人人文库网 > 图纸下载 > 毕业设计 > 汽车半主动悬架磁流变减震器的设计及仿真【优秀】【带proe三维图】【word+12张CAD图纸全套】【毕设】

鉴定意见.doc

汽车半主动悬架磁流变减震器的设计及仿真【优秀】【带proe三维图】【word+12张CAD图纸全套】【毕设】

资源目录

汽车半主动悬架磁流变减震器的设计及仿真【优秀】【带proe三维图】【word+12张CAD图纸全套】【毕设】.rar

中期检查表_pdf.doc---(点击预览)

proe三维图

db111.prt.1

dd33.prt.1

dxt111.prt.1

hstao333.prt.1

hzt33.prt.1

ld111.prt.1

t10t2222.prt.1

t11t11111.prt.1

t12t111.prt.1

t2t3333.prt.1

t3t222222222.prt.1

t4t1111.prt.1

t5t2222.prt.1

t66t111.prt.1

t8t111.prt.1

t9t111.prt.1

zong3333.asm.1

zongpst.asm.1

文档副本

压缩包内文档预览：

编号：306659 类型：共享资源大小：11.68MB 格式：RAR 上传时间：2014-08-09 上传人：QQ14****9609 IP属地：陕西

50
积分

版权申诉 word格式文档无特别注明外均可编辑修改；预览文档经过压缩，下载后原文更清晰！ 立即下载

关键词：: 汽车半主动悬架磁流变减震器设计仿真

资源描述：

基于磁流变减振器的汽车半主动悬架研究

汽车半主动悬架磁流变减震器的设计及仿真【优秀】【带proe三维图】【word+12张CAD图纸全套】【毕业设计】

【带任务书+开题报告+鉴定意见+评阅表】【43页@正文24600字】【详情如下】【需要咨询购买全套设计请加QQ1459919609】

中期检查表_pdf.doc

任务书.doc

唐利群零件图

图纸合计12张.dwg

开题报告.doc

文档副本

正文.doc

评阅表.doc

鉴定意见.doc

湘潭大学

毕业论文（设计）任务书

论文（设计）题目：

磁流变液半主动悬挂系统的设计及系统模型仿真

指导教师：朱石沙

一、主要内容及基本要求

查阅相关文献资料，基本掌握磁流变液半主动悬挂系统的原理，以微型轿车作为控

制对象，对磁流变液半主动悬架系统进行整体结构设计、并进行系统模型的仿真。

要求：

1、查阅相关资料，大致了解本次设计要研究的具体内容；

2、若干图纸；大于等于 2.0张 A0图纸（如 UG）

3、撰写毕业设计说明书。

4、外文文献翻译，字数 3000字以上。

二、重点研究的问题

磁流变液半主动悬架系统的结构设计。

磁流变液半主动悬架系统的结构设计

写出初稿，中期检查

修改，写出第二稿

写出正式稿

答辩

四、应收集的资料及主要参考文献

[1]机械设计（第八版）/濮良贵，纪名纲；西北工业大学-北京：高等教育出版社，2006.5

[2]现代工程图学.周良德，朱泗方，杨世平.主编-长沙：湖南科学技术出版社，2008.8

[3]机械设计手册.邦椿主编:机械工业出版社,2010.1

[4]汽车构造.普通高等教育“十一五”国家级规划教材：机械工业出版，2011.3

[5]汽车减震器的设计与特性仿真/周长城著.-北京：机械工业出版社，2014.4

[6]廖昌荣.汽车悬架系统磁流变阻尼器研究[D].重庆大学,2001

[7]张绍龙.汽车悬架系统特性建模方法研究[D].吉林大学,2011.

[8]余淼.汽车磁流变半主动悬架控制系统研究[D].重庆大学,2003.

摘要 ...............................................................................I

第 1章绪论 .......................................................................1

1.1课题研究背景与意义.............................................................1

1.2磁流变液以及磁流变效应.........................................................2

1.3磁流变液的工作模式.............................................................3

1.4磁流变液阻尼器国内外的研究情况.................................................4

1.5本文研究的主要内容.............................................................5

第 2章磁流变减震器阻尼器力学模型 .................................................7

2.1引言...........................................................................7

2.2阻尼力学模型...................................................................7

2.3结构参数对阻尼力的影响........................................................12

2.4本章小结......................................................................13

第 3章磁流变阻尼器设计 ..........................................................14

3.1结构设计......................................................................14

3.2磁路设计......................................................................23

3.3磁流变减震器细节问题的探讨....................................................28

3.4本章小结......................................................................29

第四章磁流变减震器的外特性仿真 ...................................................30

4.1拉伸行程时的建模及仿真........................................................30

4.2压缩行程时的建模及仿真........................................................33

4.3本章小结......................................................................35

第 5章总结与展望 ...................................................................36

5.1总结..........................................................................36

5.2展望..........................................................................36

致谢 ...............................................................................37

参考文献 ...........................................................................38

汽车半主动悬架磁流变减震器的设计及仿真

摘要

汽车悬架系统是汽车的重要组成部分，而采用磁流变液作为工作介质的减震器是当前汽车减震器研究的重点内容。磁流变液作为新型智能材料应用于减震器上克服了传统减震器反应不够迅速、能耗大的缺憾。磁流变减震器的结构简单、响应快、控制简单，它能根据车辆行走的实际路面工况进行实时可变调节，满足了人们对汽车乘坐安全性、舒适性以及炒作稳定性的要求。

本文结合微型汽车磁流变半主动悬架减震器的设计研究上，设计了一款由活塞组件构成的滑阀式减震器，并对该减震器建立了阻尼力学模型，还采用matlab对外特性进行了模拟仿真。本文主要从以下几个内容进行了设计：

首先，分析了针对磁流变液建立了三种不同的工作模式，并对每种模式进行分析，通过对其工作模式的力学模型进行结构参数的分析，再结合本次设计的减震器的结构，建立了属于本减震器结构的阻尼力学模型，为减震器的外特性仿真奠定了很好的基础。其次，对减震器进行了结构的设计，为解决磁流变减震器的空间体积与有效阻尼通道之间的矛盾，在不增加减震器空间体积的情况下，设计了一款活塞组件组成的滑阀式减震器。并为所设计的减震器提出了需要探讨的问题。最后，对所设计减震器进行外特性仿真，通过外特性仿真，证明了本次设计的减震器的阻尼力可调倍数与磁流变液剪切屈服应力的关系。

关键词：磁流变减震器；阻尼力学模型；有效阻尼通道；仿真；阻尼力可调倍数

第1 章绪论

1.1课题研究背景与意义

21世纪，是高速发展的世纪。人类的生活无论在精神上还是物质上发生着质的飞越。在物质上汽车成了人类生活不可或缺的交通与运输工具。随着人类生活水平的不断提

高，对汽车舒适性与安全性的要求也越来越高，人们希望汽车能根据行驶速度以及路面状况等行驶条件的变化而进行自动调节，而传统的汽车悬架系统已经不能满足人类生活对乘坐舒适性与安全性的要求。因此，对汽车半主动悬架系统的研究显得及为重要。

汽车悬架的类型按照阻尼与刚度的变化情况，可以分类为被动悬架、主动悬架与半主动悬架。被动悬架采用的是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可以调的，依照随机振动理论只能保证在特定的路况下达到比较好的效果，故而局限性比较大。主动悬架它可以根据路面工况自动地调整悬架的刚度和阻尼，从而达到使车辆能主动地控制车身或车架的姿态及其垂直振动。因此，在目前情况下车辆悬架主要还采用主动悬架。半主动悬架是指悬架弹性元件刚度和减振器阻尼力之一或两者均可根据需要进行调节的悬架。由于半主动悬在控制能力上接近于主动悬架，能量损耗小，成本低，且结构简单，因而将是未来研究与发展的重点。在半主动悬架系统中半主动悬架分为阻尼可调与刚度可调两大类。目前，以对阻尼控制的研究居多。阻尼可调的控制又可分为有级可调式和连续可调式，有级可调式半主动悬架的阻尼系数只能够取几个离散的阻尼值，而连续可调式的半主动悬架的阻尼系数在一定的范围内可以连续变化。连续可调式的减振器可采取减振液粘性调节和节流孔径调节，使用黏度连续可调节的电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无的级变化是当前世界所研究的热点。而节流孔径调节的主要是节流阀结构过于复杂，导致制造成本高。电流变液体在外加电场的作用下，其流体材料性能，如粘度、剪切强度等会发生变化，将其作为减振液只需要通过改变电场的强度，使电流变液体的粘度发生了改变，从而达到改变减振器的阻尼力的目的。电流变减振器的有点在于：其阻尼可以随电场强度的改变而改变，无需要高精度的节流阀就能达到效果，且结构简单，因而制造成本较低。此外，电流液变不存在液压阀冲击产生的振动与噪声，不也需要非常复杂的驱动机构，是一个非常好的选择。然而电流变液体也存在较多的问题，其温度工作范围不宽，电致屈服强度小，零电场粘偏高，悬浮液中基础液体与固体颗粒之间比重相差较大，沉降稳定性差、对杂质敏感等等均难以适应减震器需要长期稳定工作的特性。磁流液变的减震器是新型半主动悬架系统的新发展空间，它根据车辆运行的实际路况进行阻尼力及时调整，使得汽车悬架达到乘坐舒适性和操作稳定性之间的协调。磁流变液减震器受到学术界和工业界的广泛关注。

参考文献

[1]彭来森.基于磁流变阻尼器的车辆半主动悬架控制研究[D].广州:华南理工大学, 2010.

[2]潘明峰.磁流变液减振控制系统的设计与研究[D].北京理工大学硕士论文，2008

[3]欧进萍.结构振动控制:主动、半主动和智能控制[M].北京:科学出版社，2003.

[4]周云，谭平.磁流变阻尼器控制理论与技术[M].北京：科技出版社，2007.

[5]孙文策，李元明.工程流体力学[M].大连:大连理工出版社，2003.

[6]Ralf Bolter.Design Rules for MR FluidActuators in Different Working Modes[J].SPIE，

1997,30:148-159.

[7]熊超,申小海.磁流变器件设计中的关键技术[J] .磁性材料及器件，2008，8(3)：36-51.

[8]国家机械工业局.QC/T 491-1999汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件[S]，1999.

[9]刘奇，张平，王东亚.磁流变体(MRF)材料的制备及性能研究[M] .功能材料，2001.

[10]兰文奎.磁流变减震器设计与实验研究[D] .重庆大学，2007.

[11]许立，许守泽，朱龙昌.新编电工材料手册[M] .广东:科技出版社，2004.

[12]廖昌荣，余森，杨建春，陈伟民，黄尚廉.汽车磁流变减振器设计中值得注意的若干技术问题[M].

汽车技术，2001.

[13]孙鸿.磁流变减振器设计及控制系统仿真[D].吉林大学硕士论文，2003.

[14]林其壬，赵佑民.磁路设计原理[M].北京:机械工业出版社，1987.

[15]黄志刚，毛志怀.减振器的外特性计算与实验研究[J].机械设计与制造.2002,12（6）:91-95.

[16]王炅,黄文良.磁流变阻尼器动力学模型及其应用[J].弹道学报,2003,15(1):46-50.

