摘要：针对磁流变减振器价格昂贵的问题，进行了简易磁流变减振器的开发研究工作。从材料的选取、磁路设计、多孔材料的工作机理、减振器的结构设计等方面对简易磁流变减振器进行了开发，对于今后磁流变减振器的设计具有一定帮助。
关键词：磁流变液 材料选取 磁路设计 减振器
中图分类号：TMl4 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2011)004-029-02
1 引言
磁流变液在减振领域的应用研究一直是磁流变应用研究的重点，在国外，磁流变减振器已开始在汽车座椅、房屋抗震、桥梁减振和许多军事领域使用，如美国Lord公司开发的汽车减振器，全长15cm，有效磁流变体量为0.3mm3，电力消15w，能使汽车座位振幅减少25％～50％。在国内，磁流变减振器也被翻译成阻力器，在房屋抗震方面的应用研究和汽车减振(座椅、悬挂系统等)的研究比较多，在桥梁抗风载方面的研究也做得不错，并在洞庭湖大桥上有应用。总体说来，国内磁流变减振器的研究在各大学实验室主要是从事科研的老师实验研究比较多，应用领域还是比较少。相对于国外来说(特别是美国)，我国对磁流变减振器的研究还是落后很多的。就是国外研究出的磁流变减振器，虽说在工业领域已经有使用，但在应用推广中，却因为价格昂贵而受阻，究其原因是这种减振器由于磁流变液用量大、密封、加工精度要求高等因素而致使造价高，只适用于要求减振效果好而重点不考虑价格因素的场合(如高档轿车)，然而在工程中却是要计算成本，考虑性价比。对此考虑设计一种性价比高的简易磁流变减振器，从而为解决其工程应用中的障碍提供参考。
2 材料的选取
简易磁流变减振器为剪切式磁流变减振器，为降低成本，适应工程和家用器件的减振需要，采用多孔材料如海绵、多孔轴承材料等来吸附磁流变液，这样从而减少了磁流变液的用量，降低了密封和加工精度，不管是从磁流变液的用量上还是密封的要求上都能降低磁流变减振器的造价。
多孔材料中如海绵，有孔较大、吸附能力强、适应强等优点：而多孔轴承材料则有孔小、吸附能力差，但便于固定的特点。磁流变液是具有纳米级别的悬浮液体，多孔材料的孔径大小不会成为其吸附能力的主要衡量标准。
如果把多孔材料浸泡在磁流变液里一段时间，并用真空泵抽出孔里的残余气体，磁流变液就能更好地进入多孔材料孔内部，磁流变液的吸附量也会相应的增加，磁流变的效应也就能更好的发挥。
吸附磁流变液后的多孔材料，在未给加磁场作用的情况下，其摩擦磨损的机理与一般的流体摩擦相似，这时的磁流变液起到了润滑的作用，运动阻力主要是由磁流变液的粘性阻力所决定的，同时也存在很少的摩擦阻力：而当加上磁场后，磁流变液将随磁场强度的增强从液态向液固混合的状态，如果能提供足够的磁场强度，磁流变液将完全变为固态，这时多孔材料在作相对运动时，将会产生由磁流变液的屈服应力所带来的运动阻力。
为了增强磁场，减少磁阻，活塞缸和活塞应选磁导率高的材料，这样才能有效地提高工作区域的磁场强度。为了便于控制系统的设计，不让材料本身的剩磁影响控制系统，又得考虑选用退磁快的材料。综合这两方面，缸壁选用低碳钢(20#，45#)，活塞一般用电工纯铁、电工用钢等。活塞杆在一定的压力和拉力的作用下，同时应该尽量不影响磁路，磁阻大的材料应该被考虑，所以这里选用不锈钢。
3 磁路的设计
磁场强度跟磁感应强度成正比，而磁感应强度跟磁通成正比，与面积成反比。磁通又跟线圈匝数和电流强度成正比，与磁路的总磁阻成反比。同时在设计磁路时，还得考虑漏磁等。在设计磁流变减振器时，磁场强度的大小对其恢复力是主要的影响因素，所以对磁路的设计得重点考虑，尽量要提高磁场强度。为了提高磁场的起点，可以在磁路中加入永久磁体，图1则为永磁体的磁路示意图。
