旋转式磁流变螺旋流动阻尼器扭矩增强研究

董小闵　王陶　王羚杰　于建强　李鑫　李彪

摘   要：为提高旋转式磁流变阻尼器输出扭矩密度，提出了一种具有更高精度的旋转式磁流变阻尼器设计方法. 建立了螺旋流动磁流变阻尼器内部各通道的磁流变液准稳态流动微分方程，基于Herschel-Bulkley本构模型推导了磁流变液速度分布表达式，研究了螺旋流动阻尼器在高速工况下阻尼力矩和动态范围的计算方法. 对阻尼器各通道的输出扭矩进行了数值仿真，结果表明，在高速工况下，随着电流增加，螺旋流动模式的扭矩增强效应呈现先上升再下降的趋势，并最终退化为纯剪切模式. 设计加工了样机，并进行了低速和高速性能测试，实验结果显示，实验结果与理论计算吻合，零场高速工况下改进模型相较于传统模型平均误差减小129.4%，为设计高输出扭矩密度的旋转式磁流变阻尼器提供了理论基础.

关键词：磁流变液;剪切稀化;螺旋流动;Herschel-Bulkley模型

中图分类号：TH122                                   文献标志码：A

Research on Torque Enhancement of Rotary

Magnetorheological Damper Based on Helical Flow

DONG Xiaomin WANG Tao WANG Lingjie YU Jianqiang LI Xin LI Biao

（1. College of Mechanical and Vehicle Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China;

2.Aerospace Life-support Industries Ltd，Xiangyang 441003，China）

Abstract：In order to improve the output torque density of the rotary magnetorheological（MR） damper，a design method of the rotary MR damper with higher precision was proposed. The quasi-steady-state flow differential equation of the MR fluid in each channel of the damper was established. The expression of the velocity distribution of the MR fluid was obtained by using the Herschel-Bulkley constitutive model. The calculation method of damping torque and dynamic range of the damper under high-speed conditions were studied. A numerical simulation of the output torque for each channel of the damper was carried out. The results show that under high-speed conditions，as the current increases，the torque enhancement effect of the helical flow mode shows a trend of first rising and then falling，and finally degenerates into a pure shear mode. The prototype was designed and processed，and low-speed and high-speed performance tests were carried out. The test results are consistent with the theoretical calculations. The improved model under zero-field and high-speed conditions reduce the average error by 129.4%，compared with the traditional model，providing a theoretical basis for designing a rotary MR damper with high output torque density.

Key words：magnetorheological fluids;shear thinning;helical flow;Herschel-Bulkley model

以磁流變材料为介质的磁流变器件具有阻尼可调、响应时间快、工作温度范围宽以及耗能低等优点得到了振动控制领域研究学者的广泛关注，并成功地运用于汽车、建筑、桥梁以及航空航天等领域[1-2]. 磁流变阻尼器按照运动方式可分为直线式磁流变阻尼器和旋转式磁流变阻尼器. 直线式磁流变阻尼器的工作模式主要为阀模式和剪切阀式，具有出力大、可靠性高等优点，已经成功应用于汽车悬架系统中[3]，但仍然存在高速环境下动态范围小[4]、占用空间大、对密封要求高和耗费磁流变液较多从而增加成本等问题. 旋转式磁流变阻尼器的出现较好地解决了上述问题，为了最大限度地提高旋转式磁流变阻尼器的输出阻尼扭矩，学者们研究了不同的增加磁场剪切面积和提高工作区域磁通密度的方法，Zhou等[5]设计了一种多盘式旋转式磁流变阻尼器，在直径仅为76 mm、厚度仅为40 mm的体积内产生了3.5 Nm的扭矩. Senkal等[6]设计了一种具有蛇形磁路结构的旋转式磁流变阻尼器，将扭矩提高了2.7倍同时体积减小33%. Nam等[7]设计了一种具有波浪形边界的旋转式磁流变阻尼器，与普通磁流变制动器相比，能产生6倍的制动力矩.

目前，由于大部分旋转式磁流变阻尼器的工作模式为剪切模式，且受限于磁流变液最大磁致饱和屈服强度，因此实验和理论计算的最大输出扭矩仍然较小，在部分领域仍无法满足高扭矩的要求. 本课题组提出了一种基于螺旋流动模式的新型磁流变阻尼器，其工作模式不同于传统的阀模式、剪切模式、挤压模式和混合模式，磁流变液在工作区域内呈螺旋状流动，可以有效地增加磁流变液的流动长度和提高通道的压降差，在提高阻尼器输出扭矩方面取得了良好的效果[8-9]. 但在高速工况下，受螺旋流动工作模式影响，相较于传统的环形通道，螺旋流道内的磁流变液速度梯度更大，磁流变液剪切率更高，螺旋流动模式的扭矩增强效应不明显. 彭志召等[10]利用设计的流变特性测试装置对磁流变液进行了测试，实验结果表明剪切率在10³至10⁵时，磁流变液的剪切致稀较为明显. 高春甫等[11]研究表明高速工况下电流的增加会导致间隙内磁流变液刚性流动区的比例增加，磁流变液变为固态状态，流动性变差甚至出现磁流变液“不流动”情形. 因此采用传统的Bingham模型无法对阻尼器的扭矩特性进行准确的预测. 本文首先基于Herschel-Bulkley模型对旋转式阻尼器的输出阻尼力矩进行了推导，然后对螺旋流动模式的扭矩增强效应进行了理论分析和数值仿真，最后通过对样机的高速性能测试验证了改进力学模型对螺旋流动模式“失效”现象预测的有效性.

