第3章 磁流变阻尼器的设计
磁流变阻尼器是一种以磁流变液为介质的半主动控制阻尼器，其具有结构简单、控制方便、响应迅速、消耗功率小、抗污染能力强和输出力大等优点。本文对基于剪切阀工作模式的双筒式磁流变阻尼器进行设计。
磁流变阻尼器设计应该满足以下设计准则：外加垂直于磁流变液流动方向的磁场对产生磁流变效应的贡献应最大，而平行于磁流变液流动方向的磁场则对产生磁流变效应的贡献最小。在采用剪切模式、流动模式和挤压模式的阻尼器式，磁力线的方向必须垂直于阻尼通道内磁流变液的流动方向，才能产生磁流变效应，这样阻尼器才能产生所需的阻尼力。故在设计磁流变阻尼器使，应使阻尼通道中的磁流变液的流动方向垂直于磁场方向，以便充分利用磁流变效应来改变阻尼器的阻尼力。由于汽车悬架阻尼器的行程较大，且在结构尺寸和结构强度上有严格的要求，利用磁流变液来开发汽车磁流变阻尼器不能踩用挤压模式，而只能采用流动模式、混合模式。本文采用的是混合模式。由于磁芯中磁感应强度和磁场强度的关系是非线性的，因而，磁路中磁通和磁势的关系也是非线性的。当磁芯受到交变的磁激励时，磁芯处于反复磁化过程中，磁芯中会产生功率损失。另外，磁路的磁通与磁势的关系除了满足磁路的克希霍夫定律外，还要满足电磁感应定律。通过电流将导致涡流的产生，涡流的出现使磁芯中磁通与线圈中电流的波形发生变化。同时，我们还要注意在阻尼器的应用阶段存在一些问题需要进一步研究：（1）稳定问题，其中包括磁流变流体的稳定性以及阻尼器性能的稳定性；（2）还原问题；（3）误差问题，包括阻尼力、磁路磁场强度的计算值和实际值的误差；（4）补偿问题，包括磁流变液流体的渗漏补偿以及控制系统的变量补偿；（5）使用寿命问题，包括磁流变液、磁路线圈、密封系统的使用寿命；（6）文维修问题，主要是维修保养的方便性。
3.1 磁路设计的影响因素
磁流变阻尼器的性能主要决定于其几何尺寸、磁路以及磁流变液的性能等。在给定磁流变液性能参数的情况下，设计一个优良的阻尼器的关键在于阻尼器的构造设计和磁路设计。此外，还包括防尘、漏液、隔磁、密封、散热以及连接等反面的考虑。在设计时要考虑以下几个因素：磁性材料的选择、漏磁的分析、退磁和线圈的设计等。 3.1.1密封件的选择
（1）密封件的作用和意义
在减振器设计中，密封装置用来防止磁流变液的泄露以及外界灰尘和异物的侵入。
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磁流变液外漏不仅会造成浪费，污染机械和工作环境，甚至会引起机械操作失灵及设备和人身事故。若导线与磁流变液直接接触，可能产生漏磁，导致导线发热，影响磁流变液的性能。侵入减振器中的微小灰尘微粒，会引起加剧液压元件的磨损和摩擦，增大阻尼力，减小减振器的功效，并且还有可能进一步导致泄露。因此，密封件是减振器的一个重要的组成部分。它的工作可靠性和使用寿命，是衡量液压系统好坏的一个重要标准。
（2）密封的分类
被密封的部位在两个需要密封的偶合面之间，通常根据这些偶合面在机械运行时有无相对运动，可把密封分为动密封和静密封两类。
（3）密封形式的选择
设计或选择密封件以及装置的基本要求是：
1）密封件长期在流体介质中工作，必须保证其材料物理性能的稳定。 2）在工作压力下，应具有良好的密封性能，并随着压力的增加 能自动提高其密封性能，即泄露在高压下没有明显的增加。
3）动密封装置的动摩擦阻力要小，摩擦系数要稳定，不能出现运动偶件卡住或运动不均匀等现象。
4）磨损小，使用寿命长。
5）制造简单，拆卸方便，成本低廉。
密封件的选择方法，首先根据密封设备的使用条件和要求，例如负载情况、工作压力以及速度大小和变化情况、使用环境以及对密封性能的具体要求等，正确选择与之相匹配的密封件结构形式。然后再根据所用工作介质的种类和使用温度，合理选择密封件材料。在使用或设计时，应尽可能按照国家标准。
从装配图上可以看出，该减振器需要多出密封。由于减振器中活塞和缸体有相对运动，所以本结构采用Vd形橡胶密封圈，其主要材料为氟橡胶（SN），XAI7453，工作介质为油、水、空气，轴速小于等于19m/s设备，起端面密封和防尘的作用。 3.1.2 漏磁分析
