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磁流变液阻尼器活塞设计参数对磁力之影响特性冲全文冲20130917

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Doug Yang-Hsu Liao
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第 20 屆計算流體力學研討會 南投，中華民國 102 年 8 月 21-23 日 20th National Computational Fluid Dynamics Conference Nantou, August 21-23, 2013 2 磁流變液阻尼器活塞設計參數對磁力之影響特性 廖揚旭 1 , 朱家葆 1 ,謝宗翰 1* ,林坤淵 2 1 逢甲大學航太與系統工程學系 2 超卓股份股份有限公司 摘要 本研究主要利用有限元素法探討磁流變液阻尼器中活塞機構的相關設計參數對所產生的磁力之影響。 本文使用雙端(double end)活塞設計式之阻尼器設計，亦即該設計為具有兩活塞桿(piston rod)的型式， 其優點為無需另一緩衝腔室。本文之主要研究重點包含前、後活塞桿材質、活塞桿與活塞頭(piston head) 中間通孔直徑大小等幾何參數的影響。並深入探討感磁材料(AISI 1215 低碳鋼)與非感磁材料(304 不鏽 鋼)，以及探討活塞桿與活塞頭中通孔直徑 2mm 與 6 mm 等幾何參數對於磁力的影響特性。其中，通 孔直徑大小將直接影響到製造方法與成本。在感磁線圈設計上則使用 AWG #24，於活塞頭纏繞 133 圈，並通以 1A 之電流；分析模擬上也使用 1/4 之軸對稱簡化模型。研究結果顯示，當兩活塞桿與活 塞頭都使用 AISI 1215 之感磁材料時，同孔直徑大小對於活塞頭主要感磁之凸緣(flange)處的磁通量密 度與徑向的磁合力並無明顯差異；而當將活塞桿與活塞頭中間通孔都為 6 mm 時，由比較前後活塞桿 使用低碳鋼與不鏽鋼之差異的結果顯示，使用不感磁之不銹鋼可使活塞頭凸緣處之磁通密度與徑向磁 合力明顯提升，其值分別由 0.397 T 提升為 0.458 T、6.454 N 提升為 8.936 N。 關鍵字：活塞凸緣、磁通量密度、徑向磁合力 一、 前言 台灣位屬環太平洋地震帶以及颱風常發生之區 域，上述超高/高層建物以及高架式建設面對如此 的天然災害，如何有效防護以及減少震動以避免 人員生命財產損失是當前急需解決之問題。 除建築物的減震問題外，在日常生活中也有許多 產品擁有相同的情形。例如汽機車的行駛穩定性 、引擎震動、洗烘衣機等，都需要良好的減震設 計以達舒適、低噪音的使用感覺，並藉此提高產 品的性能以及使用壽命。 本研究主要為利用有限元素法針對磁流變阻尼 器中的活塞頭與活塞桿設計進行參數研究，比較 在活塞桿桿中通孔大小與改變活塞桿材料性質 對磁流變液阻尼器的性能之影響差異。 二、 模型、邊界條件與網格 2.1 活塞幾何與尺寸與材料性質 本研究所使用之分析模型，如圖 1 所示，為一雙 端式活塞設計。主要改變活塞桿中間的通孔直徑 與更換活塞頭與活塞桿之材料性質，活塞桿通孔 直徑分別為 2mm 及 6mm；材料性質比較則分成 感磁材料的低碳鋼(AISI 1215)與非感磁性材料的 不鏽鋼(SUS 304)兩種。 2.2 感磁線圈設計參數 感磁線圈設計上則使用 AWG #24，於活塞頭纏繞 133 圈，並通以 1A 之電流。 2.3 網格 為減少計算時間與負荷，本研究使用 1/4 軸對稱 模型。網格使用則以高階六面非結構性網格為主 。 * 通訊作者: 謝宗翰 副教授 聯絡方式: E-mail: thshieh@fcu.edu.tw; TEL: (04)24517250~3960
