汽车单筒充气磁流变减振器特性的试验研究＊

贾永枢 周孔亢 徐 兴 翁茂荣

（1.浙江工贸职业技术学院；2.江苏大学）

1 前言

本文分析了汽车单筒充气磁流变减振器的结构和阻尼力模型，通过试验研究了汽车单筒充气磁流变减振器阻尼力特性、磁流变液特性、磁路特性以及温度特性，为磁流变减振器的设计提供了依据。

2 单筒充气磁流变减振器结构与阻尼力模型

图1为基于流动模式的单筒充气磁流变减振器，活塞由工字形铁心与导磁套筒通过焊接相连，并形成环形阻尼通道，漆包线绕制在铁心上并通过注塑保护表面，电源线通过空心活塞杆引出。输入0～2 A电流将在环形阻尼通道磁极处产生不同的磁场，改变流经通道的磁流变液粘度，实现阻尼力控制。压缩行程时，活塞杆占用筒内体积，磁流变液需临时储存；拉伸行程时，活塞杆移出筒内，下腔体积增大需要补偿液体，否则会形成空行程，产生畸变。因此，需要在储气室内充入2 MPa压力的氮气用于活塞杆的体积补偿。

流动模式阀体两端的压力差模型可以参考Phillips推导的模型[5]:

式中，Δpη为与磁场无关的粘滞应力分量；Δpτ（H）为与磁场有关的可控应力分量；η为零磁场粘度；h为阻尼通道间隙；v为活塞相对外筒的运动速度；l为活塞有效长度；τy为不同磁场的磁流变液剪切屈服应力；D为环形阻尼通道直径；A为减振器活塞的有效面积；c为 [2，3]范围内的一个常数，当小于 1时，c取 2，当大于100时，c取 3。

结合文献[6]车辆单筒充气磁流变减振器阻尼力数学模型建立及试验仿真，汽车减振器产生阻尼力可以描述为:

式中，Fl为拉伸行程减振器阻尼力；Fy为压缩阻尼力；p1为活塞上腔内的压强；p2为活塞下腔内的压强；pa为标准大气压强；Ah为活塞有效面积；Ag为活塞杆有效面积；Ff为摩擦力；S为活塞振动位移；p0为活塞压到底时充气压力；V0为活塞压到底时储气室体积；p3为储气室充气压力；lg为活塞杆长度。

联立公式（1）、公式（2）即为单筒充气磁流变减振器数学模型。

3 单筒充气磁流变减振器特性试验

试验采用已经商业化的国外某汽车悬架单筒充气磁流变减振器，该减振器外径50 mm，长度620 mm，活塞杆直径13 mm，活塞线圈电阻1 Ω，输入电流0～2 A。如图2所示，减振器装在多速程控示功机上进行特性试验。

本来，在此前“义必成”镖局护送文华斋裴主事的计划中，李陆峰必死无疑，但是，拿人钱财、替人消灾在多数情况下是有底线的，那就是尽量不杀生害命。义必成镖局就是这么做的，他们顺利地护送裴主事出城，并将文华斋贵重古玩全部运出。镖局最怕摊上人命案，哪怕是面对凶徒，一般也不会动杀机。主要原因有两个：一来镖局需要不停接手生意，没有时间和精力跟人家打人命官司；二来镖局要生存，要盈利，没有闲钱、也不值得为人命案付出高昂代价——就算是格杀凶徒，死者家属不敢深究，镖局也会被官府敲去一大笔烧埋钱。

3.1 减振器示功特性试验

为测试减振器耗能和阻尼力特性，对减振器进行示功特性试验。试验时输入电流为0～2 A，在每个输入电流下激励频率选用0.17 Hz、0.42 Hz、0.83 Hz、1.25 Hz、1.67 Hz、2.5 Hz，振幅±50 mm，最大速度为0.524 m/s，得到如图3、图4所示的阻尼力特性曲线。

对比不同频率、不同电流下的阻尼力特性曲线，可以得出如下结论:

a.示功曲线非常饱满，减振器具有很强的耗能特性，且耗能特性随着输入电流、激励频率的增大而增加。

b.减振器具有良好的可控性，随着输入电流的增大，压缩与复原阻尼力不断增加。

c.在振幅相同条件下，随着输入电流增大，激振频率对阻尼力的影响逐渐下降。在输入电流为2 A时，随着频率的增加，频率对阻尼力影响变小。由式（1）数学模型可知，粘滞阻尼力与激振频率有关；可控阻尼力与剪切屈服应力有关，随着电流增大，可控阻尼力迅速增大，并大于粘滞阻尼力，所以阻尼力整体呈现出对激振频率不敏感的特性。

