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机械毕业设计车辆工程
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CL01-222@磁流变式汽车减振器设计,机械毕业设计车辆工程
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黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 磁流变减振器基于 Matlab 的仿真分析 潘鹏山 摘要 ： 基于磁流变减振器在汽车悬架减振系统半主动控制中的广泛应用，根据磁流变液的特点和磁流变减振器阻尼力与结构参数的关系，设计了新型的磁流变减振器，并对影响磁流变减振器性能的参数进行了仿真。仿真表明，该磁流变减振器设计计算是一种能优化阻尼力的有效算法。 关键词 ：磁流变减振器；半主动控制；磁流变液 1.1 减振器的阻尼力计算模型 本文选用剪切阀式磁流变阻尼器工作模式进行结构设计，在结构设计前，必须明确该工作模式磁流变液的流变方程，继而推导出磁流变阻尼力的计算模 型，这是结构设计过程中的依据所在。基于剪切阀式磁流变阻尼器的阻尼通道的宽度远大于其阻尼间隙，因而可简化成磁流变液在两相对运动平板之间的运动。为了简化分析，工作于剪切阀式的磁流变阻尼力可以看成是在阀式工作模式下的阻尼力和剪切工作模式下阻尼力的叠加。 在外加磁场作用下，磁流变液表现 Bingham 流体，其磁流变液在平板的流动和速度分布如图 1.1所示，其本构关系可用下列方程描述： yuyuy dddd sgn y （ 1.1） 0dyduy（ 1.2） nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 图 1.1 磁流变液在平板中的流动和速度分布 在阀式工作模式下磁流变液的速度分布如图 1.1所示。假设磁流变液的体积流速Q在 x方向上一维流动，在 y方向上不流动。设两平板之间的间隙为 h，长度为 L，宽度为 b，由流体力学可得下列微分方程： yuvxuutuyx yxxx （ 1.3） 式中 u、 v分别是磁流变液在 x、 y方向上的流动速度；xxy是磁流变液在 x方向的压力梯度，为了简化将压力梯度是为 x方向线性变化xxy=lp-， l是阻尼通道的长度；p 是阻尼通道两端的压力差； 是磁流变液的密度； t是时间变量；由于流动速度低，可不计惯性效应， 0yu；令沿 x的剪切应力 xy，由于磁流变流动的连续性，沿x方向的速度不变即 0 tuyuxu则方程（ 1.3）简化为： lpdyd（ 1.4） 对其积分可得： 1p Dyl （ 1.5） D是待定的积分常数。 由公式（ 1.4）可知，磁流变液受到的剪切应力沿平板间隙是按线性分布的，靠近平板的磁流变液受到的剪切力最大，而中间对称面上的磁流变液受到的剪切应力最小，根据极板两端压差产生的剪切应力与极板附近磁流变液的临界剪切屈服应力比较，当前者小于后者磁流变液静止不动；当前者大于后者将产生如图 1.1所示的流体状态，即靠近平板处得磁流变液流动；而中间对称区间的磁流变液不流动。可将此时的磁流变液的流动分为屈服流动，刚性流动，屈服流动三个区域。 区域 ：屈服流动 1y0 y 剪切应变率 0d dyu，由公式（ 1.1）可得： dydu y（ 1.6） nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 将公式（ 1-6）代入公式（ 1.5）中，并注意 u（ 0） =0， 0dydu 1 yu求解微分方程如下： 1y DyLpdydu （ 1.7） 1y1 yLpD （ 1.8） 122u yyyLpy （ 1.9） 区域 ：刚性流动 21 yyy ，剪切应变率 0d dyu，同理可得： 211 2 yLpyuyu （ 1.10） 区域 ：屈服流动 hyy 2 ，剪切应变率 0dydudydu y-（ 1.11） 将公式（ 1.11）代入公式（ 1.5），已知 u(h)=0， 0du2 yudy，求解微分方程得： 2y1 - yLpD （ 1.12） 22222)(u yhyyLpy （ 1.13） 由公式和（ 1.8） 公式（ 1.13）相减可得刚性流动区得厚度 为 pLy y 2y12（ 1.14） 由于存在 21 yuyu ，由公式（ 1.9）和公式（ 1.13）可得 221 )(22p yhLpyL （ 1.15） hyy 12 （ 1.16） nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 由公式（ 1.14）和公式（ 1.16）可得： pLhy y21；pLh y2y 2（ 1.17） 流经平板间隙的磁流变液的体积流量 Q可有下列得到： 1 21 2000 )()()()( y yy hyhp dyyudyyudyyubdyybuvAQ（ 1.18） 代入化简可得 LpLphLphbQ yy22122 （ 1.19） 经进一步化简可得压差近似公式： yp hcLbhLA 312p （ 1.20） 考虑到阻尼器的实际阻尼通道为环形通道，流动模式下的阻尼力可以表示为： yPpp hc LAvbh LApAF 22420321 (1.21) 式中pA为活塞受压的有效面积。 