第 20 屆計算流體力學研討會 南投，中華民國 102 年 8 月 21-23 日 20th National Computational Fluid Dynamics Conference Nantou, August 21-23, 2013 3 三、 結論 3.1 設計參數研究分析 磁流變阻尼運作原理是透過活塞頭之幾何設計 ，通以電流後對阻尼通道中的磁流變液體產生磁 感效果增加阻尼力。因此，在有限元模擬分析結 果中本研究將針對阻尼通道中活塞頭凸緣處之 磁通量密度及活塞頭凸緣的徑向磁合力強弱，進 行結果分析比較。分析中活塞頭的相關尺寸與參 數，以及活塞桿外觀尺寸均不改變。 圖 2 至圖 4 為活塞頭、活塞桿、磁流變液磁通 量密度分布圖。圖 2 活塞桿通孔直徑為 2mm，圖 3 活塞桿通孔直徑為 6mm，圖 2 及圖 3 活塞桿與 活塞頭之材質均為感磁材料，圖 4 活塞桿通孔直 徑為 6mm，活塞桿與活塞頭之材質為非感磁材料 。 由圖 2 及圖 3 清楚觀察到當活塞桿與活塞凸緣 的材質為感磁材料時，若將活塞桿通孔直徑從 2mm 增大為 6mm 後，磁流變液通道活塞凸緣處 磁 通 量 密 度 從 原 本 0.3977T 、 0.3975T 變 成 0.3967T、0.3980T，磁通量密度改變不大，亦即 活塞桿通孔直徑大小的變化對活塞凸緣處之感 磁效果影響甚小。由圖 3 與圖 4 清楚觀察到活 塞桿通孔直徑為 6mm 時，將材質從活塞桿與活 塞頭之材質從感磁材料變成非感磁材料後，活塞 凸緣處之磁通量密度從原本 0.3967T、0.3980T 提 升至 0.4585T、0.4585T，由結果顯示出非感磁材 料的活塞桿可有效提升磁流變液通道在活塞凸 緣處之磁通量密度；這可能是由於非感磁材料的 活塞桿可減少磁漏現象的發生，讓活塞頭上線圈 通電後產生的磁場影響集中於活塞頭。 由圖 4 可清楚觀察上述活塞桿與活塞頭之磁通 量分布情形，發現只有活塞頭有磁場通過，而活 塞桿幾乎無磁場通過，亦即無產生磁漏現象；而 當活塞桿為感磁材料時(如圖 2、圖 3)，在活塞 頭與活塞桿接觸之地方會有磁場通過，產生磁漏 現象，進而造成活塞凸緣處磁通量密度降低。比 較圖 2 及圖 3，發現通孔直徑 6mm 的活塞桿比通 孔直徑 2mm 的活塞桿產生較大範圍的感磁現象 ，但是對於磁通量的影響效果並不大；若考慮加 工與組裝因素，通孔直徑 6mm 在製造上較 2mm 之設計來的容易。 圖 5 至圖 7 為活塞頭凸緣徑向磁合力分布結果 圖。圖 5 之活塞桿為感磁材料其通孔直徑 2mm、 圖 6 之活塞桿為感磁材料其通孔直徑為 6mm、圖 7為活塞桿通孔直徑為6mm其材質是非感磁材料 。 由圖 5 與圖 6，清楚觀察到當活塞桿與活塞凸緣 的材質為感磁材料時，將活塞桿通孔直徑從 2mm 增大為 6mm 後，活塞凸緣處徑向磁力分佈範圍 從原本4.837e-3N~9.787e-3N(合力約6.455N)變成 4.837e-3N~9.786e-3N(合力約 6.454N)，徑向磁合 力只有些微的下降，亦即，活塞桿通孔直徑大小 改變對徑向磁合力影響甚小與上述磁通量密度 分佈結果一致。 由圖 6 與圖 7，可清楚觀察到若活塞桿通孔直徑 均為 6mm 時，將材質從感磁材料變成非感磁材 料後，活塞凸緣處之徑向磁力分佈範圍從原本 4.837e-3N~9.786e-3N( 合 力 約 6.454N) 提 升 至 6.448e-3N~1.288e-2N(合力約 8.936N)，結果呈現 在活塞桿設計上若採用非感磁材料有助於提升 活塞凸緣處之徑向磁合力，此結果也與上述磁通 量密度大小分佈情形一致。 