农用车辆超磁致伸缩与磁流复合阻尼器结构设计

河南省烟草公司郑州市公司 刘英杰 刘剑君 刘文

河南农业大学机电工程学院 赵汉雨 丁攀

农用车辆超磁致伸缩与磁流复合阻尼器结构设计

河南省烟草公司郑州市公司 刘英杰 刘剑君 刘文

河南农业大学机电工程学院 赵汉雨 丁攀

作为典型的传统农业大国，我国对拖拉机及其改装车等农用车辆的各项性能高度重视，安全舒适更成为现代车辆座椅设计追求的必要目标。考虑到拖拉机存在座椅设备简陋﹑驾驶环境恶劣﹑田间作业低速﹑路面不平且路况多变等特殊情况，将新型智能材料——磁流变液应用于拖拉机座椅悬架上，可有效耗散地面激励引起的车辆对驾驶员的振动，改善乘坐舒适性。近年来，磁流变液凭借其响应快﹑造价低﹑寿命长﹑可调范围大等诸多优点而备受人们关注。

磁流变（Magnetorheological Fluids，简称为MRF）阻尼器由于其自身具有的许多优良性能，成为了结构振动控制领域最具有发展前途的减振装置之一。针对国内外当前磁流变阻尼器需要线圈和外配电源而造成体积和重量大﹑结构复杂﹑对能源具有依赖性﹑断电时阻尼力不可调等问题，我们提出一种超磁致伸缩（Giant Magnetostrictive Material，简称为GMM）与磁流变复合阻尼新技术，设计制作了一种无源自适应磁流变阻尼器。这种阻尼器不需要线圈和外配电源，结构简单，利用磁致伸缩逆效应和磁流变效应把外部负载力的变化转变为磁流变液阻尼通道中磁场的变化，最终输出不同大小的阻尼力，具有负载自适应的特点。

一、超磁致伸缩与磁流变耦合机理

GMM是一种新型的功能材料，可以将磁能和机械能进行相互转换，响应速度快。GMM逆效应，是指在一定磁场中，给超磁致伸缩材料施加外力作用，其磁化强度发生变化的现象。

磁流变液在磁场作用下可产生很大的阻尼，超磁致伸缩材料在外部负载作用下会快速（微秒级）引起其磁化强度的变化，超磁致伸缩材料与磁流变材料耦合作用下的阻尼可控的新方法，基本原理表示如图1所示。GMM﹑磁能交换介质与两端的磁轭构成磁回路①，磁能交换介质﹑磁轭﹑磁流变液和软磁体构成磁回路②，当外部负载加载在GMM上时（图1b），其内部磁畴向与施力方向垂直的方向偏转，导致其内部磁化强度减小，因此磁回路①的磁通量减小，由于总的磁通量不变，因此磁回路②的磁通量增加，磁流变液在磁场作用下阻尼增大，磁能交换介质实现了GMM磁路磁能与磁流变磁路磁能的交换，而且GMM的负载施加力越大，磁回路②的磁通量增加越多，磁流变液的阻尼力也越大，因此上述方法具有自适应性的特点。

图1 超磁致伸缩与磁流变液耦合的基本原理示意图

二、阻尼器结构设计

阻尼器结构如图2所示，在GMM两端设置永磁体给GMM提供偏置磁场，以提高磁机转换效率；弹簧（或碟簧）将活塞杆受到的力加载到GMM上；MRF在间隙处磁场作用下产生阻尼力。MRF间隙厚度为1.5 mm，永磁体牌号为N33，磁极方向为轴向。图2中所示弹簧伸缩长度满足阻尼器位移达到±25 mm，但是在做后面的磁致伸缩逆效应静动态实验时，因为要求的力接近甚至超过10 000N，普通弹簧无法满足这种要求，因此使用碟簧替代弹簧，结合实验人员和设备安全性的考虑，实验时阻尼器的位移选择了较小。

图2 阻尼器结构图

三、结论

用磁致伸缩逆效应，把阻尼器受到的外部负载力的变化转化为磁场的变化，进而对MRF进行控制。该阻尼器具有负载自适应的特点，无需能源装置，结构简单，在农用车辆﹑防震﹑航天航空﹑野战军事器械﹑车辆减振等领域具有广阔的应用前景。

河南省烟草专卖局（公司）科学研究与技术开发项目（HYKJM201315），河南省科技攻关项目（172102310737），河南省高等学校重点科研项目（17B416001），河南省科技攻关项目（162102210271），河南省基础与前沿技术研究项目（142300410294），国家级大学生创新创业训练计划项目（201510466001）】