在磁路中加入了永磁体，这种磁路能提高磁流变器件的初始作用力，但相比之下结构较复杂，并得注意线圈电流的方向。同时为了方便磁流变液的装卸，得引入辅助磁路。图中的永磁体左侧磁路为工作磁路，右侧为辅助磁路。当线圈中没有电流时，磁场经过辅助磁路形成闭合磁路，而当线圈接通正向(线圈产生的磁场方向与永磁体的磁场方向一致)电流时，磁场的大部分通过工作磁路形成闭合磁路。可以用同样的思路设计简易磁流变减振器的磁路。出于在活塞内嵌入了永磁体，提高了器件的初始作用点，但相对结构要复杂些，同时由于有初始磁场的存在，拆卸不方便。所以本文在设计研究简易磁流变减振器时，它有结构简单，紧凑，便于降低制造成本的优点。为了增强磁场，并在不增加减振器结构尺寸的情况下，可以在活塞上加工多个缠绕线圈的槽，线圈的缠绕方向彼此相反即可。
4 结构设计
简易磁流变减振器的结构中，主要是确定多孔材料的厚度h、活塞有效长度L、活塞杆直径d和活塞直径D。阻尼通道的结构参数直接影响到磁流变阻尼器的阻尼力，阻尼通道的结构参数包括阻尼间隙h和长度1。
由理论分析可知，减振器的阻尼力随阻尼通道的阻尼间隙h增大而降低。因为是用多孔材料吸附磁流变液，缸体和活塞之间无磁流变体的相互流动，所以其间隙也就是多孔材料的厚度。从吸附量多少的角度来讲，多孔材料厚度h大则吸附量大，如果从减少磁场降的角度来说，h越小，磁场降得越少。根据磁场的计算公式可知，其他参数不变，h增大1mm，将导致间隙处的磁场强度降低20％，所以说h越小越好，但综合考虑吸附的量和对磁场的影响这两个因素，一股为1.2mm；为防止筒内空气对吸附在多孔材料上的磁流变液影响，端部开有透气孔。
同时阻尼力随活塞有效长度L增大而明显增大，这是因为活塞有效长度L增大导致更多的磁流变液产生磁流变效应，所以随着活塞有效长度L的增大阻尼力也会增大。但活塞有效长度L增大势必影响阻尼器的体积和最大行程。因此若想取得较大的阻尼力而不改变阻尼器的调节范围，可以在空间允许的范围内和其他参数不变的情况下适当增大L的取值。
活塞杆主要作为传递力的部件，在工作中它要承受拉力、压力、弯曲力和振动冲击力等多种作用力，因此在设计时主要保证其强度和刚度满足受力要求，此外还应注意弯曲稳定性的验算。
活塞直径D越大，阻尼器的难尼力也越大。因此，为了获得大能耗的阻尼器，应尽量加大活塞直径D。但伴随着直径D的增加，阻尼器不可调粘滞阻尼力增加幅值远大于可调的库仑阻尼力。所以活塞直径D应根据需要，反复试算，在协调可调范围与总阻尼力之间的基础上完成。
为加大多孔材料表面吸附磁流变液的量，可以仿照滑动轴承的设计思路，在多孔材料的相互运动表面加工出一系列沟槽，达到贮存磁流变液。
5 结束语
从材料的选取、磁路的设计及结构设计等三个方面就简易磁流变减振器的设计进行了阐述，并综合各个参数的要求开发了简易磁流变减振器的样机，材料的确定是设计的开始，在设计工作中起着举足轻重的作用，也是影响器件性能的重要因素。如果材料选取得不够理想，将导致整个研究设想无法实现。磁路的设计是整个设计的难点，没有足够的磁场强度，磁流变液就不能充分发挥其优点，设计出的器件也就不能满足设计要求a从设计中可以看到，磁路的设计还要求器件的装卸方便，所以最好有辅助磁路的存在(主要针对有永磁体存在的磁路)。结构设计关乎开发出的器件在总体上是否满足设计要求，既得从使用要求方面尽量满足，同时也得考虑制造成本，这也是开发简易磁流变减振器的初衷。
参考文献：
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