3.2 結論 由本研究之結果發現，當活塞桿通孔直徑變大， 磁流變液通道活塞凸緣處之磁通量密度與活塞 凸緣徑向磁合力之變化量甚小，磁通量密度變化 幅度為 0.1%，徑向磁合力變化幅度更小，只有 0.006%；但是若將材質從感磁材料變成非感磁材 料，則磁流變液通道活塞凸緣處之磁通量密度與 活塞凸緣之徑向磁合力均有明顯變化，磁通量密 度提升 15%，徑向磁合力提升 38%。 誌謝 本文研究結果由超卓股份有限公司之補助支持 下得以順利完成之協助使本文能順利完成，謹致 感謝之意。 圖 1 活塞頭與活塞桿組立圖
第 20 屆計算流體力學研討會 南投，中華民國 102 年 8 月 21-23 日 20th National Computational Fluid Dynamics Conference Nantou, August 21-23, 2013 4 圖 2 活塞桿通孔直徑 2mm，活塞桿均為感磁材 料，活塞頭、活塞桿、磁流變液磁通量密度分布 圖。活塞凸緣磁流通道處磁通量密度約為 0.397 [T] 圖 3 活塞桿通孔直徑 6mm，活塞桿均為感磁材 料，活塞頭、活塞桿、磁流變液磁通量密度分布 圖。活塞凸緣磁流通道處磁通量密度約為 0.397 [T] 圖 4 活塞桿通孔直徑 6mm，活塞桿均為非感磁 材料，活塞頭、活塞桿、磁流變液磁通量密度分 布圖。活塞凸緣磁流通道處磁通量密度約為 0.458 [T] 圖 5 活塞桿通孔直徑 2mm，感磁材料，活塞凸 緣徑向磁合力分布圖 圖 6 活塞桿通孔直徑 6mm，感磁材料，活塞凸 緣徑向磁合力分布圖 圖 7 活塞桿通孔直徑 6mm，非感磁材料，活塞 凸緣徑向磁合力分布圖

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  • 2. 第 20 屆計算流體力學研討會 南投，中華民國 102 年 8 月 21-23 日 20th National Computational Fluid Dynamics Conference Nantou, August 21-23, 2013 3 三、 結論 3.1 設計參數研究分析 磁流變阻尼運作原理是透過活塞頭之幾何設計 ，通以電流後對阻尼通道中的磁流變液體產生磁 感效果增加阻尼力。因此，在有限元模擬分析結 果中本研究將針對阻尼通道中活塞頭凸緣處之 磁通量密度及活塞頭凸緣的徑向磁合力強弱，進 行結果分析比較。分析中活塞頭的相關尺寸與參 數，以及活塞桿外觀尺寸均不改變。 圖 2 至圖 4 為活塞頭、活塞桿、磁流變液磁通 量密度分布圖。圖 2 活塞桿通孔直徑為 2mm，圖 3 活塞桿通孔直徑為 6mm，圖 2 及圖 3 活塞桿與 活塞頭之材質均為感磁材料，圖 4 活塞桿通孔直 徑為 6mm，活塞桿與活塞頭之材質為非感磁材料 。 由圖 2 及圖 3 清楚觀察到當活塞桿與活塞凸緣 的材質為感磁材料時，若將活塞桿通孔直徑從 2mm 增大為 6mm 後，磁流變液通道活塞凸緣處 磁 通 量 密 度 從 原 本 0.3977T 、 0.3975T 變 成 0.3967T、0.3980T，磁通量密度改變不大，亦即 活塞桿通孔直徑大小的變化對活塞凸緣處之感 磁效果影響甚小。由圖 3 與圖 4 清楚觀察到活 塞桿通孔直徑為 6mm 時，將材質從活塞桿與活 塞頭之材質從感磁材料變成非感磁材料後，活塞 凸緣處之磁通量密度從原本 0.3967T、0.3980T 提 升至 0.4585T、0.4585T，由結果顯示出非感磁材 料的活塞桿可有效提升磁流變液通道在活塞凸 緣處之磁通量密度；這可能是由於非感磁材料的 活塞桿可減少磁漏現象的發生，讓活塞頭上線圈 通電後產生的磁場影響集中於活塞頭。 