360桌面截图20140809194223.gif

360桌面截图20140809194255.gif

360桌面截图20140809194309.gif

360桌面截图20140809194441.gif

360桌面截图20140809200059.gif

360桌面截图20140809200133.gif

360桌面截图20140809201740.gif

内容简介：: 湘潭大学机械工程学院毕业论文（设计）工作中期检查表湘潭大学机械工程学院毕业论文（设计）工作中期检查表系机械工程专业机械设计制造及其自动化班级一班姓名唐利群学号 2010500302 指导教师朱石沙指导教师职称教授题目名称磁流变液半主动悬挂系统的设计及系统模型仿真题目来源科研企业其它课题名称汽车半主动悬架磁流变阻尼器设计及优化题目性质工程设计理论研究科学实验软件开发综合应用其它资料情况 1、选题是否有变化有否 2、设计任务书有否 3、文献综述是否完成完成未完成 4、外文翻译完成未完成由学生填写经细心研究，收集与课题相关的资料；认真分析磁流变减震器的结构特点，确定了总体的设计方案，确定主要参数设计及优化方法，并翻译了相关英文资料。正在准备进行参数设计计算及优化；编写毕业设计论文。由老师填写工作进度预测（按照任务书中时间计划）提前完成按计划完成拖后完成无法完成工作态度（学生对毕业论文的认真程度、纪律及出勤情况）：认真较认真一般不认真质量评价（学生前期已完成的工作的质量情况）优良中差存在的问题与建议：指导教师（签名）：年月日建议检查结果：通过限期整改缓答辩系意见：签名：年月日注：1、该表由指导教师和学生填写。 2、此表作为附件装入毕业设计（论文）资料袋存档。湘湘潭潭大大学学毕业论文（设计）任务书毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：磁流变液半主动悬挂系统的设计及系统模型仿真学号：2010500302姓名：唐利群专业：机械设计制造及其自动化指导教师：朱石沙系主任：一、主要内容及基本要求查阅相关文献资料，基本掌握磁流变液半主动悬挂系统的原理，以微型轿车作为控制对象，对磁流变液半主动悬架系统进行整体结构设计、并进行系统模型的仿真。要求：1、查阅相关资料，大致了解本次设计要研究的具体内容；2、相关参数；减震器的理论阻尼力速度（m/s）减震器的阻尼力0.05212.4-455.6N0.1349.2-764.6N0.3515.4-1262.7N3、若干图纸；大于等于 2.0 张 A0 图纸（如 UG）4、撰写毕业设计说明书。5、外文文献翻译，字数 3000 字以上。二、重点研究的问题磁流变液半主动悬架系统的结构设计。三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查阅资料、调研第 1-2 周2开题报告、制订设计方案第 3 周3方案（设计）第 4-5 周4磁流变液半主动悬架系统的结构设计第 6-7 周5写出初稿，中期检查第 8-9 周6修改，写出第二稿第 10-11 周7写出正式稿第 12-13 周8答辩第 14 周四、应收集的资料及主要参考文献1机械设计（第八版）/ 濮良贵，纪名纲；西北工业大学-北京：高等教育出版社，2006.52现代工程图学.周良德，朱泗方，杨世平.主编-长沙：湖南科学技术出版社，2008.83机械设计手册.邦椿主编:机械工业出版社,2010.14汽车构造.普通高等教育“十一五”国家级规划教材：机械工业出版，2011.35汽车减震器的设计与特性仿真/周长城著.-北京：机械工业出版社，2014.46廖昌荣. 汽车悬架系统磁流变阻尼器研究D.重庆大学,20017张绍龙. 汽车悬架系统特性建模方法研究D.吉林大学,2011.8 余淼. 汽车磁流变半主动悬架控制系统研究D.重庆大学,2003. 湘潭大学机械工程学院机械工程学院本科毕业设计（论文）开题报告题题目目磁流变液半主动悬挂系统的设计及系统模型仿真姓姓名名唐利群学号学号 2010500302 专专业业机械设计制造及其自动化班级班级一班指导教师指导教师朱石沙职称职称教授填写时间填写时间 2012 年 3 月 12 日 20122012 年年 3 3 月月 2 说说明明 1根据湘潭大学毕业设计(论文)工作管理规定，学生必须撰写毕业设计（论文）开题报告，由指导教师签署意见，系主任批准后实施。 2开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。 3毕业设计(论文)开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。 4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于 2000 字。 5开题报告检查原则上在第 24 周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。 6. 填写说明： (1) 课题性质：可填写 A工程设计；B论文；C. 工程技术研究；E.其它。 (2) 课题来源：可填写 A自然科学基金与部、省、市级以上科研课题；B企、事业单位委托课题；C校级基金课题；D自拟课题。 (3) 除自拟课题外，其它课题必须要填写课题的名称。 (4) 参考文献不能少于 10 篇。 (5) 填写内容的字体大小为小四，表格所留空不够可增页。 3 本科毕业设计本科毕业设计(论文论文)开题报告开题报告学生姓名学生姓名唐利群学学号号 2010500302 专专业业机械设计制造及其自动化指导教师指导教师朱石沙职职称称教授所在所在系系机电系课题来源课题来源科研课题课题性课题性质质工程设计课题名称课题名称磁流变液半主动悬挂系统的设计及系统模型仿真一、选题的依据、课题的意义及国内外基本研究情况一、选题的依据、课题的意义及国内外基本研究情况选题依据选题依据：汽车作为一种重要的交通、运输工具，已经随着社会的发展逐渐融入人们的生活中，同时，汽车的安全性、舒适性与稳定性等方面的性能也逐渐受到消费者的关注，使其成为人们用来衡量汽车性能的重要因素。为此 ,研究汽车行驶地舒适性和安全性是一项长期研究的课题。课题的意义课题的意义：16 世纪的四轮载人和载货马车为解决“路上感觉非常颠簸”的问题，将车厢用皮带吊在底盘的 4 跟柱子上。因为车厢是悬挂在底盘上的，所以人们渐渐将其称为“悬架” ，并沿用至今，以描述整个一类的解决方案。车厢吊起式的悬架还不是一个真正的弹簧系统，但它确实使车厢与车轮的运动分开来。半椭圆形的弹簧设计迅速取代了皮带式的悬架，并广泛用于两轮或四轮载人载货马车上。但它容易造成前后晃动且重心较高。当动力汽车面世时，人们陆续开发出其他更高效的弹簧系统，使乘客享有更平稳的行驶感觉。悬挂是汽车的车架与车桥或车轮之间的一切传力连接装置的总称，悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。悬架决定着车辆的操纵稳定性、乘坐舒适性和行驶安全性，是现代汽车十分重要的部件之一。典型的汽车悬挂结构由弹性元件、减震器以及导向机构等组成，这三部分分别起缓冲，减振和力的传递作用。绝大多数悬挂多具有螺旋弹簧和减振器结构，但不同类型的悬挂的导向机构差异却很大，这也是悬挂性能差异的核心构件。 4 弹性元件：弹性元件用来承受并传递垂直载荷、缓和不平路面、紧急制动、加速和转弯引起的冲击或车身位置的变化。常见的弹性元件包括钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、油气弹簧、空气弹簧和橡胶弹簧。减震器：减振器用来衰减由于弹性系统引起的振动。减振器的类型有筒式减振器、阻力可调式减振器和充气式减振器。用于限制弹簧的自由振荡，提高乘坐舒适性。导向装置：导向装置用来使车轮按一定运动轨迹相对车身运动，同时起传递力作用。通常导向装置由控制摆臂式杆件组成，有单杆式和连杆式的。钢板弹簧作为弹性元件时，它本身兼导向作用，可不另设导向装置。用于使上述部件定位，并控制车轮的横向和纵向运动。横向稳定器：横向稳定器也归属于导向装置。在有些轿车和客车上，为防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中加设有横向稳定杆，目的是提高侧倾刚度，使汽车具有不足转向特性，改善汽车的操纵稳定性和行驶平顺性。用于防止汽车横向摆动。汽车的 4 个轮是在两个独立系统上协同工作的，其中两个车轮通过前轴连接，另外两个通过后轴连接，也就是说，汽车可以通常在前后轴上具有不同的悬架类型，即车轮可以通过刚性轴连接在一起，也可以各自独立运动。因此，根据汽车导向机构不同，悬架系统可分为独立悬架系统和非独立悬架系统。根据阻尼和刚度是否随行驶条件的变化而变化，悬架系统又可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种。独立悬架系统是每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬架系统悬架在车架或车身下面的。其优点是：质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；可用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性；可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性；左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。不过，独立悬架系统存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点，同时因为结构复杂，会侵占一些车内乘坐空间。 5 非独立悬架系统的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架系统悬架在车架或车身的下面。非独立悬架系统具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但由于其舒适性及操纵稳定性都相对较差，在现代轿车中只有成本控制比较严格的车型才会使用，更多的用于货车和大客车上。被动悬架：被动式悬架的定义是，汽车姿态(状态)只能被动取决于路面、行驶状况和汽车的弹性元件、导向装置以及减振器这些机械零件。是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可调的，依照随机振动理论，它只能保证在特定的路况下达到较好效果。传统的被动悬架只能保证在一种特定道路和速度下达到性能最优状态，它的阻尼和刚度参数一般按经验设计或优化设计方法选择，一经选定，在车辆行驶过程中就无法进行调节，因而不能适应车辆参数、运行工况等的复杂多变。在某个特定工况下按目标优化出的被动悬架系统，一旦载荷、车速和路况等发生变化，悬架在新的工况下便不再是最优。主动悬架：可以根据路面和行驶工况自动调整悬架的刚度和阻尼，从而使车辆能主动地控制垂直振动及其车身或车架的姿态。该系统通常由传感器、控制阀、执行机构和悬架系统组成。半主动悬架：是指悬架弹性元件刚度和减振器阻尼力之一或两者均可根据需要进行调节的悬架。由于半主动悬架在控制品质上接近于主动悬架，且结构简单，能量损耗小，成本低，因而具有巨大的发展潜力。 6 随着生活水平的不断提高，用户对汽车舒适性的要求也越来越高，传统的汽车悬架系统已不能满足人们的要求。人们希望汽车车身的高度、悬架的刚度、减振器的阻尼大小能随汽车行驶速度以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节，从而达到乘坐舒适性的提高。因此对半主动悬架系统的研究显得尤为重要。半主动悬架系统：半主动悬架分为刚度可调和阻尼可调两大类。目前，在半主动悬架的控制研究中，以对阻尼控制的研究居多。阻尼可调半主动悬架又可分为有级可调半主动悬架和连续可调半主动悬架，有级可调半主动悬架的阻尼系数只能取几个离散的阻尼值，而连续可调半主动悬架的阻尼系数在一定的范围内可连续变化。有级可调减振器阻尼可在 2-3 档之间快速切换，切换时间通常为 10-20ms。有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀，使通流面积在最大、中等或最小之间进行有级调节。通过减振器顶部的电机控制旋转阀的旋转位置，使减振器的阻尼在“软、中、硬”三档之间变化。有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单，但在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性。连续可调减振器连续可调减振器的阻尼调节可采取以下两种方式：节流孔径调节：早期的可调阻尼器主要是节流孔可实时调节的油液阻尼器。通过步进电机驱动减振器的阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面积来改变阻尼，节流阀可采用电磁阀或其它形式的驱动阀来实现。这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高。减振液粘性调节：使用黏度连续可调的电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无级变化，是当前的研究热点。电流变液体在外加电场作用下，其流体材料性能，如剪切强度、粘度等会发生显著的变化，将其作为减振液，只需通过改变电场强度，使电流变液体的粘度改变，就可改变减振器的阻尼力。电流变减振器的阻尼可随电场强度的改变而连续变化，无须高精度的节流阀，结构简单，制造成本较低，且无液压阀的振动、冲击与噪声，不需要复杂的驱动机构，作为半主动悬架的执行器是一个非常好的选择。但电流变液体存在较多的问题，其电致屈服强度小，温度工作范围不宽，零电场粘度偏高，悬浮液中固体颗粒与基础液体之间比重相差较大，易分离、沉降稳定性差，对杂质敏感等难以适应减震器长期稳定工作的需要。电流变减震器在国外已经有一些产品问世，如德国的商业电流变液与电流变减震器及美国的相关产品等。磁流变液体是指在外加磁场的作用下，流变材料性能发生急剧变化的流体。通过控制磁场强度，可实现磁流变减振器阻尼的连续、无级调节。磁流变减振器具有电流变减振器相似的特点，磁流变液是一种由细小的磁性颗粒悬浮于绝缘介质中形成的液体。其黏度随着外加磁场强度的增加而递增，直至半固态，而一旦外加磁场消失，它又自行恢复原状，整个过程可在毫秒级时间内完成。美国 Lord 公司、福特公司、德国 BASF 等纷纷投入巨资进行了研究，如 Lord 公司开发的磁流变液 MRX-126PD，采用单出杆活塞缸结构设计的磁流变减振器已用于大型载货汽车半主动悬架减振系统。 7 流变液与磁流变液半主动悬架系统，它们都能满足汽车工作要求。但在屈服应力、温度范围、塑性粘度和稳定性等性能方面，磁流变液体强于电流变液体。自上世纪四十年代磁流变液的出现至今，由于其具有的独特性能，一直是智能材料领域的研究热点，应用范围也随着相关理论的完善而逐渐扩大。悬架系统是汽车中连接车身和车轮的一个重要结构组成。目前基于磁流变减振器的半主动悬架被视为最具发展潜力的一种半主动悬架，已成为当今国内外学者的研究热点。而半主动控制策略是热点中的焦点，因此，研究设计性能稳定、易于实现的半主动控制策略具有重要的理论和现实意义。目前车辆振动控制方法中传统的被动控制虽然结构简单、易于实现,但由于其性能不可调,无法满足不同工况下的减振需求。主动控制直接以一个作动器取代被动悬架中的弹簧和阻尼元件,研究表明其具有很好的减振效果。但是由于主动控制系统的结构复杂、成本高、能耗大和失效安全性差等原因,迄今为止仍未得到广泛应用。半主动控制既具有结构简单、成本低、功耗低等类似于被动控制的优点,又能达到接近主动控制的控制效果,并且失效安全性高,是目前车辆振动控制领域中颇具应用前景智能控制方法。对于半主动悬架,作动器和控制理论是两个重要的核心。作动器是半主动悬架中最重要的执行器件,近年来,随着智能材料的飞速发展,各种新型半主动作动器相继问世,其中又以磁流变阻尼器最受瞩目,由于其具有响应迅速、性能连续可调并且对温度与杂质不敏感等诸多优点。与此同时,控制理论也从经典控制理论,发展到现代控制理论和智能控制理论阶段。磁流变阻尼器的问世和控制理论的发展共同推动了半主动悬架的前进。国内外基本研究情况国内外基本研究情况: : 半主动悬架的概念首先由 Crosby 和 Karnopp 于 1973 年提出，Karnopp 还提出天棚阻尼控制模型和实现方法。直到 20 世纪 80 年代初期才有试验性的产品问世，但它投入应用的速度比主动悬架快得多。随着电子技术和计算机技术的发展，半主动悬架逐步从实验室走向工厂。 1975 年，Margolis 等人提出了“开关”控制的半主动悬架，1983 年日本丰田汽车公司开发了具有3 种减振工况的 “开关” 式半主动悬架，并应用于 ToyotaSoarer280GT型轿车上。 1986 年，KimBrough 在半主动悬架控制方法中引入了 Lyapunov 方法，改进了控制算法的稳定性。 1988 年日本日产公司首次将“声纳”式半主动悬架系统应用于 Maximas 轿车上，它可预测路面信息，悬架减振器有“柔和” 、 “适中”和“稳定”3 种选择状态。 20 世纪 90 年代以后，研究的显著特点是新型智能材料在半主动悬架上的运用。 1994 年，Prinkos 等人使用电流变和磁流变体作为工作介质，研究了新型半主动悬架系统。 2002 年，采用美国德尔福(Delphi)公司磁流变减振器的 MagneRide 半主动悬架系统应用在 Cadillac Seville STS 高档车上，此悬架系统能根据行驶情况自动改变减振阻尼。 8 2003 年，韩国学者 Jeong-Hoi Koo 设计并加工了磁流变减振器，对该磁流变减振器进行了四种控制策略的仿真试验和台架试验。 