張 廣，張晉寧

（1.浙江工業(yè)大學(xué)臺州研究院，浙江臺州 318001；2.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310014）

0 引言

磁流變液作為一種新型智能材料，在磁場的作用下，可以在幾毫秒內(nèi)由黏性液體狀態(tài)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)，具有一定的磁控可變屈服應(yīng)力。當(dāng)磁場消失時，磁流變液可以迅速從類固體變?yōu)榕ｎD流體狀態(tài)。這種轉(zhuǎn)化過程是可逆連續(xù)的[1-3]。磁流變液由于具有響應(yīng)速度快、阻尼連續(xù)可調(diào)、電磁可控性好等一系列優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于減振器[4]、離合器[5]和閥門[6]，這些磁流變器件廣泛用于車輛[7]和橋梁減振[8]等。

磁流變減振器由于其突出的動態(tài)性能，如輸出阻尼力大、響應(yīng)速度快、能耗低以及電子和機(jī)械系統(tǒng)之間的簡單接口，在半主動振動控制中展現(xiàn)出優(yōu)越的能力[9-10]。 研究表明，磁流變減振器在車輛懸架方面發(fā)揮著出色的作用，無論地形和負(fù)載條件如何變化，都能提高乘坐舒適性和操控性。同時，磁流變減振器在土木工程和軍事領(lǐng)域也蓬勃發(fā)展，如抗地震波減振器、直升機(jī)起落架減振器和反后座減振器[11-13]。

為了更好地理解磁流變液減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，本文對磁流變液減振器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計問題進(jìn)行綜述。

1 磁流變減振器的工作模式

磁流變減振器是一種新型減振器，基于磁流變液的可控特性，在外加磁場的情況下，磁流變液中雜亂分布的軟磁性顆粒被磁化后沿著磁力線分布，首尾相連，形成網(wǎng)狀或鏈狀結(jié)構(gòu)，使磁流變液從Newton 流體特性轉(zhuǎn)變?yōu)锽ingham流體特性。這一流動特性的改變，使減振器活塞阻尼通道兩端產(chǎn)生壓力差，進(jìn)而調(diào)整減振器輸出的阻尼力值，達(dá)到減振器阻尼可變的目的。磁流變液在減振器中流動，近似于在兩個無限大平板間進(jìn)行幾種不同方式的運(yùn)動[14]。根據(jù)流體流動和流變應(yīng)力，磁流變器件的工作模式主要分為以下3種：流動模式、剪切模式和擠壓模式[15]。

1.1 流動模式

在流動模式中，磁流變液位于兩個相對靜止的極板之間，如圖1 所示，由于裝置中的壓力差而使磁流變液流動。該壓力差為由磁場引起的屈服應(yīng)力分量ΔPH和與磁場無關(guān)的黏性分量ΔPη之和[16]。

圖1 流動模式

式中：Q為體積流速；L、h、s分別為極板長度、寬度和間隙；c為經(jīng)驗系數(shù)，ΔPη∕ΔPH＜1 時，c=2，1≤ΔPη∕ΔPH≤100時，c=3。

減振器是流動模式下磁流變液最典型的應(yīng)用。減振器能產(chǎn)生強(qiáng)大的阻尼力，且可根據(jù)外部振動的不同自行調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度大小，使減振器阻尼通道兩端的壓力差發(fā)生變化，達(dá)到主動減振的目的。

1.2 剪切模式

磁流變在剪切模式下，磁流變液位于兩個相對運(yùn)動的極板之間（圖2），產(chǎn)生剪切阻力。該阻力為由磁場引起的屈服力分量FH和黏性力分量Fη之和[16]。

圖2 剪切模式

式中：v為極板相對運(yùn)動速度；A為工作表面積。

在此種模式下磁流變液器件主要依靠磁流變液的剪切應(yīng)力來傳遞轉(zhuǎn)矩，由于磁流變液的屈服應(yīng)力受外加磁場控制且相變的過程在毫秒量級內(nèi)完成，磁流變液器件可以做成靈敏度極高的控制元件，用于連接和傳遞兩部件之間的力或力矩。