1   基于螺旋流动模式的改进力学模型

本课题组提出的旋转式磁流变阻尼器结构如图1所示，主要由前后端盖、铁芯、分段式内筒、外筒、螺旋转轴等组成. 左右端盖与外筒通过螺纹连接，分段式内筒与螺旋转轴固定. 螺旋转轴、铁芯、分段式内筒以及外筒之间的间隙充满磁流变液，螺旋转轴与铁芯之间为通道1，铁芯与分段式内筒之间为通道2，分段式内筒与外筒之间为通道3. 当螺旋转轴旋转时，会推动磁为了改善工作通道内的磁场利用率，进一步提高阻尼器扭矩密度，我们对阻尼器的磁路结构进行了改进，将传统的由单一导磁材料构成的内筒替换为由导磁环和非导磁环组成的分段式内筒，该结构能够阻碍磁感线沿内筒形成封闭磁路，使磁感线完全穿过通道1和通道2，解决了传统工作内筒诱导磁路分配不均的问题，提高了工作通道的平均磁感应强度.

1.1   高速工况阻尼力矩推导

如图2所示，螺旋流动磁流变阻尼器在工作时，磁流变液在螺旋转轴的推动下，由通道1经后端盖上的空隙流到通道2和通道3，再由铁芯与内筒的空隙流回通道1，实现磁流变液的循环. 从图2中可以看出，螺旋流动磁流变阻尼器主要有5个区间产生阻尼力矩，分别是通道1、通道2、通道3以及左右端盖处的间隙. 为了考虑高速工况下磁流变液的剪切稀化现象，本文基于磁流变液Herschel-Bulkley本构模型对上述5个区间分别进行阻尼力矩计算.

1.2   多通道输出扭矩特性数值仿真

2   实验验证

2.1   低速性能测试

图8为扭转角度15°，频率0.2 Hz和1 Hz时的实验测试结果与理论计算结果的对比. 从图中可以看出，随着励磁电流增大，磁流变阻尼器输出阻尼力矩增加明显，且曲线较饱满，表明磁流变阻尼器耗能特性可控且较为稳定. 当励磁电流从0 A增加至4 A时，磁流变阻尼器的输出阻尼力矩从2.5 Nm增加至50 Nm，可调范围达20，满足设计要求.

从图8（a）中可以看出，在较低速度下，旋转式磁流变阻尼器的理论计算结果与实验测试数据较为吻合. 图8（b）显示测试频率增大5倍后，实验曲线在左上和右下区域出现了波动，原因可能是随着激励频率的增加，MTS在往返运动过程中引入了柔性，另外由于阻尼器内部存在气隙，磁流变液没有完全填满内部通道，故输出扭矩随着转轴速度增加而存在波动，但平均值較好地保持在理论计算值附近，表明改进后的力学模型能有效地预测低速工况下螺旋流动模式的阻尼力矩特性.

将低速工况下的测试结果、改进后模型计算结果和传统模型计算结果进行了对比，如图9所示. 从图中可以看出，在低速工况下改进后模型和传统模型的计算结果基本重合，与实验结果吻合度均较高. 表明改进后的模型和传统模型一样，在低剪切率下也能准确地预测螺旋流动阻尼器的输出扭矩特性.

2.2   高速性能测试

图11为转速为360 rpm工况下，实验结果与理论计算结果的对比. 图中扭矩曲线出现波动，其原因可能是阻尼器内部存在气隙. 从图11中可以看出，阻尼器的输出扭矩的平均值随时间变化较为平稳，随着电流增加阻尼器输出扭矩显著增大，当电流为4 A时，阻尼器输出扭矩最大可达44.8 Nm，相较于阻尼器低速测试结果扭矩最大值有所降低，分析原因可能是由于磁流变液在高剪切率下发生剪切稀化，导致表观粘度和最大磁致饱和屈服强度降低，故输出扭矩有所下降. 实验结果表明输出扭矩的平均值与改进后力学模型的计算结果吻合程度较好.

从图12中可以看出，由于传统模型假设磁流变液的粘度是一个定值，故随着转速增加，粘滞阻尼力矩逐渐增大，因此磁流变阻尼器总输出扭矩呈现上升的趋势. 但由于磁流变液在高剪切率下会发生剪切稀化，实验结果表明阻尼器的输出扭矩并未随着转速的增加而增大，因此采用传统模型的计算结果误差较大，且随着转速的增加，误差会逐渐增大. 为了对比两种计算模型对阻尼力矩特性预测的效果，分别计算不同工况下理论计算结果与实验结果的误差，如图13、图14所示.

从图13中可以看出，在高速工况下，改进后力学模型的误差比传统模型的误差更小，尤其是在电流为0 A的时候. 且随着电流的增加，两模型的计算误差逐渐减小. 从图14中可以看出，在零场条件下，传统模型的误差更大，且随着转速增加出现上升趋势，这是由于转速增高使剪切稀化效应更明显. 图13和图14表明，剪切稀化对零场粘度的影响较大，对剪切屈服强度的影响较小. 因此在高速工况下，尤其是零场条件下，采用改进后模型能更好地预测螺旋流动模式磁流变阻尼器的输出扭矩特性.

3   结   论

1）本文提出了一种具有更高精度的旋转式磁流变阻尼器设计方法，分析了高速工况下螺旋流动模式失效的原因，并通过数值仿真将螺旋流动模式和纯剪切模式的输出扭矩特性进行了对比. 样机性能测试结果表明，改进后模型在准确预测低速工况下螺旋流动模式阻尼力矩特性的基础上，还能够有效地预测高速工况下螺旋流动模式的"失效"现象.

2）高速实验结果表明剪切稀化对零场粘度的影响较大，对剪切屈服强度的影响较小. 在零场高速工况下，改进后的模型相较于传统模型平均误差减小129.4%，因此采用改进后模型能更好地预测螺旋流动模式磁流变阻尼器的输出扭矩特性.

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