2006 年，Memet Unsal 等建立了六自由度汽车动力学模型，并进行磁流变减振的半主动控制研究。 2007 年，D.C.Batterbee 等基于 1/4 汽车动力学模型采用 Dspace 硬件在环仿真技术对磁流变减振器进行相关实验研究。 2007 年，马里兰大学为火炮反后座装置设计出了两褶环形间隙节流阀 MRF 减振器。美国 Lord 公司、德尔福公司和福特公司等也已经开发出商业产品。不仅如此，磁流变减振器系统已经投入到了实车，Delphi 公司开发的磁流变悬架控制系统 Magnetic Ride Control System 已应用在实车上，它的磁流变液体能在 lms 之内响应，因而比以前传统可调减振器系统快 5 倍以上。我国在磁流变减振器的研究上也做了大量的工作，取得了一定的成就。国家仪表功能材料研究中心研制的磁流变液体，其剪切屈服应力基本达到美国 hrd 公司的产品水平。许多学者进行了悬架磁流变减振器的设计与研究，但目前仅仅停留在了实验研究阶段，如上海交大的曹民、喻凡，西安交大的倪建华等分别设计了悬架用磁流变减振器，并进行了实验研究，得到了较为满意的效果。目前，我国磁流变半主动悬架的研究已经起步，并有越来越多多的研究单位和企业加入进来。其中香港中文大学、复旦大学、南京航空航天大学、西安交通大学和重庆大学等高校的工作比较有代表性。香港中文大学智能材料与结构实验室 C.Y.Lai 和 W.H.Laio 利用 Lord 公司开发的磁流变阻尼器研究了单自由度悬架系统的振动控制，重庆大学对磁流变阻尼器的流变理论和设计方法进行了深入的研究，解决了磁流变阻尼器磁路设计和结构设计中的相关技术问题，研制出了微型汽车磁流变阻尼器，并在国家客车质量监测中心进行了测试，为汽车磁流变阻尼器的开发和应用奠定了理论和技术基础。 9 二、研究内容、预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案和主二、研究内容、预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案和主要措施要措施研究内容研究内容: : 基本掌握磁流变液半主动悬挂系统的原理，以微型轿车作为控制对象，对磁流变减震器进行结构设计，并选择模糊控制方法，在 Simulink 中对半主动悬架进行模拟仿真。预期达到的目标预期达到的目标: : 半主动悬架的车身加速度在模糊控制方法下得到很好的控制，改善了平顺性；缩短了悬架行程，能有效预防悬架与限位块相撞造成操纵稳定性下降。对减震器进行结构设计。确定减震器各零件的材料以及尺寸，在初步确定了磁流变减震器的各个参数后，对其进行二维图与三维图的绘制。在 Simulink 中对半主动悬架进行模拟仿真。关键理论和技术关键理论和技术: : 针对车辆悬架系统的非线性,以车辆半主动悬架智能控制为研究对象,基于磁流变阻尼器模型和二自由度四分之一车辆悬架模型,建立磁流变半主动悬架模型。针对减振器的动态阻尼力呈现非线性关系,包括磁滞现象和饱和现象,建立磁流变阻尼器力学模型。技术指标技术指标: : (1)建立 1/2 轿车行驶系统的平顺性模型，推出响应量的频率响应函数及其均方根值。 (2)对直线行驶工况进行划分，并进行模拟仿真分析，据此确定可调减震器的软阻尼值。 (3)对减震器建立阻尼力学模型，对减震器的结构进行参数设计，并对其进行二维图与三维图的绘制。此外，在 Simulink 中对半主动悬架进行模拟仿真。技术参数技术参数：减震器的理论阻尼力速度（m/s）减震器的阻尼力 0.05 212.4-455.6N 0.1 349.2-764.6N 0.3 515.4-1262.7N 完成课题的方案和主要措施完成课题的方案和主要措施: : 1.主要工作分以下几方面进行：（1）搜集资料，了解国内外研究发展情况，分析我国现在面临的问题，找出解决问题的对策。（2）总体方案设计，包括方案的提出与确定，方案的实现，必要的设计计算以及必要的校核。（3）完成对半主动悬架的运动仿真及减震器的结构设计，画出减震器的二维三维视图，并完成设计说明书等。 2.总体方案及功能的实现：半主动悬架是汽车悬架的发展方向，它在改善汽车的乘坐舒适性和提高操纵稳定性方面有很好的效果。 10 因此，为了设计出更好的悬架系统。首先对悬架的分类进行分析比较，对面临的问题进行分析。进而选定磁流变半主动悬架系统作为需要设计的悬架类型，对悬架的组成结构进行分析。选定对磁流变半主动悬架中减震器的结构进行设计。通过对磁流变的原理分析，建立阻尼力学模型，查阅机械设计手册对磁流变减震器进行结构设计。对减震器的设计参数进行优化并在 Matlab/simulink 中进行模拟仿真。确定减震器各零件设计参数后，用 Pro/E 或者 solid edge 绘制出三维图，并导出二维图。 11 三、主要特色及工作进度三、主要特色及工作进度主要特主要特色：在基于磁流变半主动悬架系统中,对磁流变减震器进行结构设计优化。针对减震阻尼器的非线性特点,对其进行结构参数优化设计及运动仿真。工作进度：工作进度：收集查阅了有关磁流变减震器的设计背景资料，制定了设计提纲和计划，研究了设计方案并初步确定最终方案，对所要求软件进行了初步的学习，对 matlab 和 pro/e等软件有了进一步的理解。第一周到第二周，收集查阅了设计背景资料，查阅相关资料，制定了设计提纲和计划，研究了设计方案并初步确定最终方案，对所要求软件进行了初步的学习。第三周到第四周，进行磁流变液半主动悬架系统的方案设计第六周到第七周，进行磁流变液半主动悬架系统中磁流变阻尼器的结构设计；第八周到第九周，写出初稿，进行中期检查；第十周到十一周，修改，之后写出第二稿；第十二周到十三周，写出正式稿；第十四周，完成设计任务并进行答辩。机构运动简图机构运动简图图中 m1为簧上质量，m2为簧下质量， k2为悬架刚度，c2为悬架阻尼系数， k1为轮胎刚度，z0为路面不平度， z1为车轮位移，z2为车身位移。 12 四、主要参考文献四、主要参考文献 1 闻邦椿.机械设计手册:机械工业出版社,2010.1 2汽车构造.普通高等教育“十一五”国家级规划教材：机械工业出版，2011.3 3濮良贵，纪名纲.机械设计（第八版）. 北京：西北工业大学-高等教育出版社，2006.5 4周良德，朱泗方，杨世平.现代工程图学.长沙：湖南科学技术出版社，2008.8 5周长城.汽车减震器的设计与特性仿真.北京：机械工业出版社，2014.4 6廖昌荣. 汽车悬架系统磁流变阻尼器研究D.重庆大学,2001 7张绍龙. 汽车悬架系统特性建模方法研究D.吉林大学,2011. 8余淼. 汽车磁流变半主动悬架控制系统研究D.重庆大学,2003. 9潘明峰.磁流变液减振控制系统的设计与研究.北京理工大学硕士论文.2008 10欧进萍.结构振动控制:主动、半主动和智能控制M.北京:科学出版社，2003 11 彭来森. 基于磁流变阻尼器的车辆半主动悬架控制研究D. 广州: 华南理工大学, 2010 指导教指导教师师意意见见指导教师签名：指导教师签名：年年月月日日系意见系意见系主任签名：系主任签名：年年月月日日院意见院意见教学院长签名：教学院长签名：年年月月日日湘潭大学湘潭大学毕业设计说明书毕业设计说明书题题目目: 汽汽车半主动悬架磁流变车半主动悬架磁流变减震减震器器的的设计及设计及仿真仿真学学院：院：机械工程学院机械工程学院专专业：业：机械设计制造及其自动化一班机械设计制造及其自动化一班学学号：号： 2010500302 2010500302 姓姓名：名：唐利群唐利群指导教师：指导教师：朱石沙朱石沙完成日期：完成日期： 20142014 年年 5 5 月月湘湘潭潭大大学学毕业论文（设计）任务书毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：磁流变液半主动悬挂系统的设计及系统模型仿真学号： 2010500302 姓名：唐利群专业：机械设计制造及其自动化指导教师：朱石沙系主任：一、主要内容及基本要求查阅相关文献资料，基本掌握磁流变液半主动悬挂系统的原理，以微型轿车作为控制对象，对磁流变液半主动悬架系统进行整体结构设计、并进行系统模型的仿真。要求： 1、查阅相关资料，大致了解本次设计要研究的具体内容； 2、相关参数；减震器的理论阻尼力速度（m/s）减震器的阻尼力(N) 0.05 212.4-455.6 0.1 349.2-764.6 0.3 515.4-1262.7 3、若干图纸；大于等于 2.0 张 A0 图纸（如 UG） 4、撰写毕业设计说明书。 5、外文文献翻译，字数 3000 字以上。二、重点研究的问题磁流变液半主动悬架系统的结构设计。三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间 1 查阅资料、调研第 1-2 周 2 开题报告、制订设计方案第 3 周 3 方案（设计）第 4-5 周 4 磁流变液半主动悬架系统的结构设计第 6-7 周 5 写出初稿，中期检查第 8-9 周 6 修改，写出第二稿第 10-11 周 7 写出正式稿第 12-13 周 8 答辩第 14 周四、应收集的资料及主要参考文献 1机械设计（第八版）/ 濮良贵，纪名纲；西北工业大学-北京：高等教育出版社，2006.5 2现代工程图学.周良德，朱泗方，杨世平.主编-长沙：湖南科学技术出版社，2008.8 3机械设计手册.邦椿主编:机械工业出版社,2010.1 4汽车构造.普通高等教育“十一五”国家级规划教材：机械工业出版，2011.3 5汽车减震器的设计与特性仿真/周长城著.-北京：机械工业出版社，2014.4 6廖昌荣. 汽车悬架系统磁流变阻尼器研究D.重庆大学,2001 7张绍龙. 汽车悬架系统特性建模方法研究D.吉林大学,2011. 8 余淼. 汽车磁流变半主动悬架控制系统研究D.重庆大学,2003. 目录目录摘要 . I ABSTRACT . II 第 1 章绪论 . 1 1.1 课题研究背景与意义 . 1 1.2 磁流变液以及磁流变效应 . 2 1.3 磁流变液的工作模式 . 3 1.4 磁流变液阻尼器国内外的研究情况 . 4 1.5 本文研究的主要内容 . 5 第 2 章磁流变减震器阻尼器力学模型 . 7 2.1 引言 . 7 2.2 阻尼力学模型 . 7 2.3 结构参数对阻尼力的影响 . 12 2.4 本章小结 . 13 第 3 章磁流变阻尼器设计 . 14 3.1 结构设计 . 14 3.2 磁路设计 . 23 3.3 磁流变减震器细节问题的探讨 . 28 3.4 本章小结 . 29 第四章磁流变减震器的外特性仿真 . 30 4.1 拉伸行程时的建模及仿真 . 30 4.2 压缩行程时的建模及仿真 . 33 4.3 本章小结 . 35 第 5 章总结与展望 . 36 5.1 总结 . 36 5.2 展望 . 36 致谢 . 37 参考文献 . 38 附录 1：译文 . 39 附录 2：英文原文 . 44 I 汽车汽车半主动悬架半主动悬架磁流变磁流变减震器减震器的的设计设计及及仿真仿真摘要摘要汽车悬架系统是汽车的重要组成部分，而采用磁流变液作为工作介质的减震器是当前汽车减震器研究的重点内容。磁流变液作为新型智能材料应用于减震器上克服了传统减震器反应不够迅速、能耗大的缺憾。磁流变减震器的结构简单、响应快、控制简单，它能根据车辆行走的实际路面工况进行实时可变调节，满足了人们对汽车乘坐安全性、舒适性以及炒作稳定性的要求。本文结合微型汽车磁流变半主动悬架减震器的设计研究上，设计了一款由活塞组件构成的滑阀式减震器，并对该减震器建立了阻尼力学模型，还采用 matlab 对外特性进行了模拟仿真。本文主要从以下几个内容进行了设计：首先，分析了针对磁流变液建立了三种不同的工作模式，并对每种模式进行分析，通过对其工作模式的力学模型进行结构参数的分析，再结合本次设计的减震器的结构，建立了属于本减震器结构的阻尼力学模型，为减震器的外特性仿真奠定了很好的基础。其次，对减震器进行了结构的设计，为解决磁流变减震器的空间体积与有效阻尼通道之间的矛盾，在不增加减震器空间体积的情况下，设计了一款活塞组件组成的滑阀式减震器。并为所设计的减震器提出了需要探讨的问题。最后，对所设计减震器进行外特性仿真，通过外特性仿真，证明了本次设计的减震器的阻尼力可调倍数与磁流变液剪切屈服应力的关系。关键词关键词：磁流变减震器；阻尼力学模型；有效阻尼通道；仿真；阻尼力可调倍数 II The Design And Simulation of Automotive Semi-active Suspension Magnetorheological Shock Absorber A ABSTRACTBSTRACT Automotive Suspension System is an important part of the car, while using the magneto-rheological fluid as the working medium in damper is the current study focused on the content of automotive shock absorbers. Magnetorheological fluid as a novel intelligent material used in damper shock absorbers which overcomes the traditional slow response, large energy shortcomings. Magnetorheological damper has a simple structure, fast response, simple control features that can be adjusted according to actual road of walking, meet people ride on car safety, comfort and speculation stability requirements. In this paper, using Mini-car semi-active suspension magnetorheological damper design and research, I designed a spool-type damper which constituted by the piston assembly， establishing a the shock absorber damping mechanical model, using the Matlab simulation software to simulate external characteristics. This paper mainly from the following contents were designed: First, For MRF three operating modes were analyzed，by analysis of structural parameters on the mechanical model of operating modes, combined with the design of the structure of the shock absorber, established a structure belonging to the shock absorber damping mechanical model for the simulation of the external characteristics of the shock absorber has laid a good foundation. Secondly, the structural design of shock absorber to solve the contradiction between the spatial volume of the magnetorheological shock absorber and effective damping between channels, without increasing the volume of the shock absorber spaces, the design consists of a piston assembly spool type shock absorber. And the need to explore the issues raised was designed shock absorbers. Finally, the shock absorber are designed to simulate the external characteristics, and then the external characteristics of the simulation proved that the design of the damping force of the shock absorber with adjustable multiple magnetorheological fluid shear yield stress relationship. Keywords: MRF shock absorbe; Damping mechanical mode; Effective damping channel; Emulation；Adjustable damping force multiples 1 第第 1 1 章章绪论绪论 1.11.1 课题研究背景课题研究背景与意义与意义 21 世纪，是高速发展的世纪。人类的生活无论在精神上还是物质上发生着质的飞越。