在移动平板的影响下，磁流变液发生屈服流动，剪切模式下磁流变液的速度分布如图 1.2所示。剪切应变率 0dydu，则由公式（ 1.1），剪切应力可表示为： dydu y-(1.22) 假如磁流变液的速度是沿 y方向分布如图 1.2所示，即hvdyu 0d 图 1.2 剪切模式下磁流变液的速度分布 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 剪切模式下的阻尼力： ybLvhbLLF 22b2 02 (1.23) 混合工作模式的阻尼力可视为流动模式、剪切模式两种工作模式下的阻尼力的叠加。即 21 FFF ，由于符号的正负只反映活塞运动的方向，因此，整理上式得： ypp bLhc LAvhLbbhLAF 22224032 (1.24) 式中参数 c变化范围 2-3，本文 c=2，因此剪切阀式磁流变阻尼器阻尼力为： ypp bLhLAvhLbbhLAF 24224032 (1.25) 4-2122 DDAp ； 2 42 DDb 公式可以改为： re FvCFFF 0(1.26) 0032 224 vCvhLbbhLAFep (1.27) )(s240vgnbLhLAFyp (1.28) 式中粘滞阻尼力系数：hLbbhLAC p 22432e ；库伦阻尼力： )s g n (240vbLhLAFyp ；0v为磁流变阻尼器活塞运动速度； sgn为符号函数 ；y为 30-50KaP从上式可以看出磁流变阻尼器的阻尼力由两部分组成，一部分由液体流动时液体粘性产 生的粘滞阻尼力，而另一部分由磁流变效应产生的库伦阻尼力组成。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 1.2 磁流变减振器的仿真分析 磁流变减振器的数学模型采用公式 1.25，建立磁流变减振器的仿真模型如图 1.3所示 。 图 1.3 仿真模型 图 1.4Matlab 仿真图 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 由公式（ 1.25）作为数学模型可进行计算 。 F=（3-9-38-210.50 7.2022.1011.00210.5022.10 107.651.107.2024 ）0V+ （ 11.0022.10210.50 107.6511.004 3-4- ） 340 =1504.50V+2108 上式的计算结果是在阻尼间隙为 0.6mm 是计算而得。在不同的速度下可计算出不同的磁流变阻尼力的值。 图 1.4 是磁流变减振器的间隙在 0.6mm 时，各个速度下阻尼力的大小。从图中可以看出磁流变减振器的阻尼力随速度的增大而增大。这符合磁流变减振器对阻尼力的要求。 如上变化可 绘制在不同的间隙和不同的速度下，阻尼力的变化关系，表 1.1 就是磁流变减振器在不同缝隙和不同速度下的阻尼力大小。 表 1.1 磁流变减振器的阻尼力随缝隙和速度的变化关系 缝隙 mm 速度 sm 0.4 0.5 0.7 0.9 1 N阻尼力 0.5 2709.8 2860.25 3161.15 3462.05 3612.5 0.8 1455.12 1491.9 1565.46 1639.02 1675.8 1.0 983.4 1002.25 1039.95 1077.65 1096.5 1.5 810.48 816.1 827.34 838.58 844.2 2.0 597.56 599.95 604.73 609.51 611.9 由上表中可以看出，随之缝隙的增加，在一定的速度下，阻尼力是随之缝隙的增加而减小的，在一定的缝隙大小的情况下，随着速的增加，阻尼力是增大的，这与汽车实际的行驶情况是一致的。 1.3 总结 本章是对磁流变阻 尼器的仿真，在仿真的过程中，首先要建立磁流变减振器的数学模型，因为只有建立了磁流变减振器的数学模型，才能为下一步的建立仿真打下基础。仿真运用的软件为 Matlsb软件，在建立了模块后，输入不同频率和电流来找到最大的阻尼力。并分析了影响减振器阻尼力大小的速度和电流的因素。得出了减振器的阻尼力与电流和频率的关系。 参考文献 ： nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 1王金钢，等 .磁流变阻尼器阻尼性能仿真研究 J.石油机械， 2006,34（ 10）： 19-23 2蒙延佩，等 .汽车磁流变阻尼器磁路设计及相关问题 J.功能材料， 2006（ 5）：768-770 3司诰，等 .磁流变阻尼器管道流动特性研究 J.功能材料 ,2006（ 5）： 831-833 4蒋建东 .梁锡昌 .张博适用于车辆的旋转式磁流变阻尼器研究 期刊论文 -汽车工程2005（ 1） 5徐永兴 .曹民 .磁流变减振器优化的设计计算 J.