WANG 等[17]設(shè)計了一種具有剪切閥工作模式的礦用磁流變減振器。與傳統(tǒng)的減振器相比，這種磁流變減振器具有更好的耗能特性，可以在短時間內(nèi)提供更大的阻尼力。磁流變減振器不僅可以有效避免振動篩的共振，而且不會影響振動篩工作時的穩(wěn)定振幅，還可以大大減少振動篩的停機(jī)時間。

1.3 擠壓模式

在擠壓模式中，磁流變液位于兩個極板之間，兩磁極作相對運(yùn)動，磁力線的方向平行于活塞運(yùn)動方向，磁極擠壓磁流變液，使之向四周流逸從而產(chǎn)生擠壓效果，如圖3所示，磁極的位移量較小（幾毫米以下），產(chǎn)生的阻力卻很大。擠壓模式與流動模式和剪切模式比較，研究的還不夠深入，主要應(yīng)用在一些小振幅的減振器上。

圖3 擠壓模式

LI 等[18]對具有預(yù)壓縮機(jī)制的新型擠壓模式MR 減振器在這種激勵下的力學(xué)性能進(jìn)行了定性和定量分析。為提高性能，提出了一種新型預(yù)壓縮機(jī)制擠壓模式MR 減振器。實驗結(jié)果表明，預(yù)壓縮可有效提高高頻硬化效果。

2 磁流變減振器工作缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

磁流變減振器結(jié)構(gòu)型式多樣，一般按磁流變減振器的突出結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分類以便進(jìn)行描述，主要從以下幾個方面進(jìn)行分類[19]：按補(bǔ)償腔位置不同可以分為外置或內(nèi)置補(bǔ)償腔補(bǔ)償；按活塞桿的形式可以分為雙出桿式和單出桿式；按磁極安裝位置可以分為磁極運(yùn)動式和磁極固定式；按缸筒結(jié)構(gòu)形式可以分為單筒式和雙筒式。通常用以上幾種分類方式的組合對一般磁流變減振器的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行劃分，較為典型的結(jié)構(gòu)型式有單出桿單筒型、單出桿雙筒型和雙出桿單筒型3種[20]。

2.1 單出桿單筒型結(jié)構(gòu)

單出桿單筒型被動減振器的典型結(jié)構(gòu)如圖4 所示。單出桿單筒型磁流變液減振器基本上是基于一個單桿缸的結(jié)構(gòu)，它只有一個磁流變液工作缸，工作缸被一個運(yùn)動活塞分為復(fù)原腔和壓縮腔。在活塞運(yùn)動過程中，氣缸中的磁流變液通過組裝在活塞中的磁流變減振器控制閥，這導(dǎo)致磁流變液黏度明顯變化，從而導(dǎo)致流體流動的壓差，并因此產(chǎn)生與可控磁場成比例的阻尼力。帶有壓縮氣體（通常為氮?dú)猓┑男钅芷魍ㄟ^浮動活塞或氣囊與磁流變液分離，具有以下3 個功能。第一，蓄能器用于適應(yīng)由于活塞運(yùn)動而引起的不可壓縮磁流變液的體積變化。第二，蓄能器可提供壓力偏移，使得磁流變液控制閥的低壓側(cè)不會減小而引起磁流變液的氣蝕。第三，氣室在減振器受力時壓縮，在減振器未受力時恢復(fù)，從而起到一個類似彈簧的作用來保持減振器的延伸長度[21-22]。單出桿單筒型減振器的優(yōu)點是機(jī)械結(jié)構(gòu)制造更簡單、部件更少、質(zhì)量更輕，缺點是氣壓更高（通常大于1 MPa），與雙管減振器相比，氣缸更容易損壞[21]。

圖4 單出桿單筒型

2.2 單出桿雙筒型結(jié)構(gòu)