在物质上汽车成了人类生活不可或缺的交通与运输工具。随着人类生活水平的不断提高，对汽车舒适性与安全性的要求也越来越高，人们希望汽车能根据行驶速度以及路面状况等行驶条件的变化而进行自动调节，而传统的汽车悬架系统已经不能满足人类生活对乘坐舒适性与安全性的要求。因此，对汽车半主动悬架系统的研究显得及为重要。汽车悬架的类型按照阻尼与刚度的变化情况，可以分类为被动悬架、主动悬架与半主动悬架。被动悬架采用的是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可以调的，依照随机振动理论只能保证在特定的路况下达到比较好的效果，故而局限性比较大。主动悬架它可以根据路面工况自动地调整悬架的刚度和阻尼，从而达到使车辆能主动地控制车身或车架的姿态及其垂直振动。因此，在目前情况下车辆悬架主要还采用主动悬架。半主动悬架是指悬架弹性元件刚度和减振器阻尼力之一或两者均可根据需要进行调节的悬架。由于半主动悬架在控制能力上接近于主动悬架，能量损耗小，成本低，且结构简单，因而将是未来研究与发展的重点。在半主动悬架系统中半主动悬架分为阻尼可调与刚度可调两大类。目前，以对阻尼控制的研究居多。阻尼可调的控制又可分为有级可调式和连续可调式，有级可调式半主动悬架的阻尼系数只能够取几个离散的阻尼值，而连续可调式的半主动悬架的阻尼系数在一定的范围内可以连续变化。连续可调式的减振器可采取减振液粘性调节和节流孔径调节，使用黏度连续可调节的电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无的级变化是当前世界所研究的热点。而节流孔径调节的主要是节流阀结构过于复杂，导致制造成本高。电流变液体在外加电场的作用下，其流体材料性能，如粘度、剪切强度等会发生变化，将其作为减振液只需要通过改变电场的强度，使电流变液体的粘度发生了改变，从而达到改变减振器的阻尼力的目的。电流变减振器的有点在于：其阻尼可以随电场强度的改变而改变，无需要高精度的节流阀就能达到效果，且结构简单，因而制造成本较低。此外，电流液变不存在液压阀冲击产生的振动与噪声，不也需要非常复杂的驱动机构，是一个非常好的选择。然而电流变液体也存在较多的问题，其温度工作范围不宽，电致屈服强度小，零电场粘度偏高，悬浮液中基础液体与固体颗粒之间比重相差较大，沉降稳定性差、对杂质敏感等等均难以适应减震器需要长期稳定工作的特性。磁流液变的减震器是新型半主动悬架系统的新发展空间，它根据车辆运行的实际路况进行阻尼力及时调整，使得汽车悬架达到乘坐舒适性和操作稳定性之间的协调。磁流变液减震器受到学术界和工业界的广泛关注。 2 磁流变液与电流变液都有各自的优点，从材料特性看它们均能满足人们对汽车的要求。但在温度范围、屈服应力、塑性粘度和沉降稳定性等性能方面，磁流变液体强于电流变液体，因而，半主动悬架系统减震器研究的新方向朝向了磁流变液减震器。 1.21.2 磁流变液以及磁流变效应磁流变液以及磁流变效应 1.2.1.2.1 1 磁流变液定磁流变液定义义磁流变液英文名为 Magnetorheological Fluid , 简称 MR 流体。是智能材料中研究的重点。磁流变液是由低磁滞性、高磁导率的微小软磁性颗粒和基液、非导磁性的液体稳定剂混合而成的悬浮体。磁流变液在没有外加磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性；而在加以高强度的磁场的作用下，呈现出高粘度、低流动性的 Bingham 体特性。磁流变液在外加磁场的作用下，能够产生非常明显的磁流变液效应(英文为：Magnetorheological Effect，简称为：MRE)。流体的屈服应力和表观粘度可以有 23 个数量级的变化，表现为与固体相似的性质。当撤消外加磁场时，磁流变液流体又恢复到原来的流动性质，这种性质，即在固态和液态之间进行可逆的快速转，且这种转换是在以毫秒为量级单位的时间内完成的。由于磁流变液的响应快、可逆性好、以及可通过调节外加磁场的大小来控制结构的力学性能的连续变化，因而近年来在许多领域得到广泛应用。 1.1.2 2.2.2 磁流变效应磁流变效应及其流变机理及其流变机理磁流变效应：在无磁场的作用下磁流变液表现为牛顿流体的特性。其剪切应力与粘度、剪切率成正比；在外加磁场的作用下，磁流变液表现为 Bingham 流体特性，其剪切应力由液体的屈服应力和粘滞力两部分组成。其流变特性表现为：屈服应力随着磁场强度的增加而单调增加，即屈服应力与磁场强度成一定比例；当液体的粘度保持不变的情况下，而外加磁场达到某一临界值时，磁流变液将达到固化而停止继续流动，当撤消外加的磁场时，它又恢复到原来的流体状态，这一过程的变化仅为几个毫秒。这种随着外加磁场强度的变化而不断改变流变特性的现象，即为磁流变效应。磁流变的流变机理：在没有外加磁场作用时，磁流变液中的微小软磁性微粒的分布呈现出杂乱无章的状态；而在有外加磁场作用时，磁流变液中的微小软磁性微粒呈现出非常有序、沿着磁场方向分布排列的现象，这种排列在中等磁场时呈链状当磁场强度不断增大时，便成了链束状，在两极板之间形成粒子链，流变机理如图 1-1 所示。 3 图 1-1 磁流变液的流变机理1 1.2.1.2.3 3 磁流变液性能要求磁流变液性能要求具有良好使用性能的磁流变液应满足以下性能要求2： l)磁场作用下应具有较高的屈服应力； 2)零场作用下具有较低的粘度，在没有磁场作用下磁流变液能够自由流动; 3)具有较宽的工作温度范围，磁流变液在-40-150范围内能够正常工作,具有良好的稳定性； 4)长期的沉降稳定性和凝聚稳定性,在磁场和搅拌作用下能恢复到原来的性能； 5)较好的化学稳定性,以确保磁流变阻尼器长期可靠的使用； 6)响应时间短,磁流变液对控制系统作用的响应时间为毫秒数量级； 7)与密封件不发生化学反应,确保长期使用不出现腐蚀现象； 8)对环境无毒无害,应为属于环保产品范畴。 1.2.1.2.4 4 磁流变减振器磁流变减振器汽车半主动悬架磁流变减振器是以磁流变液作为工作介质的一种新型智能阻尼可控减振器。是当前世界上电控半主动悬架的重要组成部分，它基于磁流变液体的磁流变效应，通过调节励磁线圈中的励磁电流达到控制磁场强度的目的，进而控制磁流变液在阻尼通道中的流动特性，从而达到阻尼力的控制。 1.31.3 磁流变液的工作模式磁流变液的工作模式磁流变液的运动方式一般可用图 1-2 所示的平行板间的几种不同运动形式来进行模拟3。这几种运动形式分别为：流动式、剪切式、挤压式。流动模式如下图 1-2（a）中所示，表示为两极板没有相对运动，磁流变液只在压力的作用下以速度 v 流过极板间。剪切模式如下图 1-2（b）中所示，表示为两极板具有相对运动，产生一个相对速度 v 平行移动。挤压模式如下图 1-2（c）中所示，在两个无穷大的极板间，垂直极板施加一定 4 图 1-2 减震器内磁流变液的工作模式3 大小的作用力，使得上下极板以相对速度 v 相互远离或靠近。在磁流变减震器中，由于阻尼通道长度远远大于阻尼通道的间隙宽度，因而可用上述无限大平板间的运动模式来进行描述。一般汽车上的磁流变减震器，它的工作模式均基于流动模式或同时具有流动模式和剪切模式的混合模式。 1.41.4 磁流变液阻尼器国内外的研究情况磁流变液阻尼器国内外的研究情况 1.4.1 1.4.1 国际对磁流变液的研究情况国际对磁流变液的研究情况磁流变液的研究是在电流变液的基础上发展起来的，一般认为在 20 世纪 40 年代末期 Winslow 发现了电流变液的现象，而现在普遍公认的最早关于磁流变液的工作始于美国的 Jacob Rabinow。在上世纪 40 年代末至 50 年代初， Rabinow 发现了磁流变效应并开始专研磁流变液在离合器上的应用。自从 20 世纪 80 年代以来，世界各国都有许多的科研机构相继研发磁流变技术相关器件与系统，从而产生了针对不同应用对象多种多样的的磁流变阻尼器。对磁流变材料的开发与研究最具世界领先地位的非美国 Lord 公司莫属，从 1996 年开始，Lord 就相继申请了磁流变减振器、阻尼器、离合器等等多项专利，到目前为止已有多款磁流变产品投入并使用。在实际应用中，20 世纪 90 年代美国零部件制造商 Delphi 便研究利用磁流变材料制造新了一代的减震器，并于 2006 年，与 Lord 公司合作后推出 Magne Ride 主动电磁悬挂。该系统减震器、控制器、位移速度传感器组成4。汽车四个车轮上都安装有一个位移传感器，它可将车身的位移、速度、加速度等信号及时传入到控制器中，控制器则根据设定好的控制策略对线圈电流进行调节，从而使汽车悬架系统根据路面工况的实时变化提供连续可变的输出阻尼力。这种磁流变减震器可以提高轮胎与路面的附着力，因每个轮胎上均安装有减震器，因而对每个车轮所受到的冲击力进行单独的减振，并且能很大程度地衰减车辆侧倾、颠颇；与传统常用的液力减振器相比，去除了内部阀门等许多活动部件，结构上更为简单，易于控制，具有迅速的响应速度，并且工作可靠性也得到 5 极大的提高。工作的时候，利用电极来改变减震筒内微小软磁性粒子的排列形状，从而可以改变悬挂系统的硬度和阻尼力，控制感测的电脑可在 1 秒的时间内连续反应 1000次，是目前全球阻尼控制悬挂系统中反应速度最快的。目前这种磁流变减震器已开始应用于奥迪 TT、R8、讴歌 MDX、别克 Lucerne、凯迪拉 DTS、SLR、SRX、STS 和法拉利 599GTB 等车型。除了公司对磁流变进行研究与开发外，世界上各大高校也对其进行了研究。比如美国马里兰大学，他们开发了充气补偿式磁流变减振器，能在-40至 70的温度下工作，其线圈输入电压为 12V，线圈电阻为 5 欧。该阻尼器为单筒式结构，阻尼力调节范围在350N 到 1500N 之间。 2002 年，美国 Fremont.CA 和 Shawn.P.Kelso 发明了一种新型的磁流变减震器，其特别之处在于阻尼通道位于在活塞的外表面，且呈不规则的 S 型，这种设计增加了磁场强度作用下的有效的阻尼通道长度，从而增大了减震器阻尼力的调节范围。此外，类似的设计还有美国 Reno.Nv 、Everet.O.Ericksen 以及 Faramarz Gordaninejad 共同设计的环形阻尼通道磁流变减震器，它也增大了有效阻尼通道的长度，对减震器的可调阻尼范围的提高非常有利。除美国外，韩国 Seung-Bok Choi 提出并开发了一种双筒式的减震器，此款阻尼通道位于工作缸的两端、补偿器为旁置式，补偿器内有隔离膜片便于油气隔离。这种减震器是专门为客车设计的，同时Seung-Bok Choi还为该减震器设计了基于天棚阻尼的PID 控制器。对该减震器进行实车测试表明，这种减震器在客车的舒适性的提高上有很大的作用。 2001 年磁流变减震器开始装备在第一辆凯迪拉克赛威轿车上，随后更是把它应用在豪华 SUV、SRX 和雪佛兰克乐维特跑车上，2009 年的 CTSV 同样也有装备有。但MRC 电磁主动悬挂的实力一直没有像奔驰、宝马那些空气、液压主动悬挂受人关注，但随着法拉利 599GT B 和奥迪 TT 等高性能车开始采用磁流变减震器悬挂，人们才突然发现它的厉害。 1.4.2 1.4.2 国内对磁流变液的研究情况国内对磁流变液的研究情况在我国，全国各大高校如浙江大学、南京航空航天大学、国家仪表功能材料工程研究中心、重庆大学等是最先对磁流变液进行研究的科研单位。比如重庆大学的廖昌荣、兰文奎、余淼等人研究与探讨了磁流变减震器设计的若干问题，对磁流变减震器的研究开发提出了理论指导，此外他们还针对长安微型汽车设计了一种汽车磁流变减震器。利用阻尼通道中两种流动模型对磁流变液的影响进行了流动分析，并对减震器进行了性能测试；哈尔滨工业大学的高芳、欧进萍等人对磁流变减振器做了很多理论上与实际应用上的研究，建立了多种阻尼力模型，并为减震器提出了试验测试方法。合肥工业大学的 6 易勇、陈杰平、乔印虎等人在分析磁流变减振器工作模式的基础上，结合汽车减振器的工作特性要求，完成了流动模式和混合模式磁流变减振器的结构设计，建立了流动模式和混合模式下的数学模型，进行了相关的仿真优化，设计出了实际产品并进行了试验测试研究。言而总之，我国磁流变减振器的设计和研究由于开始地较晚，还停留在理论及试验测试的研究阶段，目前国内绝大多数的研究重心都落在控制方法策略的研究上，且还没有形成完整的设计理论方法，远未达到实际应用的程度。向国际学习先进的技术，缩短国内外在磁流变减振器与汽车悬架系统的技术与研究上的差距，对提高我国汽车技术的创新与自主研发能力具有非常重大的意义。 1.51.5 本文研究的主要内容本文研究的主要内容本课题针对微型汽车的半主动悬架系统，开发设计了一款新型滑阀式结构的磁流减震器，并对其进行了外特性的仿真研究。该减震器与已有的磁流变减震器相比，在不增大减震器空间尺寸的前提下，通过改变有效阻尼通道的结构，增加了阻尼通道长度，从而增大了减震器的阻尼出力值，提高了减振性能；并对磁流变减震器的磁路结构进行了设计，优化了减震器内部的磁路分布。对该磁流变减震器进行建模，通过 Matlab/Simulink 进行外特性仿真，考察磁流变减震器的性能。本论文研究内容主要有以下几个方面：（1）分析磁流变减震器的工作原理和模式，针对三种不同的工作模式建立了减震器的阻尼力模型，分析减震器主要的结构参数对性能的影响，为减震器的结构设计和磁路设计奠定基础。（2）对减震器进行结构设计和磁路设计。结构设计包括各个零部件的尺寸设计、材料选择以及设计时需要注意的各种问题；磁路设计主要包括磁芯材料的选择、磁路参数的确定以及磁路的结构设计计算。在初步确定了磁流变减震器的每个参数后，对其进行二维图及三维图的绘制。（3）在 matlab/ Simulink 中对所设计的减震器进行外特性的模拟仿真。本文的创新点：通过阅读大量关于汽车减震器的设计资料，如从中国知识网、专利之星、道客巴巴等上阅读前人所做的研究，设计出了属于自己创新出的减震器。此款减震器有别于传统的减震器一条阻尼通道的设计，设计了压缩、拉伸行程时不同的阻尼通道，在不增大减震器体积的情况下，能有效抑制复原空程，并能在失电状态下，继续保持一定的减震性能。 7 第第 2 2 章章磁流变减震器阻尼磁流变减震器阻尼器器力力学学模型模型 2.12.1 引言引言磁流变阻尼器结构参数理想设计的前提就是建立起磁流变减震器的力学模型，为实现理想可调的阻尼力变化，而设计的有效的控制器，是为达到良好的汽车半主动悬架系统的控制的关键因素之一。但是由于磁流变减震器的力学性能受到外加磁场(励磁电流)、激励频率与位移幅值等的影响，流变后的磁流变液的动态本构关系呈现出比较复杂的非线性关系，比如磁滞现象、饱和现象。这给建立一个准确的减震器阻尼力模型带来了一定的困难。因而，有必要基于试验测试结果来建立新的磁流变减震器的的阻尼力学模型。 2.2.2 2 阻尼力阻尼力学学模型模型磁流变液的流变特性表现为：当没有外加磁场时，磁流变液表现为牛顿流体的特性；当有外加磁场存在时，表现出 Bingham 流体特性。流体的流变特性通常可用力与剪切应力的本构方程来描述。本构方程是指在不同物理条件下，通过实验的方法，用应力或应变、时间等物理量来描述流体所处的状态，从而得到一个应力-应变-时间的关系。不同的磁性流体表现出的流变特性也就不同。因而，需要采用不同的本构方程对流体特性进行描述。在磁场作用下的 Bingham 塑性流体模型通常采用 Bingham 本构方程进行描述4。 .sgny （2-1）其中是剪切应力，y是磁流变液的屈服应力由外加磁场决定，。是磁流变液的剪，切应变率 sgn 是符号函数，表示。的方向，是磁流变液的塑性粘度。 2.2.2 2.1.1 流动流动模式下的模式下的减震器阻尼力模型减震器阻尼力模型在上一章的 1.3 节中简单地介绍了磁流变液的流动模式，这种模式下当磁流变液以速度 v 流经阻尼间隙在压差迫使下产生磁流变效应，如图 2-1 所示。当磁流变液在压差p 下流动时，不考虑对流和液体自身重力，根据 N-S 方程，磁流变液沿轴向，即如图所示的 x 方向上的压力梯度与剪应力的关系如下5： 8 cdyddxdp （2-2）式中 c 为常数。图 2-1 流动模式下磁流变液在平板中的流动和速度分布因为流体的流动沿着平行平板的中间对称面即 y=0 处对称，所以在 y=0 处液体剪切应力为 0。则式（2-2）可写成如下： ydxdp （2-3）式(2-3)表明，在如图 2-1 所示的平板间隙内，磁流变液的剪切应力在 y 方向上呈线性变化，在极板中心处剪切应力最小为零，越靠近上下两平板剪切应力越大。随着剪切力的不断增大，当与磁流变液的剪切屈服应力y相等时，磁流变液发生屈服，此时流体流动的压差称为临界压差，表达式为： hydxdp2 （2-4）由上面的分析可知，越靠近两极板剪切应力越大，因而，在两极板附近，剪切力首先达到上述临界值，磁流变液开始屈服。而在靠近 y=0 处，剪切应力最小，部分流体还未达到临界剪切应力，故而做轴向运动，该处流体的厚度为： dxdpyhc12 （2-5）此可见，两个临界可将流速的分布划分为三个区域，如图 2-1 所示。区域 2 内的流体做轴向流动，而区域 1、3 内的流体则处于屈服阶段，这两处的流体满足 Bingham 特性，因此将式（2-3）代入式（2-1）所述的 Bingham 的本构方程内，得区域 1 和区域 3处的速度微分方程： yydxdpdydu （2-6） 9 解该微分方程，得这 1、3 区域内任意点的轴向速度为： yhyyhdxdpux22222 （2-7）由于平板间隙远远小于平板大小，因而，可以将平板内流体的流速认为是相同的，因此区域 2 内的速度也以可根据上式求得。故而，将式（2-5）代入式（2-7）中，得到区域 2 内流体的速度表达式为： yhdxdpdxdpuyc2281 （2-8）流体在间隙内的流速分布情况可以用式（2-7）、（2-8）描述。根据流体体积流速 Q与速度、极板宽度的关系，可得到流体的体积流速 Q： lphlphyypbQ33223341212 （2-9）当磁流变液以 Q 流过间隙时，两端压差为： hlpyphyhblQp334311312 （2-10）式中为流体粘度，l为长度。