1.结构设计2.工作原理2.1磁流变液磁流变液是在1948 年被Rabinow,J.发明的一种由非磁性基液（如矿物油、硅油等）、微小磁性颗粒、表面活性剂（也称稳定剂）等组合而成的智能型流体材料。

在无磁场加入的条件下，磁流变液将表现为低粘度较强流动性的牛顿流体特性，加入磁场后，则会表现为高粘度低流动性的Bingham 流体特性。

非磁性基液是一种绝缘、耐腐蚀、化学性能稳定的有机液体。

基液所拥有的特征是：粘度较低，磁流变液在没有磁场加入的条件下表现为低粘度状态，这样能够较好的降低磁流变液的零场粘度；沸点高、凝固点较低，这样就可以确保磁流变液在温度变化波动较大的环境下工作依然可以保持较高的稳定性；较高的密度，能够保证磁流变液不会因沉降问题而无法正常使用；无毒无味、廉价，保障其安全性的同时做到能够广泛使用。

微小磁性颗粒是一种可离散、可极化的软磁性固体颗粒，其单位是微米数量级的。

其主要的特征有[5]：低矫顽力，对于已经磁化过的液体，加较小的磁场就能够使其恢复零磁场状态，即拥有较高的保磁能力；高磁导率，能够在弱磁场中获得较强的磁感应强度从而节约能量；磁滞回线狭窄、内聚力小；磁性颗粒的体积应相对大一些，用于存贮更多的能量。

表面活性剂是可以增加溶液或混合物等稳定性的化学物质。

在实际使用过程中，磁流变液比较容易出现沉降分层现象，所以需要在磁流变液中加入表面活性剂保证物理化学性能的平衡，减少分层、降低沉降。

2.2磁流变液的工作模式磁流变液在外加磁场影响下出现磁流变效应现象，改变流体的表观粘度、流动状态，从而改变剪切屈服应力等参数，使输出的阻尼力能够实时变化，达到所期望的目的。

现如今，磁路变液的一般工作模式有三类：流动式、剪切式及挤压式，如下图所示。

（a）流动式（b）剪切式（c）挤压式图1-3 磁流变液工作模式Fig. 1-3 MR fluid working mode流动式：如图1-3（a）所示，在两块固定静止的磁极板中间具有充足的磁流变液，对磁流变液施加一个压力使其流过两磁极板，其中，两极板之间外加了与磁流变液运动方向垂直的磁场。

当磁性液体经过磁场时，其流体特性与流动状态被改变从而产生剪切应力即阻尼力。

改变线圈的输入电流强弱从而使磁场强度发生变化，阻尼力也会跟着变化，实现实时调节的效果。

流动式多用于控制阀、阻尼器、电磁元件等的设计。

剪切式：如图1-3（b）所示，两块磁极板相对运动，方向与两磁极板之间的间隙平行，其中，两磁极板之间具有充足的静止不运动的磁性液体，外加磁场的方向也垂直于两磁极板并作用在磁性液体上而产生阻尼力，同样可以调节线圈电流大小来控制阻尼力值。

剪切式多用于研究设计离合器、制动器、阻尼器等。

挤压式：如图1-3（c）所示，与剪切式一样，是通过两个磁极板的运动来改变磁性液体的流体性能而得到阻尼力，但与剪切式不同的是，两磁极板的运动方向与磁场的方向是平行的。

当挤压两块磁极板时，两磁极板之间的磁性液体受压向周围扩散运动，在磁场影响下产生阻尼力。

阻尼力大小的调节与流动式、剪切式的方式一样。

这种工作模式因其位移较小，只适用于设计行程不大的磁流变阻尼器。

除上面三种工作模式以外，还有一种较为常见的工作模式叫剪切阀式，这种工作模式是由流动式与剪切式组合而成的：磁流变液受压力的作用通过流动式与剪切式两者结合的磁场作用。

本设计采用一种特殊的流动式：两个固定磁极与产生可变磁场的线圈都固定在活塞上。

2.3阻尼液（磁流变液MRF）工作原理：（1）磁流变液磁化成链状结构原因的相变理论[5]，相变理论可以合理解释MRF 液-固转化的现象，但不能解决有关链束强度的问题。