在所有的磁路中都存在着漏磁，这是应为在磁路的实际两点间若有任一磁位差，就有磁通存在。漏磁与磁路的几何形状有关，磁路中各段均有漏磁存在。磁路中的漏磁有三种形式：
（1）工作间隙端面漏磁，在工作间隙附近成圆弧状，工作间隙越长，这种漏磁就愈大。可以认为，这种漏磁与工作间隙长度成比例增加，而且还受间隙端面的形状及相对位置等因素影响。
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（2）磁体表面漏磁，通常磁体越长，这种漏磁就越大。
（3）轭铁间的漏磁，这种漏磁与磁体在磁路中的位置有关。磁体相对位置不同，漏磁差别也很大。磁铁越靠近工作间隙，漏磁就越小。另外，在空隙处，磁力线会往外膨胀，因而取空隙的横截面积时，应该取大一些。并且在以往的研究中得到漏磁磁导在很大程度上决定于磁体侧面表面积，表面积越大漏磁越大。所以，在实际工作间隙内的磁场要小于计算值。在磁路设计时，合理地缩短工作间隙的距离，减少结合面，改善结合情况都有利于减少磁路中的漏磁。同时，为了减少磁铁表面的漏磁，我们在磁路外可加上铜环或铜圈以此来进行磁屏蔽。
为了减少漏磁，设计是需要注意以下几点：
（1）因为活塞杆不在磁回路中，所以最好选用不导磁材料或导磁材料比较低的材料。
（2）导磁回路中，导磁体的连续处尽量紧密接触，以免在连接处因存在缝隙而产生较大磁阻，影响效率。
（3）在整个磁路中，尽量使各导磁体的磁阻大致相同，使得整个磁路均衡匹配，从而防止部分地段较早的磁饱和。在磁路设计中，对于磁路中漏磁的解决，本章采用漏磁系数的概念来设计磁路。即在考虑漏磁的情况下，线圈产生的磁通量?m就不等于工作间隙中的磁通量?g，在计算中引入漏磁系数??3.1.3磁性材料的选择
磁性元件主要指缸筒、磁轭、磁芯和活塞杆。在忽视漏磁的情况下，缠绕在导磁环上的励磁线圈产生的磁场经过磁轭、间隙、缸筒、最后回到磁芯形成闭合回路。阻尼通道的槽太宽滞留的磁流变液多，阻力大，调节范围大。缸体设计要考虑壁厚，避免经由缸体的磁通比较早的进入饱和。
一般电磁路的磁芯选用软磁体，其特点在于软磁体有高的磁感应强度，易退磁，磁滞回线包围面积小，大的磁导率和很小的矫顽力。软磁材料是磁力线的通路，使用软磁材料可以减少磁阻，在必要的控件建立均匀强度磁场。磁芯材料的种类较多，主要有电工纯铁、硅钢、铁镍合金、铁铝合金、铁钴合金等。在选择材料时通常要求磁芯材料磁导率高，因为当线圈匝数一定时，通以不大的电流，就能产生很大的磁场。一般来讲软磁材料的磁导率都比较高。为了减小由交变电引起的交变磁场，不使磁导体中产生涡流损失，故选择给阻尼器直流电。退磁，对于磁路的有效能很重要，因为当初始断电时，如果仍存在磁场，那势必会对振动控制的有效性产生影响。所以我们选择的软磁材料必须有较小的剩磁，较小的矫顽力以及较小磁滞回线包围的面积。由
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?m。 ?g
此可以看出软磁材料中具有扁平磁滞回线的这一列材料比较符合要求。结合以上的分析最终磁芯材料选择铁镍合金。 3.1.4退磁
这里所说的退磁和磁芯材料选择中的退磁有区别。这个退磁是指，如果给定的空间及工作间隙很小，在这些很小的间隙中带上一些外来的强磁性微粒，则强磁性微粒就会破坏间隙中应有的磁场大小或磁场分布状态以至于使磁系统不能正常工作。在这种情况下，为了保证磁系统正常工作，必须清除外来的强磁性微粒或预防强磁性微粒的吸附，这就必须完全退磁。所谓退磁就是用一定的方法使试样处于磁中性状态。退磁的方法有：静态和动态退磁法。 3.1.5磁流变阻尼器的动态范围
磁流变阻尼器的动态范围是衡量磁流变阻尼器性能的重要指标。粘滞阻尼力工作过程中基本保持不变，而又磁流变效应产生的剪切阻尼力随外加磁场的大小而不同，因此整个阻尼力变化幅度定义为磁流变阻尼器的动态范围D，其表达式为3-1
D?F?