式（2-10）反映了间隙处压差p、流体体积流速 Q、剪切屈服应力y之间的关系。对于屈服前的牛顿流体，即剪切应力为零，因而压差为： hblQp312 （2-11）流体在间隙中刚好能够自由流动时，间隙两端的压力差根据式（2-4）可知为： hylp20 （2-12）当压差p远远大于p0时可将式 2-10 简化为： hlyhblQp3312 （2-13）将磁流变减震器中的流体运动模式看成流动模式，则流体的体积流速 Q 与有效面 10 积、速度的关系可以表示为： vApQ （2-14）式中Ap为活塞的有效面积，v 为活塞运动速度。将式（2-14）代入式（2-13）中，可以得到减震器流动模式下的阻尼力为： AphlyvhbAplQpApFv33212 （2-15） 2.2.2 2. .2 2 剪切模式下的减震器阻尼力模型剪切模式下的减震器阻尼力模型在移动两极板使其以相对速度v运动时，属于剪切模式下的磁流变液产生屈服应力，如图 2-2 所示。Bingham 本构关系的流体受到两平板相对运动而产生的剪切作用影响，所产生阻尼力表达式如下： lbyFs.sgn （2-16）式中lb表示受到剪切力作用的有效横截面积。在活塞杆直径d，活塞直为径D，阻尼间隙宽度为h的剪切式的磁流变液减震器中，位于间隙处的有效面积为Dl，因此，此时磁流变减震器的阻尼力为： DlvyvhFssgn （2-17）图 2-2 剪切模式下磁流变液的速度分布 2.2.2 2. .3 3 混合模式下的减震器阻尼力模型混合模式下的减震器阻尼力模型混合模式下的减震器，其阻尼出力既具有流动模式下的阻尼力特点，又拥有剪切模 11 式下的阻尼力特点，因而，混合模式下的阻尼力可以认为是二者的叠加。所以混合模式下的阻尼力表达式为: FsFvFsv （2-18）将式（2-17）、（2-15）代入式（2-18）得混合模式下的阻尼力为： DlvyvhAphlyvhbAplQFsFvFsvsgn33212 （2-19）混合模式下，由于减震器活塞与缸体之间的间隙相比于缸体非常小，通过式（2-19）可知，Fv远大于Fs，因此，此时的减震器阻尼力可以用流动模式下的阻尼力Fv代替。因而，混合模式下的阻尼力即为： vyhAplvhbAplQFvFsvsgn33212 (2-20) 其中为磁流变液的零场粘度，l为阻尼通道长度，Ap为活塞有效面积，v为活塞相对运动速度，b为等效宽度，h为阻尼通道间隙。式（2-20）中第一项为与速度大小有关的粘滞阻尼力，是阻尼力的不可调节的部分；第二项是与磁场有关的库仑阻尼力，是阻尼器的可调节阻力；库仑阻尼力与粘滞阻尼力的比值称为阻尼力可调倍数。即： vAphyb042 (2-21) 2.2.2 2.4 .4 本减震器的阻尼力模型本减震器的阻尼力模型本文设计的减震器阻尼通道的结构示意图如图 2-3 所示，从图中可看出。当减震器处于压缩行程时，磁流变液拥有两条阻尼通道，活塞头上端面与活塞套内腔的通路构成了通断状态可变的第一条阻尼通道；活塞套外壁与工作缸筒内腔壁的间隙构成了常通的第二条阻尼通道，始终连通工作缸有杆腔和工作缸无杆腔。当减震器处于拉伸状态时，只有第二条阻尼通道。因此对于减震器的阻尼力需要分两种情况进行分析。当处于拉伸状态时，第二条阻尼通道相当于处于混合模式下，故而阻尼力：yhAplvhbApQlFvFsv1113131121121 (2-22) 式中Db51，mmD305,mml541，42-12521dhDAp， 12 mmh21。 1-静置稳定装置 2-活塞杆 3-活塞套 4-活塞头 5-励磁线圈 6-挡板 7-磁流变液 8-工作缸筒图 2-3 减震器阻尼通道结构示意图当处于压缩状态时，两条阻尼通道均可看作处于混合模式下，故而阻尼力： yhAplvhbApQlyhAplvhbApQlFvFvFsv23232323221212131312211232 (2-23) 式中412522hDAp，mml402，mmh12，Db42，mmD204， 422423hDAp。 2.2.3 3 结构参数对阻尼力的影响结构参数对阻尼力的影响在减震器的设计中，剪切屈服应力对减震器的减震性能有着极大的影响，是导致磁流变液产生流变特性的主要原因。从式（2-20）中可知，阻尼力与剪切屈服应力成正相关，剪切应力增加阻尼力随之增大。而研究表明，剪切屈服应力与磁通密度呈正比关系，即可通过改变控制电流的大小，控制磁场强度，就能改变屈服应力6。零场粘度是影响阻尼力的又一因素，它由磁流变液本身性质所决定。要增大减震器的阻尼力，除了增大磁场强度及改变磁流变液本身特性外，只能通过改变减震器的结构参数来实现阻尼力的改变。阻尼间隙对减震器阻尼力的影响也较大，间隙的三次方与阻尼力成反比。因此，阻尼间隙稍微改动一点点就会使阻尼力大幅度变化。因要想得到更大的阻尼力就应该减小 13 阻尼间隙。然而因为磁流变液特性的影响，间隙过小一方面会造成阻滞，即阻尼力非常大，导致减震器太“硬”而起不到减震的效果，另一方面阻尼间隙过小从而加大制造的难度。因此不宜取太小，实际设计中一般取 1-2mm7。活塞直径对减震器阻尼出力有很大影响。一方面活塞直径越大减震器的阻尼出力也随之增大；另一方面，由式（2-21）中可得知，活塞直径与可调阻尼倍数成反比，它的直径越大可调阻尼倍数会越小；此外直径增大减震器的体积也会增大。活塞的有效长度与减震器的阻尼力成正比，长度增大阻尼力也增大。然而活塞有效长度的增大也会增加减震器的体积。由此可见，减震器阻尼力的调节与结构尺寸之间存在着一定的矛盾。对磁流变液结构参数进行优化设计是直观重要的，如何设计减震器，使得可调阻尼力的范围增大，而又能保证活塞有效长度合适，是非常关键的问题。 2.2.4 4 本章小结本章小结本章针对磁流变减震器三种工作模式下的磁流变液进行了阻尼力的建模。该模型表明，影响减震器阻尼力的参数包括阻尼间隙、剪切屈服应力、有效长度以及活塞直径、零场粘度等。通过分析可知，改变有效长度是增大阻尼出力的有效方法。 14 第第 3 3 章章磁流变阻尼器设计磁流变阻尼器设计磁流变阻尼器的结构设计是减震器设计中最重要的一个部分，直接影响到了磁流变减震器的外观尺寸与工作性能。它的结构参数对减震器阻尼力的影响是对减震器进行设计改进前必须考虑的问题，这些问题已经在第二章仔细思考过了。包括对阻尼器的工作模式的分析；也包括主要结构参数，如剪切屈服应力、零场粘度以及阻尼间隙、活塞直径、活塞有效长度，对减震器设计与阻尼出力的影响针。对本次设计的减震器建立了属于本减震器的阻尼力计算模型，并通过模型了解了减震器结构参数对减震性能的影响。因此，若要设计一个可调阻尼力大、减震性能好且结构比较简单的减震器，对其结构参数的设计时最核心的内容。本章将以此为基础，对磁流变阻尼器进行结构设计与磁路设计。 3.13.1 结构设计结构设计 3.1.13.1.1 缸筒的设计缸筒的设计缸筒是磁流变减震器的重要组成部分。在减震器中，它起到保护缸体内部结构的作用，此外还承受了减震器活塞杆上下移动中的拉伸、挤压以及各种载荷，因而，对于缸筒来说，一来需要注意其抗压、抗拉和抗震的能力；二来，由于在减震器内部活塞组件在运动过程中会消耗能量产生热量，若不能及时将减震器内部的热量散发，将影响减震器的精度。所以，缸筒的设计中一方面要考虑它所要承受的拉力、压力、冲击和震动；另一方面还要考虑到如何散热。在本次减震器设计中，缸筒的一端通过螺纹与上端盖连接，另一端通过端盖与带有吊环的下端盖进行焊接。因此需要进行螺纹的加工，要求有较高的精度。缸筒的尺寸直接决定着减震器的空间尺寸。其直径的确定可根据设计要求，通过QC/T491-1999汽车筒式减震器尺寸系列及技术条件来进行初步确定。 v=0.52m/s 表 3-1 减震器的尺寸系列工作缸筒直径 D（mm）复原阻力（N）压缩阻力（N） 20 2001200 不大于 600 30 10002800 不大于 1000 40 16004500 4001800 (45) 25005500 6002000 50 40007000 7002800 15 由所给参数如下：当减震器速度 v=0.05m/s 时，减震器的阻尼力为 212.4-455.6N；当减震器速度 v=0.1m/s 时，减震器的阻尼力为 349.2-764.6N；当减震器速度 v=0.3m/s 时，减震器的阻尼力为 515.4-1262.7N；上面图表3-1给出的力与工作缸直径的关系都是在速度v=0.52m/s的基础上给出的，因此要根据已知参数推算需要设计的减震器在速度为 0.52m/s 时的压缩阻力和复原阻力；根据磁流变阻尼器工作原理可知，未通电时磁流变阻尼器的粘滞阻尼力与压缩阻尼力相等，而由式 2-20 可知，粘滞阻尼力跟速度呈线性关系，因而，根据所给参数，可知，在速度为 0.05m/s 时的压缩阻尼力为 212.4N；在速度为 0.1m/s 时，压缩阻尼力为349.2N；在速度为 0.3m/s 时，压缩阻尼力为 515.4N；故而，可求得当阻尼器的速度v=0.52m/s 时，压缩阻尼力大约为 768.6N。因而，工作缸直径选取 D=30mm。参照国家标准汽车筒式减震器尺寸系列及技术条件，并根据一般筒式减震器的壁厚选取为 a=3mm8。因而减震器的缸筒内径为 30mm，外径为 36mm。 3.1.23.1.2 活塞的设计活塞的设计活塞设计是减震器结构设计与磁路设计的核心。其内部结构会影响减震器的整个磁场的分布与其工作性能。据前一章所述，基于剪切模式的磁流变减震器的阻尼通道为缸筒与活塞之间的间隙构成；而基于流动模式的减震器，阻尼通道则为活塞上的圆形孔形成这两种阻尼通道虽然结构简单，但有效长度受到了限制，在磁场作用下的阻尼通道长度极短，磁场得不到充分的利用。式（2-20）表明，减震器阻尼力的最大出力与阻尼通道有效长度成正比，因此，要增大减震器的最大阻尼出力，需要较好地解决磁流变减震器空间尺寸与阻尼通道长度之间的矛盾，既不需要增加额外的活塞尺寸，又能使磁场得到充分的利用。且采用单一活塞的磁流变阻尼器，其活塞结构过于简单，致使阻尼变化值小，造成应用范围受限；采用复合活塞的磁流变减震器，其阀系结构较多，结构过于复杂，导致可靠性降低和成本上升。如磁流变减震器供电中断，则不能产生磁流变效应，造成阻尼力明显下降，影响减震效果。基于以上考虑，将活塞做成由活塞套跟活塞头、挡板配合而成，结构示意图如图 3-1所示，并将活塞内部的阻尼通道做如下设计：有两条阻尼通道: 活塞头上端面与活塞套内腔的通路构成了通断状态可变的第一条阻尼通道；活塞套外壁与工作缸筒内腔壁的间隙构成了常通的第二条阻尼通道，始终连通工作缸有杆腔和工作缸无杆腔。这种减震器的工作过程是：在处于压缩行程时，活塞头 4 下移到活塞套 3 内腔底部端面，使得活塞套 3 内腔壁的径向通孔、端面的轴向通孔、工作缸筒 8 之间之间形成的阻尼通道打开。当处于复原行程时，活塞头 4 上移到活塞套 3 内腔顶部端面，使得活塞套 3 内 16 腔壁径向通孔、端面的轴向通孔、工作缸筒 8 之间形成的阻尼通道关闭，此阻尼通道状态相对于活塞套 3 外壁与工作缸筒 8 内壁形成的常通阻尼通道关闭，此阻尼通道状态相对于活塞套3外壁与工作缸筒 8内壁形成的常通阻尼通道是随路况的不同而在打开与关闭之间变化的，有助于实现减震要求。 1-静置稳定装置 2-活塞杆 3-活塞套 4-活塞头 5-励磁线圈 6-挡板 7-磁流变液 8-工作缸筒图 3-1 汽车半主动悬架磁流变阻尼器阻尼通道示意图图 3-2 活塞头、活塞套、挡板结构示意图 17 因活塞的特殊设计，故而其活塞头、活塞套、挡板的尺寸见结构示意图 3-2。 3.1.33.1.3 活塞杆的设计活塞杆的设计塞杆单独加工而成。与活塞头通过螺纹联接。由于减震器在汽车行驶中不停地压缩与伸张，因此活塞杆必须要保持良好的抗压缩、抗拉伸的能力，即输出的阻尼力。由于磁路部分在设计上不考虑活塞杆的影响，于是选用 45 钢，保证活塞足够的强度。活塞头上缠绕的励磁线圈导线经过活塞杆盲孔与外部电源相连，该轴向盲孔的直径考虑线圈的大小，单根线圈导线的直径查新编电工实用手册可知为 0.8mm，因此盲孔直径定为5，加工精度不高。活塞杆的直径与缸筒直径比一般 0.3-0.35，本文取为 0.35，因此活塞杆直径为： mmDd5.1093035.03.0 为了便于轴向盲孔的加工，取活塞杆直径为 10mm。由于活塞杆是承重的重要零件，且内部需要加工轴向盲孔，因而必须校核强度是否达到要求。为保证活塞杆的安全性，进行以下强度校核： sFmax 式中Fmax为减震器的最大阻尼力，参考一般车辆的减震器取ttF25.1乘用汽车车重约为4车重max, 得NNF50003750max。取NF4500max。 s为活塞杆有效横截面积，4022dds，其中mmd10，mmd50，求得ms210589.5。为 45 钢的屈服应力，且资料得 Mpa180。 MpapasF4.761064.76105-89.54500max 因而，活塞杆校核后安全。 3.1.43.1.4 其他零部件的设计其他零部件的设计防尘套：通过活塞杆套在减震器上，起到防尘作用。防止沙砾或灰尘进到减震器上,和导向套上的 O 型密封圈摩擦后容易漏油,减短减震器使用寿命。因防尘套裸露在空气中，为保证其自身寿命，必须选择耐酸碱、耐磨、抗拉、抗撕裂的材料，因而选取优质氯丁橡胶作为防尘罩材料。导向套：在缸筒上端盖口处有带密封圈的导向套，一来支撑细长的活塞杆作往复运动，保证活塞杆与缸筒同轴度，二来对活塞杆的运动起到导向作用，此外因导向套材料 18 的特殊还能对活塞组件起到缓冲作用。在材料的选择上，由于在磁路中会产生一定的磁漏，因此导向套材料不能导磁。此外，导向套浸泡在磁流变液中的，应该具有耐腐蚀性；综合考虑后选择且抗磁耐磨、价格低廉、易于加工导向套的黄铜。导向套的结构可从结构示意图中表现，结构尺寸，按经验数据确定如下： L (0.61)d (7.212)mm 挡板：通过螺栓与活塞套连接，与活塞头的下端面形成间隙供磁流变液流过，挡板上间隙也为圆形阻尼通道，受到垂直磁场的作用，能产生磁流变效应。材料与活塞套的材料一样。浮动活塞：浮动活塞和减振器底部形成充气腔，在其中充氮气，起到体积补偿作用和缓冲作用。当减震器处于受压状态时，无杆腔内磁流变液因受压，一部分磁流变液经过阻尼通道流回有杆腔，另一部分则推动浮动活塞向下运动，起到缓冲作用；当减震器处于受拉状态时，有杆腔内磁流变液通过阻尼通道进入无杆腔，由于有杆腔体积的变化小于无杆腔内体积变化，从有杆腔中流出的液体的体积无法弥补无杆腔增大的体积，此时浮动活塞上移，起到体积补偿的作用。在材料的选择上，由于在磁路中会产生漏磁现象，从而引起磁场分布的不均匀，因此浮动活塞应该选择不能导磁的材料。此外，位于磁流变液中的浮动活塞，应该具有很好的耐腐蚀性；综合考虑下选择浮动活塞的材料为黄铜，其价格低廉，易于加工，且抗磁耐磨。图 3-3 静置稳定装置结构示意图 19 静置稳定装置：为改善磁流变液的沉降稳定性，一方面进行材料优选，如改用直径相对较小、密度更接近载液且软磁特性更好的磁性微粒，粘度相对较大、浸润磁性微粒、性能更稳定的合成油载液，表面活性更强的分散剂，适当增大磁性微粒/载液的体积比，以及改进制备工艺等9。另一方面，在磁流变减振器外围加装静置稳定装置，当车辆停止时，通过分离机构，使静置稳定器的两配对磁瓦吸合在减振器外侧，将缸筒内的磁流变液固结，可长时间保持磁流变液的稳定；当车辆在行走时，再分离两磁瓦恢复电磁控制状态；若控制系统失灵或失电时，还可根据路面工况相应调整两磁瓦的间距，对磁流变液施加一定的磁场，以达到手动可调减振器阻尼的作用。精置稳定装置的结构示意图如图 3-3 所示，它由分离机构、抗磁填料、导磁瓦和永磁瓦组成。两个导磁瓦形成一对半圆筒形结构，每个导磁瓦内侧均按一定夹角粘接两个相吸配对的永磁瓦，永磁瓦对夹角间粘结抗磁填料；一对导磁瓦外侧分别与分离机构联接。 3.1.53.1.5 汽车半主动悬架磁流变阻尼器的原理汽车半主动悬架磁流变阻尼器的原理 1-吊环 2-导线 3-活塞杆 4-螺母 5-防尘罩 6-O 型密封圈 7-螺钉 8-上端盖 9-导向套 10- O 型密封圈 11-螺母 12-工作缸筒 13-活塞套 14-活塞头 15-励磁线圈 16-挡板 17-分离机构 18-永磁瓦 19-导磁瓦 20-浮动活塞 21- O 型密封圈 22-下端盖图 3-4 减震器结构示意图图 3-4 为所设计的减震器二维图，所述减震器含有工作缸筒 12、浮动活塞 20、导向套 9 以及滑阀式组件。活塞组件包括活塞杆 3、活塞头 14、活塞套 13、活动挡板 16。活塞套 13 外圆柱面间隔均布有盲槽和通槽，通槽与工作缸筒内壁构成常通的阻尼通道。活塞套 13 内腔上端面均布的轴向通孔、与盲槽位置对应的均布径向通孔、活塞头 14 上端面、工作缸 12 上腔共同构成状态可变的阻尼通道。在压缩行程时，可变阻尼通道打开，此时减振器具有两个阻尼通道；在复原行程时，可变阻尼通道关闭，此时减振器具有一个阻尼通道；无论加载励磁电流与否，减振器均能提供可靠的阻尼力。这种磁流变减震器结构简单，应用范围广，能在正常工作或供电中断时提供所需的阻尼力，并能有效地抑制复原空程。吊环一端与车身连接，另一端通过螺纹与活塞杆 3 螺纹连接；上端盖 8 与工作缸筒12 螺纹连接；防尘罩 5 通过活塞杆罩在减震器上，起防尘作；活塞杆 3 为空心管状结构， 20 内有引线 2 穿过，线圈引线一端连接外部电源，另一端连接活塞上的励磁线圈 15，提供给线圈相应的电流以产生磁场。导向套 9 内装有密封圈 6 跟 10；活塞与活塞杆通过螺纹连接。活塞头 14 外圆柱面部有通槽，且外缘有两个凹槽便于缠绕励磁线圈；活塞套 13外圆柱面间隔均布有盲槽和通槽；挡板 16 通过螺钉与活塞套连接，在挡板上所做的通槽与活塞套刚好吻合；浮动活塞 20 内装有 o 型密封圈 21，与缸筒内壁进行良好的密封；下端盖 22 的上端面为凹型，与浮动活塞下端面形成气腔，下端盖 22 通过焊接与工作缸筒连接；17、18、19 构成静置稳定装置。