由圖 4 可清楚觀察上述活塞桿與活塞頭之磁通 量分布情形，發現只有活塞頭有磁場通過，而活 塞桿幾乎無磁場通過，亦即無產生磁漏現象；而 當活塞桿為感磁材料時(如圖 2、圖 3)，在活塞 頭與活塞桿接觸之地方會有磁場通過，產生磁漏 現象，進而造成活塞凸緣處磁通量密度降低。比 較圖 2 及圖 3，發現通孔直徑 6mm 的活塞桿比通 孔直徑 2mm 的活塞桿產生較大範圍的感磁現象 ，但是對於磁通量的影響效果並不大；若考慮加 工與組裝因素，通孔直徑 6mm 在製造上較 2mm 之設計來的容易。 圖 5 至圖 7 為活塞頭凸緣徑向磁合力分布結果 圖。圖 5 之活塞桿為感磁材料其通孔直徑 2mm、 圖 6 之活塞桿為感磁材料其通孔直徑為 6mm、圖 7為活塞桿通孔直徑為6mm其材質是非感磁材料 。 由圖 5 與圖 6，清楚觀察到當活塞桿與活塞凸緣 的材質為感磁材料時，將活塞桿通孔直徑從 2mm 增大為 6mm 後，活塞凸緣處徑向磁力分佈範圍 從原本4.837e-3N~9.787e-3N(合力約6.455N)變成 4.837e-3N~9.786e-3N(合力約 6.454N)，徑向磁合 力只有些微的下降，亦即，活塞桿通孔直徑大小 改變對徑向磁合力影響甚小與上述磁通量密度 分佈結果一致。 由圖 6 與圖 7，可清楚觀察到若活塞桿通孔直徑 均為 6mm 時，將材質從感磁材料變成非感磁材 料後，活塞凸緣處之徑向磁力分佈範圍從原本 4.837e-3N~9.786e-3N( 合 力 約 6.454N) 提 升 至 6.448e-3N~1.288e-2N(合力約 8.936N)，結果呈現 在活塞桿設計上若採用非感磁材料有助於提升 活塞凸緣處之徑向磁合力，此結果也與上述磁通 量密度大小分佈情形一致。 3.2 結論 由本研究之結果發現，當活塞桿通孔直徑變大， 磁流變液通道活塞凸緣處之磁通量密度與活塞 凸緣徑向磁合力之變化量甚小，磁通量密度變化 幅度為 0.1%，徑向磁合力變化幅度更小，只有 0.006%；但是若將材質從感磁材料變成非感磁材 料，則磁流變液通道活塞凸緣處之磁通量密度與 活塞凸緣之徑向磁合力均有明顯變化，磁通量密 度提升 15%，徑向磁合力提升 38%。 誌謝 本文研究結果由超卓股份有限公司之補助支持 下得以順利完成之協助使本文能順利完成，謹致 感謝之意。 圖 1 活塞頭與活塞桿組立圖
  • 3. 第 20 屆計算流體力學研討會 南投，中華民國 102 年 8 月 21-23 日 20th National Computational Fluid Dynamics Conference Nantou, August 21-23, 2013 4 圖 2 活塞桿通孔直徑 2mm，活塞桿均為感磁材 料，活塞頭、活塞桿、磁流變液磁通量密度分布 圖。活塞凸緣磁流通道處磁通量密度約為 0.397 [T] 圖 3 活塞桿通孔直徑 6mm，活塞桿均為感磁材 料，活塞頭、活塞桿、磁流變液磁通量密度分布 圖。活塞凸緣磁流通道處磁通量密度約為 0.397 [T] 圖 4 活塞桿通孔直徑 6mm，活塞桿均為非感磁 材料，活塞頭、活塞桿、磁流變液磁通量密度分 布圖。活塞凸緣磁流通道處磁通量密度約為 0.458 [T] 圖 5 活塞桿通孔直徑 2mm，感磁材料，活塞凸 緣徑向磁合力分布圖 圖 6 活塞桿通孔直徑 6mm，感磁材料，活塞凸 緣徑向磁合力分布圖 圖 7 活塞桿通孔直徑 6mm，非感磁材料，活塞 凸緣徑向磁合力分布圖