电流变阻尼缸的工作原理和特点详解

电流变技术是指将电流变效应或电流变现象成功地应用于工程实践的一项技术或一门学科。电流变技术的理论基础是电流变效应。电流变效应是指某种特殊液体，在电场作用或控制下，表征液体流动属性的粘度，在一定的剪切速率下，可发生明显变化的现象，而且这种变化是可逆的、连续无级的和可以控制的。电流变技术的物质基础是电流变液体。电流变液体是指在电场作用下能产生明显电流变效应的一类特殊液体。电流变技术的工程应用则是指充分利用电流变效应的特长和传统的机械设计方法，去开拓某些为实现规定功能的新装置和新产品。

1.电流变阻尼缸的工作原理

图7-26为电流变液体减振器原理图。实际上它是一个以电流变液体为工作介质的液压阻尼缸，它又是由液压泵、液压阀（如单向阀）、液压缸及活塞、活塞杆集成并叠加装配而成的液压系统。其工作原理如下：

图7-26中，电流变液体通过的间隙的形状和长度是固定的，且置于阻尼缸的壳体内，间隙是由两个同心圆筒组成的圆环形间隙通路，正负电极分别是两个被隔开的圆筒是固定的。当阻尼缸的活塞上下作往复运动时，电流变液体被迫通过环行间隙通道，使上下腔的电流变液体相互交换，在通道中产生相应的阻尼力，并且通过改变极板间的电场强度来控制阻尼力的大小。阻尼力使间隙通道两端的压力p₁和p₂形成一个压差Δp，也就是引起活塞上下腔中有不同的压力。但上下腔的压力随着活塞的移动方向以及电流变液体在间隙的流动方向不同，活塞上下腔的压力不仅大小在改变，且阻尼力的方向也在改变。当活塞向下时，下腔液体通过间隙流向上腔，下腔压力大于上腔，活塞向下的运动受到较大的阻力；当活塞向上运动时，液流方向相反，电流变液体由上腔流至下腔，上腔内的压力大于下腔，使活塞向上运动的阻力增大，因而活塞上下运动时，都将消耗很大的振动能量，使振动很快消失。当控制间隙的电场强度时，减振的能力将根据人员的舒适性要求或其他特殊要求予以控制，以达到最理想的效果。

图7-26 电流变液体阻尼缸原理图

1—浮动活塞 2—内缸筒 3—活塞 4—单向阀 5—外缸筒 6—高压电源 7—密封 8—活塞杆 9—电流变液体 10—电流变液体通道 11—气体

2.电流变阻尼缸的工程应用(www.xing528.com)

因为汽车是一个复杂的多质量的弹性系统，在行驶过程中必须解决好行驶的平顺性或乘员的舒适性以及行驶的安全性这两个问题。影响行驶平顺性和安全性的因素是路面不平产生的冲击与因为加速、制动、转向、发动机运转不平衡等因素引起的各种惯性力，其综合作用的结果使汽车产生了多种振动。为消除汽车的振动，人们设计了悬架系统，其中弹性元件和减振器便是常见的一种系统，但这是一种被动的减振系统，缺点是性能是其不可调节，特别是减振器的阻尼是不可调节的。当然，最理想的情况是可以根据不同的路面条件变换弹性元件和阻尼元件的参数，使车辆的平顺性和安全性协调一致，达到最佳状态的主动悬架系统。但这种主动悬架系统成本造价过高，还要消耗一定的动力。鉴于此种情况，解决的方法是采用半主动悬架，即由被动的弹性元件和快速可调的阻尼元件组成系统。其中，阻尼可调的减振器采用电流变液体减振器（即电液流变阻尼缸），它可根据路面条件不同，很方便地把路面的信号，变为一个电信号，并由它来控制电流变液体的粘度，也就是可随时调节阻尼力达到与弹性元件的良好匹配，以满足平顺性和安全性的要求，实现悬架系统的半主动控制。

图7-27是北京理工大学研制成功的一种汽车用电流变液体减振器。它可以取代原来的液压减振器安装在汽车上，只需对传统液压减振器中决定阻尼力的阀系结构进行重新设计即可。在减振器工作缸4的中空活塞杆1的下端设置了活塞8，它将工作缸4内腔分成上腔A和下腔B，上腔A、下腔B和工作缸4外部的储油腔C通过中空活塞杆1及底阀9相连通。活塞8中设置有通流面积很小的常通孔F，主要通过中空活塞杆1壁上的小孔D及环行流道E将上腔A和下腔B连通。活塞8在缸筒内往复运动时，电流变液体通过流道E时可产生设定的阻尼力。

图7-27 汽车用电流变液体阻尼缸减振器

1—中空活塞杆 2—密封圈 3—弹簧 4—工作缸 5—尼龙套 6—密封圈 7—芯棒 8—活塞 9—底阀 A—上腔 B—下腔 C—储油腔 D—小孔 E—环形流道 F—常通孔

电流变液体减振器的阻尼调节机构如图7-27所示，中空活塞杆1中有一个芯棒7，芯棒7两端分别通过尼龙套5和螺纹固定在中空活塞杆1上。中空活塞杆1内壁和芯棒7形成环行间隙，将高电压加在芯棒7上，中空活塞杆1接地。这样芯棒7和中空活塞杆1内圆表面构成的空间便形成了高电场。通电状态下，电流变液体流经高压电场时，流动阻力增大，从而增大了上腔A和下腔B之间的压差，减振器的阻尼力也相应增大。总之，电源电压变化时电流变液体的流动阻力也随之变化，使上腔A和下腔B之间的压差发生变化，并表现为减振器阻尼力的变化。因此，电源电压的连续变化可导致减振器阻尼力的连续变化。活塞8在工作缸4内往复运动时，如果芯棒7上不加电压，或电流变液体由于电场实效时，芯棒7和中空活塞杆1构成的环行间隙只作为一般的通道，电流变液体可以在减振器上腔A和下腔B之间自由流动，减振器仍可按传统的液压减振器正常工作，仅阻尼较低而已。

该减振器的加电方式比较新颖，高压电加在芯棒上，电线一端通过螺钉固定在芯棒7上，并经中空活塞杆1引出，另一端与高压电源直接相连。绝缘是通过尼龙套和尼龙垫片实现的。这样，该电流变液体减振器可以通过外加电场的控制提供相应的阻尼力，以满足车辆行驶平顺性和安全性的要求。