基于磁流变液阻尼器的拉力器结构设计

王富山 戴畸哲 龚瑶 王凯 李赵春

(南京林业大学机械电子工程学院,江苏南京 210037)

基于磁流变液阻尼器的拉力器结构设计

王富山 戴畸哲 龚瑶 王凯 李赵春＊

(南京林业大学机械电子工程学院,江苏南京 210037)

针对磁流变阻尼器在拉力器中的应用,鉴于传统拉力器存在材料种类单一,拉伸倍数小,体积大,使用寿命短,重量大,难拆卸,不易携带等方面缺点的思考,本文采用了新兴智能材料——磁流变液注入拉力器的缸筒中形成磁流变液阻尼器这一方法,并针对其是否具有可操控性进行了分析,从而确定拉力器的模型结构以及尺寸大小。

磁流变液 阻尼器 拉力器 结构设计

近年来，磁流变液的可控流变特性逐渐被应用于建筑结构、机械系统、车辆工程和武器系统等众多重要领域[1，2]。根据磁流变效应设计的磁流变液阻尼器具有结构紧凑、功耗低、阻尼力大、动态范围广、响应速度快等特点，其阻尼力可通过调节外加磁场大小来控制，在工程上有广泛的应用前景[3-6]。然而，传统拉力器的主要原理是通过弹簧的伸缩而产生一定大小的力，而这种拉力器存在材料种类单一，拉伸倍数小，体积大，使用寿命短，重量大，难拆卸，不易携带等缺点。因此，对磁流变液阻尼器应用于拉力器的具体的、可行的控制方法的研究，从而确定拉力器的结构、尺寸等具有战略性意义。将磁流变阻尼器应用于拉力器，提高结构性能是磁流变技术具有现实意义和应用价值的研究方向。本文在传统弹簧拉力器的基础上采用磁流液阻尼器部分替代机械弹簧的方法进行拉力器的结构改进设计，为磁流变液这种新型材料应用于传统弹簧拉力器，从而为它的结构与性能等方面的改善提供了依据。本文重点研究采用新兴智能材料—磁流变液注入拉力器的缸筒中形成磁流变液阻尼器在可控性上进行了定量的计算，从而确定拉力器的模型、结构以及尺寸。针对磁流变液阻尼器的磁路结构的设计，用UniGraphics软件和CAD软件确定拉力器的模型，结构设计；用Visual软件对初步设计的模型结构进行定量的计算及分析。

图1 外形模型设计图

图2 外形模型尺寸标注剖视图

1 磁流变液阻尼器拉力器模型设计

拉力器是是一种适合于大众健身锻炼的器材。研究拉力器的结构原理及新型材料对其的扩展应用对医疗康复仪器的设计具有极大的意义。传统的拉力器主要利用弹簧的伸缩产生一定大小的力，其模型主要有弹力有限，弹簧易生锈，安全系数低 等缺点。本文提出的新型的磁流变液阻尼器拉力器具有结构紧凑、功耗低、阻尼力大、响应速度快，安全系数高等优点。

传统拉力器和磁流变液阻尼器拉力器模型的对比，突出了磁流变液阻尼器的优越性。本文对新型磁流变液阻尼器拉力器的模型进行细致的分析。

用UniGraphics软件和CAD软件对模型进行了初步设计，如图1(a)、图1(b)所示。其基本思路是在缸筒内充满磁流变液，活塞杆和拉环作为一个整体，底部安置一橡胶垫子，缸筒外部放置一机械弹簧。线圈则绕置在活塞杆上两个圆盘中间凹下去的位置。从而，缸筒内部的磁流变液作用形成的阻尼器与缸筒外部的机械弹簧相辅相成，共同达到阻尼力的设计要求。图1((a)、(b))为外形模型设计图，图2为其尺寸标注剖视图。

2 磁流变液阻尼器拉力器的设计

磁流变液阻尼器拉力器的外形尺寸是基于MRD60型的设计过程而设计的。根据拉力器的需求，确定了阻尼器的几个参数，阻尼器缸筒的内径D1为30mm，缸筒外径D3为26mm，磁流变液的零场粘度η为0.24pas，在最大电流下液体的屈服应力τy为52kpa，在这个尺寸参数下，要求阻尼器能够在5m/s的速度下，提供最大500N的阻尼力，并且在0.05m/s的活塞运动速度下，可调系数能够达到6。同时，在阻尼器的设计过程中，选用磁流变液的平板Bingham模型作为设计模型[2，7]。

2.1 磁流变阻尼器的结构尺寸设计

图3 阻尼力和可调系数计算模块界面

图4 磁路截面积计算界面

图5 Malab磁化曲线拟合操作界面

图6 材料40Cr 磁化曲线

图7 线圈匝数计算界面

(1)结构尺寸。在计算结构尺寸其他参数之前要先假设间隙h=2mm，有效长度L=20mm，活塞杆直径D4=12mm。根据上面已知和假设的参数，可以计算出磁流变液阻尼器简化成平板模型的等效宽度 w、活塞有效面积 Ap、阻尼器工作时的流量 Q。间隙h、有效长度L、活塞杆直径D4这三个参数的具体数值，将在下面的计算过程中根据设计要求进行调整。

表1 磁流变阻尼器结构参数

其中， w是平板模型的等效宽度，单位为m； Ap为活塞有效面积，单位为m2； Q为阻尼器工作时的流量，单位为3m/s。C为补偿系数，在设计中可以近似用。

(2)磁流变阻尼器的阻尼力。在拉力器中，磁流变液阻尼器阻尼力主要由库仑力和粘性力构成。影响库仑力的主要因素有活塞有效面积Ap、间隙h、有效长度L等，而影响粘性力的因素则有阻尼器工作时的流量Q等。可调系数Δ是在一定的活塞运动速度下粘性力占总阻尼力比重的倒数。

