摘 要:自适应阻尼器是在磁场作用下,利用新型智能材料———MR流体(Magnetorheological fluids)为工作介质的智能器件。笔者在自适应阻尼器的结构设计的基础上,对阻尼器进行了性能测试,通过减振试验装置对所设计的自适应阻尼器进行了减振试验研究,取得很好效果。试验结果及分析对自适应阻尼器的结构设计有重要的参考价值。
1 阻尼器的工作原理
MR流体装置的工作模式有流动模式、剪切模式、挤压模式、以及这3种基本模式的任何组合[1]:①在流动模式下,MR流体被限制在静止的磁极之间,在压力差作用下产生流动,则MR液体流动阻力可通过磁强度来控制。②在剪切模式下,两极间有相对运动(移动或转动),使MR流体处于剪切状态,通过改变磁场强度来控制两极相对运动阻力的大小。③在挤压模式下,两极在与磁场几乎平行的方向上移动,MR流体处于交替拉伸、压缩状态,并发生剪切。因此可通过改变磁场强度来改变MR流体的粘度,使之产生很大的运动阻力。
自适应阻尼器采用的是混合模式,即剪切模式+流动模式,如图1所示。其工作原理[2]简要地描述为:通过线圈产生磁场,随线圈中电流的变化,磁场的强度也随之变化,MR流体流经可控的磁场时,因流体的固有特性(磁流变效应)而改变了其相对运动阻力的大小,从而实现自适应阻尼器的阻力控制。
2 阻尼器的结构
本次试验所用的是自行设计的自适应阻尼器,采用简单、紧凑、且实用性强的结构形式,称为活塞式阻尼器,MR流体封闭在圆形缸体内,缸体内有可产生磁场的可移动的活塞,活塞与缸体之间有一定的间隙,当活塞与缸体之间有相对运动时,MR流体必须从间隙(可控磁场)中流过。结构如图2所示,外形如图3所示。阻尼器Ⅰ和Ⅱ的基本参数如表1所示。
在阻尼器中,避免以往结构复杂、体积大、成本高的缺点,代之以简洁的内部结构,更有实用价值。以往设计中,通常设计一个缸和旁路通道[3],增大了结构的体积。而在本次设计中,放弃了以往“回路式”的设计方法,直接以“活塞式”方法设计。也就是在活塞左右移动的过程中,油缸内的MR流体从活塞与油缸壁的间隙中流过。于是在活塞与油缸壁之间加上适当的磁场就可控制阻尼器的阻力。
但问题是如何加磁场?笔者在活塞上绕上线圈使之产生感应磁场,通过调整线圈经过的电流来控制磁场强度。活塞结构如图4所示,在绕有线圈的活塞体两端装有起隔磁作用的铜盖,线圈的电线从空心塞轴中通过。同时,在阻尼器结构设计时,还要考虑密封、注入MR流体的便捷等问题。为了方便的对自适应阻尼器进行拉压实验,因此在结构上增加一个试验接头,以便于夹持。阻尼器零件如图5所示。
3 阻尼器的性能试验
笔者运用材料测试仪(MTS)测试了阻尼器Ⅰ的性能,如图6所示,通过MTS上下接头上的夹子,使阻尼器的下接头与能上下移动的液压筒连接,上接与荷载单元连接,就能方便地测量出施加给阻尼器的阻力,且阻尼器也不会被损坏。阻尼器Ⅱ的性能测是通过弹簧称来测量。通过改变施加在阻尼器Ⅰ和Ⅱ活塞上的电流,从而改变阻尼器内部磁场的大小,测得阻尼器阻力的大小数值,如表2所示。
4 阻尼器减振效果试验
阻尼器Ⅱ的汽车智能减振模拟系统,如图7所示。实验装置的工作原理是通过激振器(电动机主轴上加偏心块)使弹簧板产生振动,弹簧板的频率可通过调整电动机的转速来实现,振幅可通过改变偏心块的大小来实现。汽车阻尼器被安装在可产生简谐振动的弹簧板和底座之间,通过直流电源给阻尼器施加电流,并调节其大小,实现对阻尼器的阻力控制通过试验观察到随着电流的增大,振动的幅度明显减小。以弹簧板来测量的数据如表3所示。
5 实验结果
(1)率先采用了流动+剪切的混合模式,改变了以往“回路式”的设计方法,而直接以“活塞式”方法设计。使之结构简单、紧凑,体积小,所产生的阻力更大。它占用的空间比现在轿车上使用的阻尼器小,避免现有产品结构复杂、体积大、成本高的缺点。
(2)采用在可移动的活塞上绕线圈产生感应磁场的方法,而且使用了隔磁板,减少了磁场的损失,提高了电能使用效率。它可以控制电流的大小,从而控制磁场的强弱,实现对阻尼器阻力的自动控制。而控制所用的电源小(电压为6~12V,电流为0~3A),现在的汽车都具备这样的电源,使用方便、安全性好、实用性强。
(3)要实现阻尼器的自动控制,只要实现振动频率和振幅的数据采集、数据的处理和传输、模拟信号/数字信号转换。将振动信号转换成电流信号施加在阻尼器上,就可实现汽车减振的智能控制。
(4)在试验过程中发现线圈在通电时产生较高的温度,大约有70℃左右,在工作时的温度可达100℃,在实际应用中还要加冷却装置。同时阻尼器的密封问题、MR流体的补偿问题,也有待进一步考虑。还有磁场计算、阻力计算、结构参数优化等理论问题也需进一步研究。
6 结 语
笔者设计的阻尼器结构合理,能达到通过改变电流(磁场)控制阻尼器阻力的大小。
从减振试验来看,减振效果明显,且阻尼器的阻力与线圈通过的电流基本上呈线性关系,阻力随磁场强度的增加而加大。完全可用于汽车的减振的智能控制。
该阻尼器是一个可控制的智能元件,阻尼器规格可大可小,其阻力的范围也很大,所以,在减振和振动控制方面的应用范围也很广。例如在高层建筑、桥梁、火车、飞机,机床等,凡是有振动的地方都有广泛的应用前景[4]。
参考文献:
[1] 杨仕清,王豪才,张万里,等.磁流变液智能材料特征及器件研究[J].大自然探索, 1998, 17(3): 38-41.
[2] Carlson J D. Magnetorheological fluids actuators[ J]. AdaptroNIcsand smart structures. Berlin, 1999(2): 180-195.
[3] Mark,R., Jolly, Jonathan,W. Bender, J. Divid, Carlson, Proper-ties and applications ofmagnetorheological fluids[J]. Proc. ofSPIEInt. Soc. Opt. Eng. Washington: SPIE, 1998(3327): 262-275.
[4] W. J.Wu,C. S.Cai and S.R.Chen, Experimentson reduction ofca-ble vibration usingMR dampers[ J]. 17thASCE Engineering me-chanics conference, 2004(6): 13-16.
本文作者：张绪祥