活塞组件将整个减震器的腔体分为有杆腔和无杆腔，磁流变液即通过活塞组件的通道在这两个腔中来回流动。 1-静置稳定装置 2-活塞杆 3-活塞套 4-活塞头 5-励磁线圈 6-挡板 7-磁流变液 8-工作缸筒图 3-5 压缩行程时的磁路示意图图 3-5 为处于压缩行程时给励磁线圈加载电流时的磁路示意图。线圈形成的磁场，在活塞头、活塞套、缸筒、活塞头及活塞套的盲孔跟通孔、挡板之间形成闭合磁回路，间隙中磁力线部分垂直于磁流变液的运动方向，因此在混合工作模式的作用下，产生磁流变效应。车辆经过不平的路面时，车底盘发生振动，传到与之相连接的减震器的活塞杆与活塞组件，使得活塞组件与缸体之间产生相对运动。如果车架与车桥相互靠近，则活塞杆受到压缩，推动活塞头向下运动，此时下腔中的磁流变液受到挤压，循图 3-5 中箭头方向通过阻尼通道向上运动。运动过程中，给线圈中通入一定大小的电流，随即产生磁场，磁场垂直作用于磁流变液的流动方向，此时产生阻尼力，达到减震的目的。改变线圈中的电流大小，磁场强度的大小随之变化，则阻尼力也会发生变化，达到实时控制阻尼力大小的目的。当车架与车桥相互远离时，减震器处于拉伸状态，此时活塞杆受到了拉伸，推动活塞头由下往上运动，有杆腔中的磁流变液受到挤压，磁路示意图如图 3-6。此时阻尼通道只有一条亦可通过振动的强弱来控制线圈的电流，从而达到控制阻尼力的目的。 21 1-静置稳定装置 2-活塞杆 3-活塞套 4-活塞头 5-励磁线圈 6-挡板 7-磁流变液 8-工作缸筒图 3-6 拉伸行程时的磁路示意图 3.1.63.1.6 减震器材料的选择减震器材料的选择如图 3-5、3-6 所示的磁回路中，各零部件都应该具有良好的导磁率，从而能起到增大磁感应强度的作用。选择磁芯材料应遵循以下准则10：（1）具有高磁导率。根据磁流变液的磁化曲线，有效阻尼通道中的理想工作磁感应强度应该为 0.3-0.9T，为了达到此要求，不但要合理设计磁路，还应该为组成磁回路的零件选择具有高磁导率的材料。（2）由于各种磁性材料都有剩磁，在电流为零时，减震器由于剩磁的存在会影响到减震器的调节精度，并减小阻尼力调节范围。因此，需要尽量避免材料中出现剩磁，这就要求材料的矫顽力低。（3）由于电磁线圈产生了交变磁场，因此在磁导体中形成铁损，铁损包括涡流损耗和磁滞损耗。其中涡流损耗会产生热量，从而大量消耗能量，而磁滞损耗则会增加电磁线圈的电流，也会造成能量损失。因此，选择材料的时候还要考虑将铁损降低到最小。除此之外，作为磁回路中的零件，在出了要具备上述磁性特点外，也要具备良好的机械性能。活塞套、活塞头、缸筒和挡板是磁路中最重要的部分，其材料的选用必须要满足上述三点基本原则。磁芯材料种类包括电工纯铁、铁镍合金、铁铝合金等，材料不同，则性能不同，价格也有差异。综合考虑材料相对磁导率、材料本身性能、零件加工难度以及价格等因素，选择活塞头、活塞套、挡板的材料为 DT4 电工纯铁。电工纯铁的各项性能如下： 22 表 3-2 电工纯铁的磁学性能11 上下端盖除了对减震器内部远近起到保护作用外，虽两端盖处都设计有缓冲的零件，但依旧还需要承受一定的压力以及冲击，且要具有良好的加工性能，因此上下端盖材料选用强度较大的 45 钢，工作缸筒因要与下端盖采用焊接方式连接，故而用 35。磁流变液采用 Lord 公司生产的 MRF21322DG，由于磁流变液的磁化曲线显示材料的理想工作段为 0.3T-0.9T，因此在 B-H 曲线中选取该工作段的磁感应强度与磁场强度的关系如表 3-3 所示：表 3-3 MRF21322DG 磁感应强度 B 与磁场强度 H 的关系 H/KAm 30 60 90 120 180 240 300 B/T 0.24 0.44 0.568 0.665 0.787 0.91 1.013 励磁线圈通电时，根据经验电流不得超过 2A，在本次设计时采用通电电流为 1.5A，根据新编实用电工手册查得选取线圈漆包线直径至少取 0.8mm。根据以上设计，并参考QC-T 491-1999 汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件，初步得到磁流变减震器的主要参数如下表 3-4：表 3-4 磁流变减震器设计及所取主要结构参数活塞杆直径 D1 10mm 线圈缠绕处直径 D2 14mm 活塞套最大直径 D3 30mm 活塞头最大直径 D4 20mm 工作缸筒内径 D5 30mm 工作缸筒外径 D6 36mm 阻尼间隙 h1 2mm 阻尼间隙 h2 1mm 线圈匝数 N 350 匝活塞上线圈缠绕的长度 L 28mm 活塞杆内引线孔直径 d 5mm 23 3.23.2 磁路设计磁路设计磁路设计的目标为：设计一个低磁阻的磁通管道，应将磁通量引导并集中到通道内的流体间隙中，使磁流变液效应发生最大作用；间隙处的磁通能量应最大化，而其他地方的漏磁应减少到最小。图 3-7(a)表示的是外加磁场为零时，软磁颗粒处于无序状态，此时的屈服应力为零；图 3-7(b)、3-7(c)表明随着磁场的增加，软磁颗粒开始进行井然有序地排成链状，因此表观粘度不断增加；图 3-7(d)表明当磁场增大到一定程度时，链状结构的数量与直径均增大，使得剪切屈服应力增大，对外的宏观表现阻碍流体流动的阻尼力增大。若此时撤去磁场，剪切应力瞬间恢复为零，软磁颗粒恢复零磁场时的状态，响应时间为 ms 级。（a）无磁场（b）外加磁场 H （c）中等磁场（d）强磁场图 3-7 磁场作用下磁流变颗粒的链化过程 3.2.13.2.1 磁路设计准则磁路设计准则通过图 3-7 可以看出，只有当磁场强度 H 的方向与磁流变流体流动方向垂直时，才能在沿磁场方向上产生链状结构，从而形成有效的阻尼力。因此，在阻尼通道中，为了充分利用磁流变效应以改变阻尼力大小，应当使磁流变液的流动方向垂直于磁场方向。设计磁流变减震器时，应该满足下列表达式12： maxvmrmrdvBB (3-1) nvmrmrdvBBmi/ (3-2) 式中，B为与磁流变液流动方向垂直的方向上的平均磁通密度 B为垂直于磁流变体流动方向的平均磁通密度 B/为与磁流变液流动方向平行的方向上的平均磁通密度 24 B/为平行于磁流变体流动方向的平均磁通密 Vmr为阻尼器通道中的磁流变体的体积即：在设计磁路时，为了使磁场得到充分的利用，应当尽量增大与磁流变液流动方向垂直的方向上的磁场强度；而尽量减小与磁流变液流动方向平行的方向上的磁场强度。 3.2.2 3.2.2 磁路欧姆定律磁路欧姆定律磁路欧姆定律和磁介质中的安培环路定律是磁路的基本定律。以环形铁芯构成的磁路为例,如图 3-8 所示。假设提心磁场 H 处处均匀,并且设铁心的截面积为 S、励磁电流为 I、线圈匝数为 N、磁路平均长度为 L，则磁介质中安培环路定律表示为13: LIHdl (3-3) 式中H为磁场强度，l为有效磁回路，I为电流。图 3-8 磁路简图13 由于铁芯中磁场处处均匀, 由式 3-2 可以得到线圈匝数为 N 的磁回路满足： NIHL (3-4) 即 LNIH (3-5) 由于有 BS (3-6) HB (3-7) 由公式(3-4)、(3-5)、(3-6)可推出： SLNISLNI (3-8) 25 令 SLRm （3-9）则 RmNI （3-10）式中为铁芯磁导率,其中，0r，r为磁芯材料相对磁导率，0为真空磁导率；Rm为磁阻，表示物质对磁通通过的阻碍作用，由公式(3-9)可以看出，磁阻的大小与磁路长度成正比，与磁导率和磁路的横截面积成反比，若磁导率越高，磁路的横截面积越大，磁路平均长度越短，则磁阻越小。所以，在磁路设计中可以通过调整这三个参数来调整磁阻的大小。式(3-10)与电路中的欧姆定律 I=E/R 十分相似,故将此式称为磁路欧姆定律。 3.2.33.2.3 磁路中磁阻确定磁路中磁阻确定本文采用剪切阀工作模式设计磁流变阻尼器,由于本文设计的减震器的阻尼通道有两种不同形式，故而在减震器处于压缩状态跟拉伸状态时，磁流变阻尼器的磁阻也有所不同。当减震器处于压缩状态时磁路示意图如图 3-5 所示，压缩状态时导磁体磁阻计算图如图 3-9 所示。此时的磁阻可以通过两条阻尼通道来分析。因挡板与活塞套材料一样且与活塞套连接，因而把活塞套与挡板看做一体；第一条阻尼通道为活塞套与挡板组成的通槽，磁路回路为磁力线穿过活塞头通过挡板穿过间隙经过缸筒再穿过间隙到达活塞套再到达活塞头；第二条阻尼通道为磁力线穿过活塞头再穿过活塞头侧翼，经过间隙到达活塞套，经过活塞套穿过活塞头侧翼到达活塞头。因此根据本磁流变阻尼器的结构特点,将磁路分为 5 个部分进行分析，如图 3-9 所示。减震器的线圈电流是由励磁电流和铁损电流构成，由于汽车悬架的振动频率较低，可以将线圈电流看成是励磁电流，磁路各部分的磁阻为：区域 1、区域 2、区域 3、区域 4、区域 5 组成的导磁体，与工作间隙 a、工作间隙b 组成的闭合磁路。对于区域 1，其磁阻为： DrpLRm22041 (3-11) 区域 2、区域 3、区域 4、区域 5 的磁阻分别近似为： brpRm2012 (3-12) 26 DDrpcLRmh4225201431 (3-13) CrpRm2014 (3-14) DDrpLRm5620145 (3-15) 工作间隙 a、工作间隙 b 处磁流变液的阻尼近似为： CMRDhInRMRa025121 (3-16) bMRDhInRMRb024221 (3-17) 由公式（3-11）到公式（3-17），压缩状态时磁流变减震器的总磁阻可表示为： RMRbRMRaRmRmRmRmRRmm5423221 (3-18) 图 3-9 压缩状态时导磁体磁阻计算图其中rp为活塞头、活塞套、挡板的材料的相对磁导率，其磁导率查 DT4 工业纯铁磁特性曲线，根据其工作范围，可将rp定为 10000；rh为工作缸筒材料的相对磁导率，其磁导率查 35 钢磁特性曲线，根据其工作范围，可将rh定为 600；rM为磁流变液的相对磁导率。磁流变液选用 Lord 公司生产的 MRF21322DG，由于磁流变液的 27 磁化曲线显示材料的理想工作段为 0.3T-0.9T。由磁路欧姆定律14： RMRbRMRaRmRmRmRmRmNIF5423221 (3-19) 将RMRbRMRaRmRRmRmRm、5、4、3、2、1分别代入式 3-18，得线圈匝数为： 6.320/5423221IRMRbRMRaRmRmRmRmRmN 取线圈匝数为 350。根据式 3-19 可得： RMRbRMRaRmRmRmRmRmrSNIH54232210/(3-20) 式 3-20 表明：在减震器的结构尺寸与线圈匝数 N 确定后，磁流变液受到的磁场强度大小直接由电流决定。当减震器处于拉伸状态时，磁路示意图如图 3-6 所示，压缩状态时导磁体磁阻计算图如图 3-10 所示。此时的磁阻只通过一条阻尼通道。因拉伸过程中，活塞有把活塞套的轴向盲槽堵住，磁流变液无法通过活塞头的通槽流，只留下活塞套与缸筒形成的常通阻尼通道。此时阻尼通道为磁力线穿过活塞头穿过活塞套侧翼，经过间隙到达工作缸筒，穿过间隙，经过挡板侧翼到达活塞头。因此根据本磁流变阻尼器的结构特点,将磁路分为3 个部分进行分析，如图 3-10 所示。减震器的线圈电流是由励磁电流和铁损电流构成，由于汽车悬架的振动频率较低，可以将线圈电流看成是励磁电流，磁路各部分的磁阻为：区域 A、区域 B、区域 C 组成的导磁体，与工作间隙组成的闭合磁路。对于区域 A，其磁阻为： DrpbLRmA22024 (3-21) 同理，区域 B、区域 C 的磁阻分别近似为： CrpRmB201 (3-22) DDrhLRmC52622014 (3-23) 28 图 3-10 拉伸状态时导磁体磁阻计算图工作间隙处磁流变液的阻尼近似为： CMRDhInRMRa025121 (3-24) 由公式（3-21）到公式（3-24），拉伸状态时磁流变减震器的总磁阻可表示为： RMRaRmCRmBRmARm2 (3-25) 3.3 3.3 磁流变减震器细节问题的探讨磁流变减震器细节问题的探讨 3.3.1 3.3.1 活塞杆问题的探讨活塞杆问题的探讨由于磁流变减震器与普通液压式减震器结构上的不同，在其活塞头上缠有线圈，因此就涉及到线圈如何引入的问题。在此，采用在活塞杆内设置引线盲孔的方法。由于引线盲孔长度很长(在 30cm 左右)而且引线盲孔直径很小(为5mm)，现有的加工工具(转头)在长度和强度上都不能实现该活塞杆结构，而引线孔的作用只是作为导线引出，因而，活塞杆可采用电火花打孔的方法，对孔的光洁度及同心度要求不用太高。 3.3.23.3.2 线圈缠绕问题的探讨线圈缠绕问题的探讨磁流变减震器的活塞头上的线圈在缠绕过程中,主要会遇到两个问题，一是漆包线在缠绕结束后需要从活塞杆内引线孔中再次引出的方法问题；二是在引线的过程中，活塞杆内的引线通道比较粗糙,由于漆包线划伤出现的短路问题。对于第一个问题，若采用单线引入引出，则会使引线通道出入口加大，并且加大密封难度；对于第二个问题，若使 29 用带有绝缘套的导线,则会在设计时增加磁流变减震器活塞头缠绕线圈处的尺寸,进而影响到活塞头在阻尼器内有限空间的布置。因此，本文在设计时，在引线通道口处进行精处理的基础上，使用双线引入的方法，而且将活塞杆引线孔内的漆包线用热缩管进行处理，以避免在穿线时划伤受损，并且其中一根线为缠绕对象，缠绕后将两线焊接的方法，可解决漆包线刮伤和密封难度大的问题。 3.3.3 3.3.3 绝缘问题的探讨绝缘问题的探讨在磁流变减震器工作时，磁流变液内的铁磁颗粒与漆包线不断摩擦，会使漆包线漆膜受损，使铜线裸露,而且在穿导漆包线后,漆包线若有损伤在活塞上缠绕时,会导致漏电、亏电问题。为了解决此问题，在活塞缠绕处的四周，涂上绝缘漆,，涂抹后使用万用表加以检测，并且在缠绕好的线圈上层再涂上绝缘漆，以达到使漆包线绝缘漆的绝缘效果。 3.3.3 3.4.4 密封问题探讨密封问题探讨磁流变减震器活塞头上设有线圈,需在活塞杆内留有引线孔，这就使减震器内部通过引线孔与外界连接，为了保证阻尼器内部磁流变液不会发生外泄，密封问题显得至关重要。为了做好活塞杆的密封，本文提供了一种方法，即在线圈漆包线引线后缠线开始前,将减震器活塞杆引线的入口和活塞头引线的出口处用环氧树脂系胶结剂填死密封，并且在缠线结束焊接后，在线圈顶层上再次用环氧树脂系胶结剂覆盖严密，在磁流变减震器活塞组件装配好后，装入导向套，导向套内装有 O 型密封圈，而另一端，采用浮动活塞上装有的 O 型密封圈。这样减震器的密封得到了很好的处理。 3.4 3.4 本章小结本章小结本章在前一章的基础上，通过对减震器设计中存在的阻尼有效长度、阻尼间隙与可调阻尼力存在的矛盾的分析，设计了一种由活塞头、活塞套、挡板组成的滑阀式减震器。对这种减震器进行了结构参数设计、结构材料设计以及磁路设计，并对可能存在的问题进行了探讨。之后对所设计的减震器在拉伸行程与压缩行程下的磁阻进行了分析。通过本章的分析设计，为下一章的减震器外特性仿真分析做好了充分准备。 30 第四章第四章磁流变减震器的外特性仿真磁流变减震器的外特性仿真第三章中通过对磁流变减震器进行结构设计与磁路设计，并得到了磁流变减震器的基本参数。对于已经初步设计的磁流变减震器，其性能是否可以满足减震器的基本设计要求是设计中必须考虑的问题。因而，本章在已经设计的磁流变减震器的基础之上对减震器进行外特性分析，考察了不同剪切应力下减震器的阻尼力与活塞组件位移之间的关系，验证了有效阻尼通道的长度对阻尼的出力的影响。 4.14.1 拉伸行程时的建模及仿真拉伸行程时的建模及仿真减震器的外特性（工作特性）包括其示功特性和速度特性，它表征着减震器的速度与阻尼力、相对运动位移与阻尼力之间的关系，用曲线来表示则为示功图（位移-阻尼力曲线）和速度特性曲线（速度-阻尼力曲线）15。减震器的外特性反映着减震器阻尼力、速度和阻尼系数等等参数的大小关系，是评价评价减震器性能非常重要的指标。根据第二章中所建立的减震器阻尼力学模型。在拉伸行程下的阻尼力学模型如下： yhAplvhbApQlFvFsv1113131121121 在 matlab/Simulink 环境下建立的仿真模型如下图 4-1 所示。图 4-1 拉伸行程时的减震器阻尼力仿真模型 31 该模型描述的是在剪切应力的作用下，阻尼力与减震器活塞组件的位移和活塞组件运动速度之间的关系。其中，活塞组件的位移通过正弦波的信号产生，而速度则通过对位移信号进行微分得到。改变该仿真模型的剪切应力，即可得到不同剪切应力下的阻尼力与位移关系，进而起到考察减震器性能的目的。磁场与屈服应力的关系根据磁流变液的剪切应力与磁场强度的关系曲线得到，本文采用的 MRF21322DG 其剪切应力与磁场强度曲线如下图 4-2 所示：图 4-2 MRF21322DG 剪切应力与磁场强度的关系曲线4 根据图 4-2 曲线，对数据进行拟合，得到两者的关系曲线方程为16： 6631.03482.0200082.031074HHHy (4-1) 将LNIH/代入上式中，即可得到电流与剪切应力之间的直接联系，就能通过对电流的控制达到对减震器阻尼力的直接控制。图 4-3 拉伸行程下不同剪切力下的阻尼力-位移图该模型中涉及到的磁流变液性能参数与减震器的结构参数如下：Db51， 32 mmD305,mml541，42-12521dhDAp，mmh21 。设定输入的位移的最大幅值为 50mm，剪切应力分别以 0kPa、20kPa、30 kPa、40 kPa，得到减震器的阻尼力-位移曲线如图 4-3 所示。对图 4-3 做如下处理得到图 4-4 如下，从图 4-3 中，可以看出 4 条不同剪切力下的阻尼力-位移图是相互平行的，根据图像 4-4 可求出不同剪切应力下的阻尼力可调倍数。图 4-4 拉伸行程时阻尼力-位移处理图以位移为 20mm 为例，在位移为 20mm 的位置做一条垂线，从图中可以看出在此处的速度下粘滞阻尼力F大约为 100N。对应的不同剪切屈服应力下不同的阻尼力，而图中所示的F1、F2、F3分别为剪切屈服应力为 20kPa、30 kPa、40 kPa 下的库仑阻尼力。由第二章式（2-20）、（2-21）可知，库仑阻尼力与粘滞阻尼力的比值即为阻尼力可调倍数。