農(nóng)用車輛超磁致伸縮與磁流復(fù)合阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計

河南省煙草公司鄭州市公司 劉英杰 劉劍君 劉文

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 趙漢雨 丁攀

農(nóng)用車輛超磁致伸縮與磁流復(fù)合阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計

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作為典型的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，我國對拖拉機(jī)及其改裝車等農(nóng)用車輛的各項性能高度重視，安全舒適更成為現(xiàn)代車輛座椅設(shè)計追求的必要目標(biāo)?？紤]到拖拉機(jī)存在座椅設(shè)備簡陋﹑駕駛環(huán)境惡劣﹑田間作業(yè)低速﹑路面不平且路況多變等特殊情況，將新型智能材料——磁流變液應(yīng)用于拖拉機(jī)座椅懸架上，可有效耗散地面激勵引起的車輛對駕駛員的振動，改善乘坐舒適性。近年來，磁流變液憑借其響應(yīng)快﹑造價低﹑壽命長﹑可調(diào)范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)而備受人們關(guān)注。

磁流變（Magnetorheological Fluids，簡稱為MRF）阻尼器由于其自身具有的許多優(yōu)良性能，成為了結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域最具有發(fā)展前途的減振裝置之一。針對國內(nèi)外當(dāng)前磁流變阻尼器需要線圈和外配電源而造成體積和重量大﹑結(jié)構(gòu)復(fù)雜﹑對能源具有依賴性﹑斷電時阻尼力不可調(diào)等問題，我們提出一種超磁致伸縮（Giant Magnetostrictive Material，簡稱為GMM）與磁流變復(fù)合阻尼新技術(shù)，設(shè)計制作了一種無源自適應(yīng)磁流變阻尼器。這種阻尼器不需要線圈和外配電源，結(jié)構(gòu)簡單，利用磁致伸縮逆效應(yīng)和磁流變效應(yīng)把外部負(fù)載力的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榇帕髯円鹤枘嵬ǖ乐写艌龅淖兓?，最終輸出不同大小的阻尼力，具有負(fù)載自適應(yīng)的特點(diǎn)。

一、超磁致伸縮與磁流變耦合機(jī)理

GMM是一種新型的功能材料，可以將磁能和機(jī)械能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，響應(yīng)速度快。GMM逆效應(yīng)，是指在一定磁場中，給超磁致伸縮材料施加外力作用，其磁化強(qiáng)度發(fā)生變化的現(xiàn)象。

磁流變液在磁場作用下可產(chǎn)生很大的阻尼，超磁致伸縮材料在外部負(fù)載作用下會快速（微秒級）引起其磁化強(qiáng)度的變化，超磁致伸縮材料與磁流變材料耦合作用下的阻尼可控的新方法，基本原理表示如圖1所示。GMM﹑磁能交換介質(zhì)與兩端的磁軛構(gòu)成磁回路①，磁能交換介質(zhì)﹑磁軛﹑磁流變液和軟磁體構(gòu)成磁回路②，當(dāng)外部負(fù)載加載在GMM上時（圖1b），其內(nèi)部磁疇向與施力方向垂直的方向偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致其內(nèi)部磁化強(qiáng)度減小，因此磁回路①的磁通量減小，由于總的磁通量不變，因此磁回路②的磁通量增加，磁流變液在磁場作用下阻尼增大，磁能交換介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了GMM磁路磁能與磁流變磁路磁能的交換，而且GMM的負(fù)載施加力越大，磁回路②的磁通量增加越多，磁流變液的阻尼力也越大，因此上述方法具有自適應(yīng)性的特點(diǎn)。

圖1 超磁致伸縮與磁流變液耦合的基本原理示意圖

二、阻尼器結(jié)構(gòu)設(shè)計

阻尼器結(jié)構(gòu)如圖2所示，在GMM兩端設(shè)置永磁體給GMM提供偏置磁場，以提高磁機(jī)轉(zhuǎn)換效率；彈簧（或碟簧）將活塞桿受到的力加載到GMM上；MRF在間隙處磁場作用下產(chǎn)生阻尼力。MRF間隙厚度為1.5 mm，永磁體牌號為N33，磁極方向為軸向。圖2中所示彈簧伸縮長度滿足阻尼器位移達(dá)到±25 mm，但是在做后面的磁致伸縮逆效應(yīng)靜動態(tài)實(shí)驗時，因為要求的力接近甚至超過10 000N，普通彈簧無法滿足這種要求，因此使用碟簧替代彈簧，結(jié)合實(shí)驗人員和設(shè)備安全性的考慮，實(shí)驗時阻尼器的位移選擇了較小。

圖2 阻尼器結(jié)構(gòu)圖

三、結(jié)論

用磁致伸縮逆效應(yīng)，把阻尼器受到的外部負(fù)載力的變化轉(zhuǎn)化為磁場的變化，進(jìn)而對MRF進(jìn)行控制。該阻尼器具有負(fù)載自適應(yīng)的特點(diǎn)，無需能源裝置，結(jié)構(gòu)簡單，在農(nóng)用車輛﹑防震﹑航天航空﹑野戰(zhàn)軍事器械﹑車輛減振等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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