F??Ff式中Ff为摩擦引起的阻尼力。由上式可以看出，当结构设定时，F?和Ff为常量，F?越大，D越大，阻尼效果越好。
3.1.6阻尼间隙的选取对阻尼器性能的影响
阻尼间隙尺寸的选取直接影响着磁流变阻尼器的阻尼特性。阻尼间隙h与磁流变阻尼器的阻尼力F成反比。通过仔细分析比较可知，一方面，库伦阻尼力F?与阻尼间隙h成反比，在设计中，要求尽可能增加可控阻尼力（即库伦阻尼力）的大小以增强可控效果，所以，要获得大的可控阻尼力，在设计时，需要减小h的取值，另一方面，粘滞阻尼力F?与阻尼间隙h的三次方成反比，随着间隙的减小，粘滞阻尼力和快速增加，动态范围会迅速减小。根据设计要求，在设计过程中，应尽可能增加磁流变阻尼器的动态范围以提高阻尼器的可控能力，因此，在设计时应适当的选取阻尼间隙的大小，一般合适的间隙范围为0.5-2mm。
3.1.7阻尼通道有效长度的选取对阻尼器性能的影响
活塞阻尼通道有效长度L的增加，导致了更多的磁流变液产生磁流变效应，磁流变阻尼力增大。但是由于不同车型底盘对悬架阻尼器的布置空间有限，有效长度增加势必会导致活塞的长度增加，这样会使阻尼器工作的有效行程受到影响。因此，为了获得较大阻尼力，在结构尺寸允许的前提下，应尽可能的增加阻尼通道的有效长度。
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3.1.8磁路结构的分析
由于磁流变阻尼器与普通阻尼器就够上的不同，为了达到阻尼力可控，其活塞上缠有线圈，就涉及到线圈引入问题，因此，采用活塞杆内设引线孔德方法。由于引线长度很长而且引线孔直径很小，已有的加工工具在强度和长度上都无法实现该活塞杆结构，而且引线孔的作用只是满足导线引出，因此，活塞杆采用电火花打孔的方法，对孔的同心度及光洁度要求不用太高。
磁流变阻尼器活塞上的线圈在缠绕过程中，主要会遇到两个问题，一是漆包线在缠绕结束后需要从活塞杆引线孔中再引出的方法问题；二是在引线过程中，活塞杆内引线通道比较粗糙，由于漆包线划伤出现的短路问题。对于前者，若采用单线引入引出，还会是引线通道出入口加大，而且加大密封的难度；对于后者，若采用带有绝缘套的导线，会在设计时增加磁流变阻尼器活塞缠绕线圈处得尺寸，进而影响活塞在阻尼器内有限空间的布置。因此，在设计时，在引线通道口处精致处理的基础上，采用双线引入的方法，并且将活塞杆引线孔内的漆包线用热线管处理，避免在穿线时划伤受损，并且一根线为缠绕对象，缠绕后两线焊接的方法，解决了漆包线划伤和密封难度加大问题。
3.2磁流变减振器线圈的设计
线圈参数可以分两类：工作参数和设计参数。所谓工作参数，就是线圈的工作电压、频率以及工作制等；所谓设计参数，则是指线圈的匝数、线径、电阻以及结构尺寸等。工作参数决定于电磁铁的工作条件。在设计过程中我们要根据工作参数来确定设计参数，具体的方法如下：
在一定的工作参数下，线圈必须满足下列三方面的要求，首先能够产生规定的磁势，其次在规定的工作制下，线圈的温度不会超过它的许用值，最后线圈的尺寸应当能够同磁芯的尺寸相配合。
根据以上的原因，线圈计算一般包括三个方面的内容，尺寸设计、电计算、和热计算。尺寸设计是决定线圈的外形尺寸，包括外径和内径等，线圈的内部尺寸和线圈参数以及线圈所占面积等。电计算是确定线圈的电阻、激磁电流和线圈的能量消耗。热计算是确定线圈的温升。电器中的金属材料和绝缘材料在温度超过一定范围后，其机械强度会下降，绝缘强度也会受到损坏。电器工作温度过高，会使其使用寿命降低，甚至遭到破坏。电器的损坏以及工作不正常会给整个被控系统带来严重结果，所造成的经济损失比电器本身的价值往往要高的多。其中热计算经常用来对线圈设计进行校核。热计算采用牛顿公式，此公式通常使用于气体和液体介质中的发热体温升的校核。
线圈中导线的选择：
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