这三种不同剪切屈服应力下的阻尼力可调倍数结果如下： 810010090011FF 12100100130022FF 16100100170033FF 式中1、2、3分别为 20kPa、30 kPa、40 kPa 下的阻尼力可调倍数。由此可知剪切屈服应力越大，减震器的可调阻尼倍数越大。 33 4.2 4.2 压缩行程时的建模及仿真压缩行程时的建模及仿真在压缩行程下的阻尼力学模型如下： yhAplvhbApQlyhAplvhbApQlFvFvFsv23232323221212131312211232 在 matlab/Simulink 环境下建立的仿真模型如下图 4-5 所示。图 4-5 压缩行程时的减震器阻尼力仿真模型该模型中涉及到的磁流变液性能参数与减震器的结构参数如下： 412522hDAp，mml402，mmh12，Db42，mmD204， 422423hDAp。设定输入的位移的最大幅值为50mm，剪切应力分别以0kPa、20kPa、30 kPa、40 kPa，得到减震器的阻尼力-位移曲线如图 4-6 所示。对图 4-6 做如下处理得到图 4-7 如下，从图 4-6 中，可以看出 4 条不同剪切力下的阻尼力-位移图是相互平行的，根据图像 4-7 可求出不同剪切应力下的阻尼力可调倍数。 34 图 4-6 拉伸行程下不同剪切力下的阻尼力-位移图以位移为 20mm 为例，在位移为 20mm 的位置做一条垂线，从图中可以看出在此处的速度下粘滞阻尼力F大约为 250N。对应的不同剪切屈服应力下不同的阻尼力，而图中所示的Fa、Fb、Fc分别为剪切屈服应力为 20kPa、 30 kPa、 40 kPa 下的库仑阻尼力。图 4-7 拉伸行程时阻尼力-位移处理图由第二章式（2-20）、（2-21）可知，库仑阻尼力与粘滞阻尼力的比值即为阻尼力可调倍数。这三种不同剪切屈服应力下的阻尼力可调倍数结果如下： 68.52502501670FFaa 35 32.82502502330FFbb 32.112502503080FFcc 式中a、b、c分别为 20kPa、30 kPa、40 kPa 下的阻尼力可调倍数。由此可知剪切屈服应力越大，减震器的可调阻尼倍数也越大。 4.3 4.3 本章小结本章小结本章通过对减震器在拉伸、压缩行程下剪切应力与阻尼力的关系。并通过对拉伸行程与压缩行程下的外特性仿真，得出阻尼可调倍数与剪切屈服应力呈正相关，剪切屈服应力越大，则阻尼可调倍数也就越大。但阻尼可调倍数并非越大越好，过大的可调阻尼倍数意味着阻尼力很大，当阻尼力过大，则会导致减震器很“硬” ，从而达不到减震的效果。因此要设计出适合的减震器，要根据实际路况与要求来调整最合适的可调阻尼倍数。 36 第第 5 5 章章总结与展望总结与展望 5 5.1 .1 总结总结本文以提高汽车悬架系统的性能为出发点，针对小型汽车悬架系统的减震性能设计了一款滑阀式减震器。本次设计的减震器通过改变活塞组件的结构，从而增加了阻尼通道间隙的有效长度，进而增大了阻尼力的调节范围。此外对设计的减震器进行了磁路分析和通过 Matlab/Simulink 仿真进行外特性（即示功）仿真分析。主要研究结论：（1）对磁流变减震器的设计原理进行了分析，包括磁流变液效应以及磁流减震器的三中工作模式，并分析得出属于本次设计的减震器的阻尼力模型，进而得出了影响减震器阻尼出力的各种主要参数，为磁流变减震器的结构设计和磁路设计奠定了基础。（2）对磁流变减震器进行了结构设计，包括零件的选择、零件材料的选择、零件结构参数的确定以及二维图的绘制。该减震器在不额外增加磁流变减震器空间尺寸的前提下，通过将活塞设计成滑阀式组件，增加了有效阻尼通道的长度，从而达到提高减震器的可控阻尼力的目的。（3）对减震器进行外特性仿真分析，考察在不同剪切屈服应力下的阻尼力-位移与特性。得到结论：其他条件不变的情况下，随着剪切屈服应力的增大，阻尼力增大，可调阻尼倍数也随之增大。 5.2 5.2 展望展望本文对磁流变减震器进行了一些研究和设计。车辆悬架系统的振动控制是一门集合了多门学科的关键控制理论，还有许多更深入的问题值得我们去关注与研究。本人认为还有必要进一步的展开以下两个因为条件有限还没来得及开展的工作：（1）由于存在悬架系统与路面工况输入的精确性问题，可能会影响到结果的精准性，因此还需要进行模拟路面工况下的半主动悬架的台架实验以及实车实验。（2）本文值进行了 Matlab/Simulink 的外特性仿真而没有对磁路进行有限元分分析。应该对磁路进行模型分析，这样才能增加设计的合理性，以及结果的精确性。减震器是车辆悬架的重要组成部分，因而对减震器的研究一直是汽车研究设计的一个重点项目。在目前的技术基础上以及专业认识上，磁流变减震器无疑是最具有发展潜力的一款减震器。磁流变减震器已经出现并应用于凯迪拉克等豪华轿车上，因而，对磁流变减震器的研究与探索，以及为更快、更好地普及磁流变液减震器在汽车上的应用，我们应该为之努力奋斗。 37 致谢致谢踉踉跄跄地忙碌了一个学期，我的毕业设计也终将完美落幕。打开电脑，看到最终的成果，虚荣的成就感也会偶尔冒上心头。此次论文在朱石沙老师的悉心指导下顺利完成了。在这几个月里，老师渊博的专业知识、严谨的治学态度、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了更加远大的学习目标、掌握了基本的研究方法，还明白了许多为人处事的道理。大学四年的学习最终融入到 4 个月的设计中，我不禁有点害怕，怕自己的能力不足以完成本次设计。面对这样的状态，老师和指导师兄他们细心指导，同学、朋友他们热情鼓励，我终于顺利的完成了本次设计。在这里请接受我诚挚的谢意！四年寒窗，所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的创新能力、思维方式、表达能力和广阔视野。很庆幸这四年来我遇到了如此多的良师益友，无论在学习上、生活上，还是工作上，都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在一个充满温馨的环境中度过我的大学时光。感恩之情难以用言语量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。最后要感谢的是我的父母，他们不仅给我提供一个温暖的家，还教出了勤奋、善良、上进的我，更为我提供了一个展翅翱翔的空间，因为有他们才有了现在的我，才让我拥有了走向更好的未来的机会。在毕业后的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷切期望！ “没有比脚更长的路，没有比人更高的山。 ”这是我的座右铭。我知道我没有超凡的天赋，也知道我没有富有的家庭，我所拥有的只是一个永不放弃的大脑，一个敢想敢做的大脑，一个用实力去闯荡的普通人。大学生活即将匆匆忙忙地过去，但我却能无悔地说： “我曾经来过。 ”大学四年，但它给我的影响却不能用时间来衡量，这四年以来，经历过的所有事，所有人，都将是我以后生活回味的一部分，是我为人处事的指南针。就要离开学校，走上工作的岗位了，这是我人生历程的又一个起点，在这里祝福大学里跟我风雨同舟的朋友们，一路走好，相信未来总会是绚烂缤纷。 38 参考文献参考文献 1彭来森.基于磁流变阻尼器的车辆半主动悬架控制研究D.广州: 华南理工大学, 2010. 2潘明峰.磁流变液减振控制系统的设计与研究D.北京理工大学硕士论文，2008 3欧进萍.结构振动控制:主动、半主动和智能控制M.北京:科学出版社，2003. 4周云，谭平.磁流变阻尼器控制理论与技术M.北京：科技出版社，2007. 5孙文策，李元明.工程流体力学M.大连:大连理工出版社，2003. 6Ralf Bolter.Design Rules for MR FluidActuators in Different Working ModesJ.SPIE，1997,30:148-159. 7熊超,申小海.磁流变器件设计中的关键技术J .磁性材料及器件，2008，8(3)：36-51. 8国家机械工业局.QC/T 491-1999 汽车筒式减振器尺寸系列及技术条件S，1999. 9刘奇，张平，王东亚.磁流变体(MRF)材料的制备及性能研究M .功能材料，2001. 10兰文奎.磁流变减震器设计与实验研究D .重庆大学，2007. 11许立，许守泽，朱龙昌.新编电工材料手册M .广东:科技出版社，2004. 12廖昌荣，余森，杨建春，陈伟民，黄尚廉.汽车磁流变减振器设计中值得注意的若干技术问题M.汽车技术，2001. 13孙鸿.磁流变减振器设计及控制系统仿真D.吉林大学硕士论文，2003. 14林其壬，赵佑民.磁路设计原理M.北京:机械工业出版社，1987. 15黄志刚，毛志怀.减振器的外特性计算与实验研究J.机械设计与制造.2002,12（6）:91-95. 16王炅,黄文良.磁流变阻尼器动力学模型及其应用J.弹道学报,2003,15(1):46-50. 39 附录附录 1 1 ：译文译文巨电流变液屈服应力的新研究巨电流变液屈服应力的新研究摘要摘要：本文提出了一种新的可以精确地模拟巨电流变液（GER）实验数据的屈服应力换算公式。新公式修正了贝塞尔函数在低电场强度预测的极化效应占主导作用和极性分子主导巨电流变行为的两个部位的应用，以及对范围广泛的电场强度单线屈服应力的折叠实验数据。关键字关键字：电流变液，巨电流变液，屈服应力。简介简介电流变液（ER）一般由均匀的介质悬浮颗粒组成，该悬浮颗粒由于介电常数和导电性的不匹配在交流或直流电场区域粒子便会发生极化1。当在电场强度下，由于纤维结构的形成，电流变液迅速凝固，从而使流体的粘度显著提高 2-5。与此相反的由软磁性粒子组成的磁流变液（MR）在外加磁场下分散在硅或矿物油具有高达 100 千帕的最大屈服应力，这是由它们的组合物和粒子浓度和磁场强度决定的6-8，通常电流变液 ER 流体具有最大屈服应力的几个数量级的千帕。各种物质，包括高介电无机物，孔颗粒和导电聚合物以及它们的复合材料已被引入作为 ER 材料8-12。虽然这些智能 ER 材料已经存在了几十年，巨电流变液（GER）的发现仍然在这个区域开设了一个新的典范。该 GER 液通过在施加电场强度后表现出的区别近乎线性的屈服应力和超过 130 千帕显示屈服强度来辨认，这比传统的电流变液的屈服应力的理论上限要高得多 1315。此外，GER 材料对液体（连续相）的润湿性高度敏感，这需要详细了解关键的控制参数，如依赖与电场强度的屈服强度等参数的影响因素。 Huang 等人提出了 GER（图 1a）的机制。 16，其中相邻球之间的接触区域显示出了具有高能量的饱和的极化配置。图 1. a 表面极化层模型示意图16.b 传统 ER 效应机制的(极化模型)20 同时，屈服应力是在 ER 装置中的关键设计参数，并在相当多的实验中和理论中被重视。文献中对这个问题的详细研究表明，一些标准模型已经被提出来分析在典型 ER 液中电场强度分段区域的ER 行为。两种最流行的观点是“两极分化模型”17和“传导模型”18，19，前者是由麦克斯韦 40 - 瓦格纳提出的，他认为这是这电场强度下的屈服应力的二次变化所产生的。而后者显示出其依赖于电场强度作用下的屈服应力的规律。 ER 响应的根源说法是由于悬浮液中的颗粒（纤维结构体）的聚合，这是被普遍认可的观点。这些聚集体的形成是由于介电常数不匹配的悬浮液和固体颗粒从而生成极化的材料。只有当所述固相的导电率大于该分散介质才能形成纤维结构。作为一种理想化的 ER 系统，其中均匀电介质硬球分散于牛顿流体介质，如图 1b 所示20，该衍生的静电力被认为是依赖于粒子和连续媒体21之间的不匹配的电解质常数，以及屈服应力（Y）正比于施加的电场强度的平方，E0，如下所示： fEKfy02 （1）其中为颗粒的体积分数， KfKpKfKp2/是无量纲的介电失配参数。这种两极分化的模型对小和低 E02224中的数据非常吻合。然而，在某些系统中，屈服应力行为已经被发现不符合极化模型，这是由于颗粒和液体介质的导电性不匹配，而不是电介质常数失配，这需要被认为主导因素是直流的和低频交流激励19。无论施加电场后的微观结构是否变化，传导模型中的粒子都在悬浮液微结构完全形成后相互作用。另一方面，在 GER 液沿与 ER 液成为与许多纳米颗粒和复合材料相关的最有趣的智能材料中的一种。然而，在 GER 流体领域中，有一个普遍的信念，依赖于外加电场（E）的屈服应力是线性的，这是正常的电流变液不同。因此，基于我们对两种 ER 和 MR 流体多年的经验，我们提出了一个新的通用屈服应力换算关系，首次构造精确模型，该公式符合先前报道的其他研究 GER 流体的小组实验数据。我们相信，通用功能，屈服应力在这项工作中提出将打开一个 GER 流体应用的大门。新的通用屈服应力公式新的通用屈服应力公式在这两种模式的一大缺点是，他们都没有准确地描述 ER 对整个范围的电场强度的响应，只提供一个限制的行为，即在低场强的极化，而非高场强处的线性导电模式。这促使我们提出了一个在过去缩放功能的电流变液的屈服应力 25，其中以聚苯胺为基础的微胶囊化的 ER 系统被选为一个表现在被称为临界磁场强度的一定的磁场强度中由偏振到传导机制的急剧转变的例子，。在公式 2 中，给出的这种扩展方法，即一个普遍的屈服应力公式的介绍，有一个统一的结果：大量的数据集折叠成一条曲线。另外，我们可以将整个数据集集成一个改变参数的制度，如 Ec 来自然地说明以偏振为主区域和以传导为主的区域之间的过渡。尺度函数为： EcEEcEEEy/00tanh020 （2）可以观察到，方程 2 有两个不同的限制条件，低和高的电场如下： EE0202y （3a） 41 式中在描述极化下，E0EC。 EEEcEy05.1002 （3b）式中在描述性传导下，E0EC。方程 2 可以缩写为: EEtanh5.1313.1 （4）式中，ECEE0，ECyEy0，EcEcy2， Ec2762.01tanh 正如极化模型预期的那样，方程 3a 和 3b 表明y在低场强下与E02成正比。以及E023在高场强下，正如导电模型的预测的那样，与 Davis 和 Ginder 26收集到的各种 ER 液的数据相符。其他几个研究小组也报告屈服应力的这种作为调节一个基于电场强度为乳液 27，和在介孔二氧化硅为基础的导电聚吡咯的电流变液28的功能。需要注意的是近期搜索引擎优化29提出了一种简单的指数模型方程，其应用于交直流两用，并公开了电流变液的参数数据。另一方面，对于包含基于纳米颗粒的悬浮液的 GER 流体，有报道16，30，31称其吸附在颗粒上的极性分子被认为是使得其聚集成沿磁场方向排列的驱动力。 GER 流体的屈服应力呈现出上施加电场几乎呈线性关系。然而，我们发现，先前提出的屈服应力和所施加的电场之间的关系不适合于所有的 GER 系统。在某些 GER 系统，屈服应力在低场强以 E02变化，二在高场强下依赖与 E0的成线性变化。为了建立准确的 GER 流体的屈服应力的模型，我们现在介绍了一种新的尺度函数表示为： ECEIECEECEIEEy00001020 （5）在这里，I1和 I0分别为塞尔函数的函数值被修改的后的优化值。式（5）的两个限制条件如下： E0EC，EEEcEI0001，常数01EcEI，于是得到： EEy020 （6）然而，当E0EC时，xexEcEI201且xexEcEI200，因此得： EEy00 （7）为了获得式（4）所示类似的换算功能，我们首先计算Ecy为： EcIIEcEcy2446.010112 （8） 42 并取得屈服应力一个新的换算关系为： EIEIEEcyEy01242.20 ，EcEE0 （9） GER 的测试选择核 - 壳为 SiO2-CTP 的基于纳米颗粒的流体13 （二氧化硅（质量分数为 2.3）-CTP 液（67重量））结合 CTP 层上的 SiO2球形表面通过共沉淀过程中的试验。制造以下的方法中的样品，其中，所述涂覆过程之后，在 SiO 2-CTP 纳米颗粒仍保持球形形态和粒径分布格局，这是其在不同的电场下分散在硅油中做的 ER 调查。在二氧化硅（质量分数为 2.3）-CTP 基于 ER 流体表现出显着的 ER 效果与 109 千帕的非常高的剪切应力 5kVmm-1，这几乎是两倍于从 CTP ER 流体获得的剪切应力（65 千帕）。该反应是如式（9）所示。图 3 所示为与式（9）相同的响应。很明显，这个表达式出色适合广泛的数据，即使在饱和极化集（其中，屈服应力是线性正比于电场强度），这是 GER 流体的一个特征值。张等人32使用了两个单独的临界磁场强度（使用方程 3a 和 3b），以适应数据，而临界场强值采用方程 9，以适应实验数据更好。我们也修复了屈服应力与颗粒电能密度（图 3 中的文献33）在不同电场强度的关系和重新绘制屈服应力与电场强度为样品 1，如图 2 所示。文献33中的 GER 流体由草酸氧钛钡颗粒与细脲涂料和硅油组成，其中，所述脲涂料具有的显著电介质响应。在 4 kV mm-1，固体粒子的体积分数约为 30的样品 1 的屈服应力测量被接近 100 千帕。而且可以发现，样品 1 的屈服应力在低电场强度下成正比 E02，而在高电场强度下接近与 E0如图 2 所示。此外，样品 1 的实验数据也可以通过提出式（9）（图 3）折叠成一个单一的曲线。图 2 样品 1 的屈服应力和电场强度引自文献33和 SiO2（质量分数为 2.3）-CTP ER 流体引自文献 13 43 图 3 样品 1 中无量纲的的和 E 的图引自文献33和 SiO2（质量分数为 2.3）-CTP ER 流体引自文献 13 结论结论我们提出了一个新的表述 GER 流体屈服应力公式，这对于建立 GER 流体分子设计标准很重要。我们发现了这个新的修正了的贝塞尔函数可以预测主要在低电场强度应用的极化效应和施加极性分子主导 GER 行为的两个区域的情况，以及在广泛范围的电场强度下，屈服强度在某些时候与电场强度成线性关系的情况。 