3.2 减振器温度特性试验

为了测试汽车单筒充气磁流变减振器工作时温度变化对减振器阻尼力特性的影响，对减振器进行温度特性试验。试验时，减振器装在减振器示功台架上，采用正弦激励施加循环载荷，用热敏电阻式温度计记录减振器平衡位置的温度和阻尼力。

图5所示为电流I为1.5 A、速度v为0.524 m/s时，活塞在平衡位置时阻尼力与温度的关系曲线。如图6所示为不同电流与激振频率下，温度与时间的关系。

从图5可以看出，随着温度升高，拉伸阻尼力下降，而压缩阻尼力上升，拉伸与压缩阻尼力的衰减率分别为7.3%和-6.7%。主要是由于充气减振器随着温度升高，充气压力增大,导致拉伸阻尼力减小而压缩阻尼力增大，这与阻尼力理论模型式（2）描述的阻尼力一致。

分析图6可以得出，减振器升温的快慢与电流和工作速度有关。速度一定时，减振器工作温度随电流的增大而升温变快；电流一定时，减振器工作温度随速度增大而升温变快。

3.3 磁流变液流变特性试验

磁流变液性能直接决定磁流变减振器的阻尼特性和可控性。为了测试外加磁场对磁流变液特性的影响，对某汽车单筒充气磁流变减振器内的磁流变液进行流变特性试验。试验在奥地利安东帕公司的MCR301型流变仪内完成，使用PP20测量夹具，即直径为19.961 mm的两个平行板。如图7所示，该仪器可以产生最大1T的磁场，可以完全由软件自动记录所有剪切应力、剪切速度、温度、磁场等参数。

a.剪切应力与磁感应强度的关系试验。试验温度20℃，设定仪器转速95.7 r/min，剪切速率为100 s-1，控制外加磁场0～0.757 T线性增长，试验时通过软件记录不同剪切速率下的剪切应力，经数据处理得到如图8所示关系曲线。

从图8中可以看出，剪切应力随外加磁场的增大而增大，当磁感应强度达到0.75 T时剪切应力达到60 kPa，磁流变液具有很好的可控性。结合单筒充气磁流变减振器数学模型式（1）、式（2），外加磁场可以最终控制减振器的阻尼力，即减振器具有良好的可控性。

b.剪切应力与剪切速率的关系试验。试验设置剪切速率0～100 s-1线性增长，设定外加磁场为0、0.4 T、0.75 T，通过软件记录参数，经数据处理得到如图9所示的曲线。从图9中可以看出，剪切速率一定时，剪切应力随外加磁场的增大而迅速增大；当外加磁场一定时，剪切应力随剪切速率的增大而线性增大。

3.4 减振器磁路磁场特性试验

磁流变减振器通过控制活塞线圈电流改变减振器活塞阻尼通道的磁场，从而控制磁流变液的剪切应力及粘度，产生不同的阻尼力，因此磁路磁场直接关系到减振器的减振效果。如图10所示，使用上海高端GM-2高斯计测试减振器内部活塞阻尼通道磁极处的磁场，试验时阻尼通道的介质为空气。通过稳压器输入0～2 A电流，利用高斯计显示并记录活塞阻尼通道磁极在不同电流时的磁场，得到如图11所示在空气状态下的磁场特性曲线。

分析图11可知，活塞阻尼通道的磁场感应强度随电流增大而增大，具有较强的可控性，在电流1.8 A左右，磁场增大幅度开始变小，主要是由于活塞的铁心与活塞套筒材料的磁路开始趋于磁饱和，以及磁路结构参数影响所致。

4 结束语

a.汽车单筒充气磁流变减振器具有很强的耗能特性。随着输入电流的增加，活塞阻尼通道的磁感应强度逐渐增大，磁流变液剪切应力增大，使得阻尼力增大，当电流达到一定时通道磁场出现饱和，阻尼力将趋于稳定。

b.单筒充气磁流变减振器振幅一定时，随着输入电流增加，激振频率大小对阻尼力影响逐渐下降。

1 Jolly M R，Bender J W， Carlson J D.Properties and appli⁃cations of commercial magnetorheological fluids.SPIE，1998，3327:262～275.

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3 张进秋，刘义乐，师文涛，等.车用磁流变减振器动力性能试验分析.装甲兵工程学院学报，2006，20（2）:1～5.

4 舒红宇，王立勇，吴碧华，等.一种磁流变减振器的设计与试验.农业机械学报，2006，37（5）:166～168.

5 Phillips R W.Engineering applications of fluids with a vari⁃able yield stress.Berkeley:University of Califonia，1969.

6 贾永枢，周孔亢.车辆单筒充气磁流变减振器数学模型及试验仿真.机械工程学报，2008，44（12）:272～278.