單出桿雙筒型減振器的基本結(jié)構(gòu)如圖5 所示。該單出桿雙筒型減振器具有內(nèi)缸和外缸。內(nèi)缸填充有磁流變液，并像單出桿單筒型減振器的工作缸一樣引導(dǎo)活塞及活塞桿組件。部分填充有磁流變液的外缸適應(yīng)由于活塞運(yùn)動而引起的體積變化，從而實現(xiàn)與單出桿單筒型減振器中的氣動蓄能器機(jī)構(gòu)相同的目的。此外，外缸還可以保護(hù)減振器的內(nèi)部部件，并能將熱量從減振器流體傳遞到周圍環(huán)境。內(nèi)缸底部設(shè)置有底閥，如圖6 所示。底閥用于在復(fù)原和壓縮過程中調(diào)節(jié)內(nèi)缸和外缸之間的流動。當(dāng)活塞桿進(jìn)入減振器時，磁流變液從內(nèi)缸通過底閥中的壓縮閥流入外缸。從內(nèi)缸流入外缸的磁流變液流量等于活塞桿進(jìn)入內(nèi)缸時排出的體積。當(dāng)活塞桿從減振器中抽出時，磁流變液通過底閥中的回流閥流入內(nèi)缸[21，23-24]。一般來說，雙筒減振器可以在較低氣壓（小于1 MPa）下工作，但更加復(fù)雜，并且在散發(fā)產(chǎn)生的熱量方面存在問題[21]。

圖5 單出桿雙筒型

圖6 底閥示意

2.3 雙出桿單筒型結(jié)構(gòu)

雙出桿單筒型是單管結(jié)構(gòu)的特殊配置，如圖7 所示?；钊麠U具有相同的直徑，并穿過雙端磁流變液減振器的兩端伸出。這種布置不需要將桿體積補(bǔ)償器并入減振器中，因此氣室可以被移除，并且其本身不會產(chǎn)生彈簧效應(yīng)，可以提供小壓力蓄能器來適應(yīng)流體的熱膨脹[23]。雙端磁流變減振器已經(jīng)用于沖擊和振動加載、火炮后坐力應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)中的地震保護(hù)[25-27]。

圖7 雙出桿單筒型

3 磁流變減振器控制閥的設(shè)計

磁流變閥通過電流控制磁場強(qiáng)度進(jìn)而控制阻尼力，典型磁流變閥如圖8 所示，磁流變閥包括磁性殼體（通量環(huán)）、磁芯、纏繞感應(yīng)線圈的非磁性線軸以及位于磁芯外部和磁性殼體內(nèi)部之間的流液通道，該流液通道連接到磁流變液入口和出口[28-29]。磁路引導(dǎo)磁通通過磁流變閥的主體部分，磁流變液的動態(tài)屈服應(yīng)力隨電磁線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度而變化，因此在受控的磁場強(qiáng)度下激活合成阻尼力以抵抗運(yùn)動。在沒有磁場的情況下，阻尼力僅由磁流變液本身的黏度產(chǎn)生[30-31]。磁性外殼和磁芯通常使用低碳鋼，具有高磁導(dǎo)率和飽和度，并且可以有效地將磁通量引導(dǎo)到流體間隙中[32]。此外，采用襯套和墊圈來防止磁場泄漏[31]。

圖8 磁流變閥示意

電磁線圈放置在上述磁流變液工作缸內(nèi)，稱為內(nèi)線圈。可替換地，線圈可以布置在工作缸的外部，這被稱為外部線圈。內(nèi)部線圈布局采用固定尺寸的環(huán)形流動通道（或所謂的矩形管道），并且流體流動的方向主要垂直于所施加的磁場，而外部線圈采用圓柱形管道，并且流體流動的方向平行于所施加的磁場。與使用外部線圈相比，使用內(nèi)部線圈可以實現(xiàn)更高的壓力容量、更快的控制響應(yīng)和更少的泄漏[33]。