根据磁流变液的本构方程和边界条件可以推到出阻尼器产生阻尼力的公式：

Fτ—产生的库仑力，N； Fη—产生的粘性力，N；F—总的阻尼力，N；可调系数：

库仑力和黏性力主要与阻尼器的结构有关，利用假设的参数计算出的结构参数同样也影响着阻尼器的阻尼力。实验要求能够提供最大500N的阻尼力。根据计算出的尺寸，计算输出的阻尼力能否达到实验的要求，并进行优化设计。

(3)优化设计。如果假定的h，L，D4计算出的阻尼力不满足要求，则需要重新假设，并进行计算直至阻尼力符合要求。为了减少计算量，方便尺寸的不断优化，提高设计效率，利用Visual软件对计算流程进行程序化，其VB各参数计算流程界面如图4所示。

(4)磁路截面积计算。各个磁路截面积的大小对磁流变阻尼器的性能参数有着很大的影响。

参考单杆单筒式磁流变液阻尼器的设计流程，D1，D2，D3，D4，L的值会在设计初期做出一定的假设，而在能够影响磁流变阻尼器性能的参数中，还有线圈骨架直径D5和长度L1未定，由于这两个参数与磁路的结构有关，所以需要在磁路的设计中来确定。

不考虑漏磁，把磁路当做电路来看，线圈通电产生磁场源。把阻尼器按磁路的功能分成几个部分(如图(4))。进行磁路设计的主要目的是保证在电流最大时，磁路各部分能向磁流变液传递足够的磁场。设定最大电流为2.5A，在此电流下，磁路要能向磁流变液传递其饱和磁场强度300Amp/m。其次，要保证磁流变液中的磁场能量尽量大，即减少减小其他部分的能量损耗。由于结构和材料的限制，单级的阻尼器磁路可能无法向磁流变液提供所需的磁场，这是可以采用多级结构，在此我们设阻尼器分为X级(这里取3)。首先要计算出磁路各部分的导磁界截面积。

其中，S1是铁芯部分截面积；S2是活塞磁轭部分截面积；S3是磁极截面积；S4是磁流变液截面积。

活塞材料为40Cr，其饱和磁感应强度约为1.5T(即B4)，要求磁流变液达到的磁场强度300Amp/m，查其磁化曲线得到其所达到的磁感应强度0.9T(即B1)。根据磁通守恒定律： Φ= B·S，至此算出D5以及磁路各部分的截面积以及求出磁路各部分的磁感应强度。图4为利用VB程序磁路截面积计算界面。

2.2 材料磁化曲线拟合

要计算线圈匝数N，必须要先计算出磁场强度H。而磁场强度H与磁感应强度B有关，所以需要确定材料(这里我们用40Cr)的磁化曲线，即得到磁场强度H关于磁感应强度B的函数，是对后面进行线圈骨架直径D5和长度L1的确定所做的前期准备。用Malab进对此材料进行了磁化曲线的拟合，其操作界面如图5所示，得到了一条误差相对最小的曲线，如图6所示。其函数关系式为：

H─磁场强度， Amp/ m

B─磁感应强度，T

2.3 线圈匝数确定

线圈匝数N除了与磁场强度H有关，还与活塞结构各部分大小有关。根据公式：

由上面的公式得到N与L1的关系，并不能真正求出线圈匝数，因此要求出L1的值。设计线圈分三层绕制，则每层线圈长度应为(d为电磁线标称直径，，线圈骨架长度L 1显然要大于。所以，匝数应满足不等式，求出L1的最小值，考虑到在绕制线圈时，线圈之间不可能紧密，会有间隙，所以适当放长L1的大小。图7为所计算的线圈匝数。

至此，整个活塞部分的结构就设计好了，各个参数表1所示。

3 结语

本文基于MRD60型的设计过程，采用了辅助图形结构设计软件、Visual软件简化计算程序等手段确定了该拉力器的模型结构，尺寸大小以及形成磁路的各级参数，同时验证了磁流变液阻尼器应用于拉力器初步符合阻尼力等设计要求，在理论上具有一定的可行性。但是该尺寸所确定的结构形成的磁场规律能否符合设计要求，对此，我们可以采用MAXWELL磁路分析软件对其磁路进一步仿真验证。

[1]Seval G.Synthesis and properties of magnetorheological Fluids:[PhD Dissertation].University of Pittsburgh,2002.

[2]Jolly M R,Bender J W,Carlson J.Properties and applications of commercial magnetorheological fluids.SPIE,1998,3327;262.

[3]Yang G, Spencer B F.Large-scale M R fluids dampers modeling and dynam ic performance consideration[J].Engineering Structures,2002,24(3):309-323.

[4]Carlson J D.What makes a good MR fluid[J].Journal of Intelligent Material System and Structure,2003,13(7-8):431-435.

[5]胡红生,王炅,崔亮等.磁流变风扇离合器结构设计与可控性分析[J].南京理工大学学报,2010,34(3):342-346.

[6]邹明松,侯保林.两种大吨位磁流变阻尼器的功耗比较与参数优化[J].南京理工大学学报,2008,32(6):719-723.

[7]Lange U,Richter L,Zipser L.Flow of magnetorheologiaclfluids.Journal ofInetlligent Material Systems and Structures,2001,12(3):161-164.