通过磁流变液的小角度散射实验和磁光实验，可以发现磁流变液在外加磁场的作用下可以分为三种分离的相。

如图1 所示，1）当磁场强度较低或者无磁场时，磁性颗粒是相对自由的运动状态，相互之间处于独立状态，磁性微粒在载液中随机分布，是自由相；2）当磁场强度变大时，磁性颗粒会沿着磁场的方向形成一条条细链状的结构，但细链之间是互相独立的，所以这会相应增加MRF 与磁场方向同向上的剪切应力，这是有序相；3）当磁场强度进一步增强后，细的长链状结构会吸引结合短小的链状结构而变长变粗，剪切应力进一步增大，形成固态相。

同时，因为其在磁场下形成的有序链状结构，MRF 剪切应力的大小还与磁场方向有关，与磁场方向夹角越大，应力越强，所以在与磁场相同方向上MRF 的应力变化不大。

4) 这种变化是可逆、可控、连续的(a)自由相(b)有序相(c)固态相图 1.1 MRF 三相状态示意图Fig.1.1 MRF three-phase state diagrams（2）场致偶极理论在场致偶极理论中，MRF 内的微粒在磁场的作用下磁化为磁偶极子，在静磁作用下相互吸引并且按照一定方向运动，微粒排列成有序链状结构，直观上的表现就是MRF 在磁场作用下由液态变为固态。

场致偶极理论指出了影响MRF 单链强度的因素，但是无法全面解释MRF 的剪切屈服强度与悬浮液微粒大小间的关联和链束变粗的过程。

（3）两种理论互相补充2.4减震器磁场工作原理MR 减振器的基本工作原理是通过改变电流大小控制磁场强度，利用磁场强度的变化改变MRF 的流变特性，从而实现对MR 减振器的精确控制。

MR 减振器的阻尼力主要由两个部分组成：粘滞阻尼力与库伦阻尼力，库伦阻尼力也叫作剪切阻尼力。

其中，粘滞阻尼力是不受控制的，在特定的减振器中，主要与MRF 的零场粘度和减振器活塞的运动速度有关，且基本与速度和零场粘度的组合函数呈线性关系。

在零磁场状态下，因为MRF 流变特性表现为牛顿流体，剪切阻尼力可忽略不计，只考虑粘滞阻尼力。

剪切阻尼力主要与MRF 在磁场作用下的剪切应力有关，即MRF在“半固态”时活塞运动剪切MRF 所产生的力，但MRF 的剪切应力与磁感应强度为非线性关系。

2.5活塞工作原理活塞由三部分构成：活塞本身：承受阻尼液粘滞阻尼力与剪切阻尼力，耗能装置当活塞在外力作用下向上运动，迫使上侧液腔内MRF 在高压作用下通过阻尼通道流入下侧液腔，因液体粘性与剪切应力使两侧液腔产生压差，这是MR 减振器阻尼力的主要来源。

固磁体：提供磁场，防止微粒沉降，提高MRF 的稳定性线圈：线圈是磁场发生装置，串联反向缠绕在活塞体上，导线通过活塞杆与活塞体间的通孔引出到减振器外部，其产生的磁场与阻尼通道内液体流向垂直，用于控制MRF 的流变特性。

改变电流大小控制磁场强度，利用磁场强度的变化改变MRF 的流变特性，从而实现对MR 减振器的精确控制。

随电流增强，磁场增强，阻尼液随之由自由液体随之变稠，剪切阻尼力变大，耗能更多。

反之亦然。

线圈绕组外涂有保护层，可选择环氧树脂等无腐蚀、耐高温、耐磨损的保护层材料。

3.选型（1）缸体：外部缸筒所用材料不仅要有足够的强度与刚度，还要有较高的导磁率和磁饱和率缸筒作为MR 减振器的主要受力部件，与活塞杆相同，需要选择受力型材料。

作为承受内压的薄壁型缸筒，设计时除了要进行壁厚、塑性变形验算外，还要进行爆裂验证。

20#作为一种常用的机械加工材料，具有机械强度高、易于加工的优点，符合MR 减振器对缸筒性能的要求。

缸筒设计时要进行强度验算，假设减振器内的额定压力为pn，其应满足的验算条件为（）或（）式中：σy为缸筒材料的屈服强度，Pa；D1为缸筒的内径，m；D2为缸筒的外径，m。