4 典型的磁流變減振器

根據(jù)基本功能部件（即磁流變液工作缸和磁流變液控制閥）的不同布置，本節(jié)介紹了幾種典型的磁流變液減振器。

4.1 內(nèi)置線圈的磁流變減振器

圖9 所示為磁流變液控制閥中內(nèi)置線圈的一體式磁流變液減振器的結(jié)構(gòu)。磁流變閥放置在移動活塞內(nèi)，活塞桿具有中空結(jié)構(gòu)，以容納線圈導(dǎo)線并將其與磁流變液分離。由于磁芯和工作缸可相對運(yùn)動，所以這種磁流變減振器可以工作在3 種復(fù)雜的流體模式下：（1）單流模式；（2）閥模式和剪切模式組成的混合模式;（3）閥模式、剪切模式和擠壓模式組成的混合模式[32]。

圖9 內(nèi)置線圈的結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)磁流變減振器的勵磁線圈通電時，假設(shè)產(chǎn)生的磁通線均勻分布，忽略其他結(jié)構(gòu)對磁場的影響。通過簡化磁路分析可以得到如圖10 所示的磁路圖?？梢钥闯?，磁通線依次穿過活塞頭、阻尼間隙和氣缸，形成閉合回路。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)中磁通線的方向，磁路可分為磁阻6 段，為R1～R6。HU 等[34]計算了磁流變減振器的磁路，分別建立了磁流變減振器的力學(xué)模型、電磁場模型、流場模型和應(yīng)力場模型。在COMSOL 軟件中建立了磁流變減振器的多物理場耦合模型，并進(jìn)行了多平臺聯(lián)合優(yōu)化。

圖10 磁流變減振器的簡化磁路

一般來說，內(nèi)置線圈的磁流變減振器通常具有結(jié)構(gòu)緊湊、線路保護(hù)的優(yōu)點，缺點是增加活塞頭的質(zhì)量，更多散熱在磁流變液中導(dǎo)致溫度升高影響性能，安裝和維護(hù)不方便，以及磁流變閥剛性替換。盡管如此，由于利用活塞及閥單筒結(jié)構(gòu)的集成設(shè)計能提供高導(dǎo)通狀態(tài)阻尼力和低斷開狀態(tài)阻尼力的效率[28]，所以大多數(shù)磁流變減振器仍選擇這種結(jié)構(gòu)。如ARALIKATTI 等[35]將這種磁流變減振器用來抑制金屬切削中的刀具振動從而提高金屬表面光潔度和加工穩(wěn)定性。

4.2 外置線圈的磁流變減振器

對于內(nèi)置線圈的磁流變減振器，線圈散熱引起磁流變液溫度的增加可能導(dǎo)致其黏度下降并降低阻尼力的范圍[36]。因此在一些應(yīng)用中會選擇使用外置線圈的磁流變減振器。圖11 所示為外置線圈和活塞同時移動的磁流變減振器的結(jié)構(gòu)。圖12 所示為外置線圈固定的磁流變減振器結(jié)構(gòu)。具有同時移動的活塞和外置線圈的磁流變減振器可以提供比具有固定的外置線圈的磁流變減振器更大的行程[37]。外置線圈的磁流變減振器的優(yōu)點是，線圈產(chǎn)生的所有熱能可以排放到大氣中，不會對減振器的液壓系統(tǒng)產(chǎn)生任何加熱。但是，根據(jù)GRUNWALD 和OLABI[38]的分析，在相同體積約束和線圈匝數(shù)的情況下，可用阻尼力小于內(nèi)置線圈的磁流變減振器。

圖11 外置線圈可動的磁流變減振器

圖12 外置線圈固定的磁流變減振器

4.3 雙筒式磁流變減振器

除了單筒式磁流變液減振器，研究人員還開發(fā)了幾種雙筒式磁流變液減振器，將磁流變液控制閥結(jié)合到雙筒磁流變液缸的移動活塞中，其布置與單筒式磁流變液減振器中使用的布置類似[39-40]。需要注意的是，在某些混合模式的雙筒式磁流變液減振器中，與磁流變閥集成的活塞可以放置在離磁極相當(dāng)遠(yuǎn)的位置處，并且由于磁場可能影響活塞附近的流體流動，由磁流變效應(yīng)引起的動態(tài)阻尼特性與純混合模式的動態(tài)阻尼特性略有不同[41]。