44 附录附录 2 2 ：英文原文：英文原文 New analysis of yield stress on giant electrorheological fluids Abstract A new universal yield stress scaling equation is proposed to accurately model experimental data for giant electrorheological (GER) fluids. This new equation expressed in modified Bessel function predicts both regions of polarization effect predominant in the low electric field strength applied and polar molecule-dominating GER behavior, as well as collapses the experimental data of yield stress in a single line for a broad range of electric field strengths. Keywords :Electrorheological fluid.Giant electrorheological fluid.Yield stress Introduction Electrorheological (ER) fluids are in general made by suspended particles in a medium oil whose dielectric constant or electrical conductivity is mismatched to create dipolar particle interactions in the presence of an AC or a DC electric field 1. The ER fluids rapidly solidify, or at least increase their shear viscosity drastically, when exposed to an electric field due to the formation of fibrillar structures 25. In contrast to the magnetorheological (MR) fluids consisting of soft magnetic particle dispersed in a silicone or mineral oil under an applied magnetic field with an apparent maximum yield stress up to 100 kPa depending on their composition 68 and particle concentration and magnetic field strength, typical ER fluids have a maximum yield stress on the order of several kilopascals. Various substances including the high dielectric inorganics, mesoporous particles, and conducting polymers as well as their composites have been introduced as ER materials 812. Although these smart ER materials have been in existence for several decades, the discovery of giant electrorheological (GER) fluid has opened a new paradigm in this area. The GER fluids are distinguished via exhibiting nearly linear yield stress dependence on applied electric field strength and display yield strength beyond 130 kPa, which is much higher than the theoretical upper limit for the yield stress of conventional ER fluid 1315. Furthermore, GER materials are highly sensitive to the wettability of the liquid (continuous phase), which requires a robust knowledge of key control parameters such as yield strength dependence on electric field strength. The mechanism of GER (Fig.1a) was presented by Huang et al. 16, in which the contact region between the neighboring spheres show a saturation polarization configuration with a higher energy. Meanwhile, the yield stress is a critical design parameter in ER devices and has attracted considerable attention both experimentally and theoretically. A detailed study of literature in this subject shows that a number of benchmark models have been put forth to analyze ER behavior of typical ER fluids in piecewise 45 regions of electric field strengths. The two most popular schools of thought are“polarization model” 17 arising from the MaxwellWagner interaction, which gives a quadratic variation of yield stress on electric field strength, and “conduction model”18, 19 which exhibits a power law dependency of yield stress on electric field strength. It generally is accepted that the origin of the ER response is primarily due to the aggregation of the particles (fibrous structure) in the suspensions. The formation of these aggregates is ascribed to polarization of the materials due to the permittivity mismatch between suspending fluid and solid particle. The formation of fibrous structures is only possible if the conductivity of the solid phase is larger than that of the dispersing medium. For an idealized ER systemwhere uniform dielectric hard spheres are dispersed in a Newtonian fluid medium as shown in Fig.1b 20, the derived electrostatic force was found to be dependent on thedielectric constant mismatch between the particles and the continuous media 21,and the yield stress (y) is proportional to the square of applied electric field strength,E0, as follows: fEKfy02 （1） Whereis the volume fraction of the particles and KfKpKfKp2/ is the dimensionless dielectric mismatch parameter. Here, Kp and Kf are the dielectric permitivities of the particles and the fluid, respectively. This polarization model shows excellent agreement with the data for small and lowE02224. However, the yield stress behavior in some systems has been known to not successfully follow the polarization model, since the conductivity mismatch between particles and liquid medium, rather than the dielectric constant mismatch, needs to be considered as a dominant factor for DC and low frequency AC excitations 19. The conduction model accounts for the particles interaction after the suspension microstructure has been fully formed, regardless of the microstructural changes when the electrical filed is applied. On the other hand, the GER fluids along with normal ER fluids become one of the most interesting smart materials associated with many nanosized particles and composites.However, in the field of GER fluids, there is a general belief that the yield stress dependence on applied electric field (E) is linear 46 inEwhich is different from the usual E02 dependence for normal ER fluids. Therefore, based on our many years experience in both ER and MR fluids, we propose a new universal yield stress scaling equation for the first time to accurately model previously reported experimental data for GER fluids from other research groups. And we believe that the universal function for yield stress presented in this work will open a gateway for GER fluids. New universal yield stress equation A major shortcoming in the two models is that both of them do not accurately describe the ER response for an entire range of electric field strengths, but only provide a limiting behavior, i.e., the polarization at low field strengths while nonlinear conduction model for high field strengths. This motivated us to propose a scaling function for yield stress of an ER fluid in the past 25, where the microencapsulated polyaniline-based ER system was chosen as an example which exhibited a sharp transition from polarization to conduction regime at a certain field strength termed as critical field strength,Ec. The introduction of this scaling approach given in Eq.2, a universal yield stress equation, had a unified result: vast amounts of data sets collapsed into a single curve. In addition, we could fit the entire data set while incorporating a regime changing parameter such as Ec that naturally illustrates the transition between polarization-dominated and conduction-dominated region. Our scaling function is given as: EcEEcEEEy/00tanh020 （2） It can be observed that Eq. 2has two distinct limiting behaviors for low and high electricE0as follows: EE0202y （3a） EEEcEy05.1002forE0EC,descriptive of conduction （3b） Equation2can be scaled as: EEtanh5.1313.1 （4） Here，ECEE0，ECyEy0，EcEcy2， Ec2762.01tanh. Equations 3a and 3b indicate that y is proportional to E02 at low E0, as expected from the polarization model, and to E03/2 at high E0, as predicted from the conductivity model, corresponding well with the data collected by Davis and Ginder 26 for various ER fluids. Several other research groups also reported such behavior of yield stress as a function of an electric field strength for emulsion based 27 and conducting polypyrrole in mesoporous silica-based ER fluids 28. Note that recently Seo 29 introduced a simple exponential model equation correlating well with both AC and DC filed data of ER fluids. On the other hand, for the GER fluids including nanoparticle-based suspensions, it is reported 16, 30, 31 that the p

温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。