上海交通大学学报 ,2004， 38（ 8）：1423-1427 6贺建民等，磁流变减振器的分析与设计，第五届全国磁流变液及其应用学术会议，2008.10 7徐伟，汽车悬架阻尼匹配研究机减振器设计，农也装备与车辆工程， 2009.6 8Lai C Y,Liao W H.Vibration Control of a Suspension System Via a Magnetorheo logical FluidDamper.Journal of Vibration and Control,2002,8(4):527-547. 9Yang G,Spencer Jr BF,Carlson JD,et al.Large scale MR fluid Damper: Modeling and Dyamic Performance Considerations.Engineering Structures,2002,24:309-323 nts 本科学生毕业 设计 磁流变式汽车减振器设计 系部名称： 汽车工程系 专业班级： 车辆工程 B07-11 班 学生姓名： 潘鹏山 指导教师： 安永东 职 称： 副教授 黑 龙 江 工 程 学 院 二 一一 年六月 nts The Graduation Design for Bachelors Degree Design of Magnetorheological Dampers Candidate： Pan Pengshan Specialty： Vehicle Engineering Class： B07-11 Supervisor： Associate Prof. An Yongdong Heilongjiang Institute of Technology 2011-06 Harbin nts I 摘 要 磁流变阻尼器作为优秀的半主动控制器件，已被广泛运用于各种场合的振动控制。为改善汽车的乘坐舒适性和行驶安全性，提出一种汽车磁流变半主动悬架的控制策略。采用磁流变减振器的车辆半主动悬架系统，由于磁流变阻尼器结构简单、能耗低、反应迅速且阻尼可调，正在成为新型车辆悬挂的发展方向，本文基于磁流变可控流体本构关系的 Bingham 模型，对影响车用磁流变减振器的阻尼力的各种因素进行了综合分析。本文中介绍车用阻尼器的应用与研究现状；磁流变液的组成及磁流变效应基本原理，分析磁流变减振器的工作原理及其数学模型，结合 国内外最新研究成果，综述用于汽车悬架的 MR减振器的仿真模型、控制方法。磁流变液作为流变学特性可控的一种智能材料，应用十分的广泛。 关键词： 半主动悬架；磁流变效应；磁流变减振器；仿真模型；磁流变液 nts II ABSTRACT Magnetorheological damper is one of the most excellent new devices for semi-active control.A control strategy of automobile magneto-rheological semi-active suspension was proposed to improve the riding comfortableness and traveling safety of automobile.Mage- torhological dampers will be an ideal componet of semi-active vibration control in vehicle suspension system for reasons of structure,small volume,energy saving,rapid response and smooth damping.In this paper,based on Bingham model,the damping force of a MRF da- mper is analyzed.And all the factors that affect the damping force of an MRF damper are discussed.In addition the application and research status of automobile damper were intro- duce as well as the principle of magneto-rheological effect and the composition of the mag- neto-rheological fluid.Working principles and models of the automobile magneto-rheologi- acl damper was analyzed and the future focus was discussed after summaring the simulation models,control method and testing technology of automobile mageneto-rheologiacl damper of automobile suspensionAs a kind of controllable smart material,magneto-rheological fluid has gained the extensive attention. Key words: Semi-active suspension； Magneto-rheological effect； Magneto-rheological damper； Simulation model； Magneto-rheologica fluid nts 目 录 摘要 . Abstract . 