圖13 雙筒式磁流變減振器

圖13 所示為一種雙筒式磁流變減振器，賈永樞等[42]首先對其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，建立了阻尼力數(shù)學(xué)模型和三維有限元仿真模型，最后通過臺架試驗驗了該模型的正確性。該理論模型的建立對于類似的減振器結(jié)構(gòu)建模具有一定的指導(dǎo)意義，同時該減振器道型對于分析磁流變減振器關(guān)鍵參數(shù)對阻尼力靈敏度具有重要意義。

4.4 旁路型磁流變減振器

磁流變閥與一個旁通管一起安裝在磁流變液工作缸內(nèi)，阻力流出現(xiàn)在磁流變液工作缸缸外。在實際設(shè)計中，單筒或雙筒磁流變液工作缸與旁通閥配合使用，也存在內(nèi)置線圈和外置線圈的旁路型磁流變液減振器。旁路型磁流變液減振器用于具有大沖程和大激勵振幅的高沖擊力系統(tǒng)，如火炮后坐力、飛機(jī)起落架裝置和危險物體運(yùn)輸系統(tǒng)。圖14和圖15所示分別為雙出桿和單出桿旁路型磁流變減振器[43]。

圖14 雙出桿旁路型磁流變減振器

圖15 單出桿旁路型磁流變減振器

具有可變剛度和可變阻尼能力的磁流變液減振器表現(xiàn)出出色的減振性能。旁路型磁流變液減振器除了簡單的維護(hù)和簡單的組裝外，還提供更高的動態(tài)范圍和輸出力。外部設(shè)計的旁通閥允許直接進(jìn)行設(shè)計修改，以實現(xiàn)不同應(yīng)用（例如，越野車懸架系統(tǒng)）中阻尼力的廣泛可擴(kuò)展性[44]，如增設(shè)環(huán)形磁鐵。如圖16 所示，磁流變閥的工作磁場由勵磁線圈和環(huán)形磁鐵施加，即使在零電流下也能保持出色的壓降性能。這種復(fù)合驅(qū)動磁流變閥控減振器的輸出阻尼力可以連續(xù)調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)輸入電流來控制減振器的動態(tài)性能[45]。

圖16 復(fù)合驅(qū)動旁路型磁流變減振器

4.5 海綿型磁流變減振器

一種海綿型磁流變減振器，其中磁流變液包含在吸收劑基體中，該減振器采用剪切模式操作，具有較少的復(fù)雜性和密封問題。如圖17所示，它由球關(guān)節(jié)、活塞桿、油缸、氣缸的封面和底鉗構(gòu)成。海綿型磁流變減振器的活塞是一個線圈，線圈纏繞著一塊海綿，海綿是一種吸收劑材料。海綿型磁流變減振器在剪切模式下工作，活塞在工作缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，無需密封件、軸承或精確的機(jī)械公差，并且僅需要最小體積的磁流變液，這有利于磁流變液在成本敏感領(lǐng)域的應(yīng)用。在實踐中，低成本的海綿基磁流變液減振器已用于高性能洗衣機(jī)，抑制洗衣機(jī)的振動[46]，還有的被用于鏜削刀具的減振和提高穩(wěn)定性[47]，以及用于機(jī)器人輔助手術(shù)領(lǐng)域[48]。

圖17 海綿型磁流變減振器

4.6 磁流變擠壓油膜減振器

磁流變擠壓油膜減振器是一類具有變剛度和變阻尼特性的智能軸承，可用于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的減振。這種類型的磁流變減振器具有高阻尼力和低阻尼行程，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，已被應(yīng)用于轉(zhuǎn)子或直線運(yùn)動系統(tǒng)中以抑制不平衡振動[49]。

