其微分形式如下：

麥克斯韋方程反映了電荷在電磁場(chǎng)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律和其激發(fā)電磁場(chǎng)的形式。本文對(duì)電磁感應(yīng)進(jìn)行研究，把電流的密度J定義為零，對(duì)上式進(jìn)行簡(jiǎn)化得：

從該式可以體現(xiàn)出麥克斯韋的核心理論與貢獻(xiàn)，建立了完整的電磁場(chǎng)理論體系。其核心理論為：變化的磁場(chǎng)與變化的電場(chǎng)之間相互激發(fā)特性，并且得出電荷和電流反作用于磁場(chǎng)，磁場(chǎng)和電場(chǎng)不是彼此孤立存在的，而是組成一個(gè)統(tǒng)一的電磁場(chǎng)。

由法拉第感應(yīng)定律和麥克斯韋理論可知，感應(yīng)線圈在變化的磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)在磁場(chǎng)中有電流通過(guò)的導(dǎo)線會(huì)受到力的作用，由安培定律可知：

產(chǎn)生的感應(yīng)電流為:

式中R為線圈的電阻，單位為Ω。綜合以上兩式得：

由楞次定律得知，通過(guò)感應(yīng)產(chǎn)生的電流，同時(shí)通過(guò)感應(yīng)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，由感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)總有阻礙磁通密度變化的特性，這樣就使得磁場(chǎng)的變化速度變慢，這和阻尼力總是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的目標(biāo)是類似的。因此可以借助二者的相同特性在阻尼器中產(chǎn)生阻尼力。由上面的式子可以直接得到，電磁感應(yīng)產(chǎn)生的力與磁場(chǎng)的感應(yīng)強(qiáng)度B的變化率成正比，其和需要的阻尼力的特性也相同。

電磁阻尼器做好后，線圈的長(zhǎng)度L是固定值，從而線圈的電阻R即是固定值，阻尼器的結(jié)構(gòu)決定了線圈在磁場(chǎng)中的有效面積也是不變的，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度B是唯一的可控變量。由于汽車自身的結(jié)構(gòu)特性，大多數(shù)情況下主要沿Z的軸線方向振動(dòng)，因此做一個(gè)假設(shè)，在空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度B只與Z向有關(guān)，則有

將其代入上式得：

由于速度是位移的一階導(dǎo)數(shù)，由v=z˙

從上式分析得，阻尼系數(shù)C是僅僅與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)的變量。因?yàn)樘囟ǖ碾姶抛枘崞?，其電阻是一個(gè)常量，長(zhǎng)度L也是個(gè)常量（感應(yīng)線圈的匝數(shù)一定），空間有效磁場(chǎng)面積S的改變可忽略。

4 結(jié)論

本論文對(duì)電磁阻尼器減振的工作原理進(jìn)行了分析說(shuō)明，該減振器具有無(wú)粘著力限制，部件之間無(wú)機(jī)械接觸，能量消耗小，不易磨損，對(duì)環(huán)境污染較輕等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用磁荷模型和分子電流模型，利用數(shù)值積分以及響應(yīng)面思想，擬合出磁場(chǎng)強(qiáng)度B在空間的解析表達(dá)式，確定了阻尼系數(shù)C，得出的阻尼參數(shù)的應(yīng)用范圍較廣，具有較好的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。

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