本文设计的缸筒内径40mm，外径48mm。

（2）阻尼液:1)具有调节控制的可连续性、能耗少、无毒无腐蚀无污染、不易磨损、应用范围广等优点；同时，它也是一种复杂流体，组成成分比较多，包括载液与均布在载液中的微小磁性颗粒。

为了防止微粒沉降，提高MRF 的稳定性，还会添加适量的添加剂2) MRF 的耐高温性能十分重要，在高温时如何保证液体的无毒、低挥发、低膨胀性是首先要解决的问题。

3）抗沉降、抗凝结性4）降低温度对MRF 应变性能的影响，散热性要好。

5）但如果MRF 的再分散性不符合要求，即沉降的MRF凝结成块，器件的运动是无法使其重新分布到载液中的6）减磨性，MRF会对壁面和自身都会产生明显的磨损7）良好的力学特性，为提高阻尼力的可调范围，需要MRF具有零场粘度低、屈服力高的特点。

（3）密封端部密封方式的选择上，端盖与缸筒间的静密封选用两级O 型圈密封，活塞杆与端盖间的动密封选用两级斯特封，并在外部添加防尘圈，防止外部灰尘、异物进入密封件内，影响密封件使用寿命（4）活塞杆活塞杆是减振器重要的传力部件，不仅要承受往复、高强度的拉伸与压缩载荷，同时还要具有抗弯曲、振动与横向冲击的能力。

因此，为了满足活塞杆的强度韧性要求，选择20#作为加工材料。

活塞杆直径主要依靠下式确定式中：d1为活塞杆的外径，m；d2为活塞杆的内径，m；Fz为活塞杆受到的轴向力，N；[σ]为所选材料的容许应力，Pa。

取Fz=5000N，[σ]=110MPa，样机活塞杆的尺寸经过计算取外径d1=12mm，内孔直径d2=5mm。

活塞杆内的长孔加工难度较高，传统工艺无法达到加工要求，可采用激光加工或直接选用内孔为5mm 的钢管进行加工。

同时，为了降低加工难度，内壁粗糙度要求不高，因此，为防止漆包线穿过时划伤保护层，可以在内孔上涂抹绝缘漆、将漆包线利用热缩管进行保护或直接在导线绕组后将漆包线连接现有的绝缘导线，利用绝缘导线穿过活塞杆。

同时，活塞杆往复运动过程中外壁与端盖内孔、MRF 内的铁磁微粒等存在摩擦，利用镀铬抛光的加工工艺对活塞杆外壁进行处理，可以增加活塞杆表面的光洁度、增强表面的防腐蚀性能、提高硬度与耐磨性，减小MR 减振器的摩擦阻力，延长活塞杆的使用寿命。

（5）活塞活塞部分的零部件包括活塞体、导磁壳、活塞底板与线圈绕组。

活塞体、导磁壳与活塞底板都是磁场磁路经过的地方，是其重要组成部分，所以要求所用材料具有高导磁率的特点，一般选用铁磁材料。

但是铁磁材料的非线性磁化特性使得当磁场强度在增长到一定程度后会发生饱和，所以为获得预设的MR 减振器阻尼力性能指标，应选择饱和磁感应强度高的材料。

同时，磁滞现象会增大零磁场时的MR 减振器阻尼力，降低减振器的阻尼力可调范围，影响MR 减振器的控制精度，所选材料应为矫顽力和剩磁比较小的软磁材料。

综上所述，该样机选择电工纯铁作为活塞体、导磁壳以及活塞底板的加工材料。

导磁壳体与底板上的阻尼通道缝隙可以利用线切割工艺进行加工。

线圈绕组作为磁场发生装置是MR 减振器的核心部件，其在缠绕、装配过程中需要格外注意。

本文选用的是0.56mm 的漆包线，虽然所加工机械零件都进行了圆角处理，但为防止刮伤漆包线，零部件尤其是活塞体表面需要进行绝缘处理（涂抹绝缘漆）。

缠绕时应注意两级线圈绕向相反，并检测是否发生短路。

线圈缠绕完成后，为防止减振器工作过程中MRF 内铁磁微粒磨损、划伤漆包线，需要在线圈表面涂抹一层保护层。