圖18 所示為一種磁流變擠壓油膜減振器。該減振器的部件包括主體（外部元件）、圓盤（內(nèi)部元件）、側(cè)蓋、兩個線圈、O 形圈和兩個滾珠軸承。閥體、閥盤和側(cè)蓋均由碳鋼制成。線圈嵌入減振器的主體和側(cè)蓋內(nèi)，充當(dāng)電磁鐵的核心。它們放大產(chǎn)生的磁場并引導(dǎo)其通過磁流變流體膜。磁流變流體的黏度以及因此系統(tǒng)的阻尼在向線圈施加電流并形成磁場時改變。此外，磁流變擠壓油膜減振器內(nèi)部還安裝了一個滾珠軸承，以防止軸的旋轉(zhuǎn)傳遞到移動盤上。因此，只有渦動會傳遞到磁盤。

圖18 磁流變擠壓油膜減振器

這種帶有磁流變液的緊湊型減振器提供由外部磁場控制的可變阻尼力。磁流變擠壓油膜減振器被歸類為具有可變剛度和阻尼性能的智能軸承，可以減輕旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的振動[50]。

用比例控制器提供控制反饋，借助仿真模型可對磁流變擠壓油膜減振器重要設(shè)計參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化研究。發(fā)現(xiàn)這些受控減振器可用于在不同的操作條件下以及在臨界轉(zhuǎn)速時減小振動[51]。

5 結(jié)束語

相比于傳統(tǒng)減振器，磁流變減振器的優(yōu)點在于能夠?qū)崿F(xiàn)半主動控制。本文系統(tǒng)地概述了磁流變液減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，從磁流變減振器的線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作缸設(shè)計、磁路電磁設(shè)計等方面，提出了提高磁流變減振器阻尼力、縮短響應(yīng)時間等改進(jìn)措施。對于磁流變液減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以得出以下結(jié)論。

（1）根據(jù)不同的工作模式和結(jié)構(gòu)配置，出現(xiàn)了多種類型的磁流變減振器，憑借磁流變減振器獨(dú)特的優(yōu)勢，在工程領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異的表現(xiàn)，也已廣泛應(yīng)用于不同技術(shù)領(lǐng)域的許多復(fù)雜系統(tǒng)中。

（2）磁流變液減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計一直以提高減振器性能為目標(biāo)，但越來越多地考慮實際因素，如有效的機(jī)械幾何形狀和電磁回路特性，并引入創(chuàng)新結(jié)構(gòu)或智能材料來構(gòu)造相當(dāng)復(fù)雜但更緊湊和通用的系統(tǒng)。

（3）磁流變液減振器的優(yōu)化設(shè)計可以通過系統(tǒng)統(tǒng)一地考慮實際約束條件來進(jìn)一步系統(tǒng)地探索。這可以通過建立磁流變液減振器的無量綱動力學(xué)模型、從材料和幾何特性兩個方面考慮有效設(shè)計參數(shù)的統(tǒng)一優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以及有效評估制造公差和應(yīng)用中易損部件的參數(shù)敏感性分析來實現(xiàn)。

（4）磁流變減振器在不同領(lǐng)域的應(yīng)用潛力將進(jìn)一步探討。例如，根據(jù)磁流變減振器的可變阻尼和剛度特性，智能可穿戴設(shè)備可用于醫(yī)療，以防止關(guān)節(jié)振動；在虛擬現(xiàn)實設(shè)備中，佩戴者改變了運(yùn)動阻尼，以增加對真實環(huán)境的體驗感；在醫(yī)療或其他領(lǐng)域的遠(yuǎn)程控制中，為操作員模擬實時觸覺反饋，以提高真實感。盡管這些方向提出了許多具有挑戰(zhàn)性的問題，但對實際應(yīng)用的需求肯定會推動當(dāng)前基于磁流變減振器的設(shè)備的研究向前發(fā)展。