第 1 章 绪论 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 磁流变液的研究 . 1 1.3 磁流变阻尼器研究现状 . 2 1.4 研究的主要内容 . 3 第 2 章 磁流变阻尼 器的力学模型 . 5 2.1磁流变液效应及流变机理 . 5 2.2 磁流变阻尼器工作模式 . 6 2.3 参数计算模型 . 7 2.4 本章小结 . 9 第 3 章 磁流变阻尼器的设计 . 10 3.1 磁路设计的影响因素 . 10 3.1.1密封件的选择 . 10 3.1.2 漏磁分析 . 11 3.1.3磁性材料的选择 . 12 3.1.4退磁 . 13 3.1.5磁流变阻尼器的动态范围 . 13 3.1.6阻尼间隙的选取对阻尼器性能的影响 . 13 3.1.7阻尼通道有效长度的选取对阻尼器性能的影响 . 13 3.1.8磁路结构的分析 . 14 3.2磁流变减振器线圈的设计 . 14 3.3磁流变减振器的结构设计 . 15 3.3.1结构方案的确定 . 15 3.3.2磁流变 减振器结构优点 . 16 nts 3.4磁流变减振器磁路的设计 . 16 3.4.1有关参数的初步确定 . 16 3.4.2已有参数的确定 . 17 3.5磁路相关参数的计算 . 19 3.5.1 磁路的计算 . 19 3.6 工作缸的计算 . 20 3.7 本章小结 . 22 第 4 章 磁流变减振器基于 Matlab 的仿真分析 . 23 4.1减振器的阻尼力计算模型 . 24 4.2磁流变减振器的仿真分析 . 28 4.3本章小结 . 29 结 论 . 31 参考 文献 . 32 致 谢 . 33 附 录 . 错误 !未定义书签。 附录 A外文文献原文 . 错误 !未定义书签。 附录 B外文文献翻译 . 错误 !未定义书签。 nts 1 第 1 章 绪 论 1.1 概述 汽车在行驶过程中，由于路面的不平坦，导致作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力起伏波动，通过悬架传递到车身，从而产生振动和冲击。这些振动和冲击传到车架与车身时可能引起汽车机件的早期损坏，传给乘员和货物时，将使乘员感到极不舒服，货物也可能受损伤，严重影响车辆的平顺性和操纵稳定性以及车辆零部件的疲劳寿命。为了缓解冲击，在汽车悬架中装有弹性元件，但弹性系统在冲击时产生振动。持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳，因此汽车悬架中装有阻尼器。 传统被动悬架不能适应复杂的道路激励和不断变化的行驶工况，因此开发一种能够根据路面情况和车辆运行状态的变化、实时调节其特性，既能保证汽车的操纵稳定性，又能使汽车的乘坐舒适性达到最佳的状态的智能悬架系统势在必行。近年来，半主动控制悬架系统，能够大幅度提高车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性，非常适合用于车辆悬架系统的特点，使对它的研究有了较大发展。 磁流变阻尼器作为半主动控制悬架的执行元件，以磁流变液为介质，通过对输入电流的控制，使其对外加磁场强度发生改变，进而可在毫秒级使磁流变液的流变性能发生变化，实现流体和半 固体之间的转变，从而能够提供可控阻尼力，其具有结构简单、控制方便、相应迅速、消耗功率小和输出力大等优点。目前国内外对双筒式磁流变阻尼器研究内容较少，因此，对双筒式磁流变阻尼器的设计以十分必要。 1.2 磁流变液的研究 所谓磁流变液（ Magnetorheological Fluid, MFR），是一种在外加磁场的作用下起粘性和塑性等流变特性发生急剧变化的材料。其基本特征是在外加磁场的作用下载毫秒的时间内能够快速、可逆地从自由流动的液态转变为半固体，并且呈现可控的屈服强度。 磁流变液主要由三部分组成，他 们分别为软磁性颗粒、载液以及为了防止磁性颗粒沉降而添加的在总组成成分中所占比例很少的添加剂。 1） 软磁性颗粒 软磁性颗粒主要由铁钴合金、铁镍合金、羟基铁等常规的性能优良的颗粒，使用最多的磁性颗粒为羟基铁粉，因为它是工业化生产，产量大、价格便宜，一般成球状，直径尺寸为 1-10微米，其具有如下特点： nts 2 （ 1）高磁导率，这可以使颗粒在较小的外磁场下，便可磁化成具有较大磁能的颗粒，从而产生较大的剪切屈服强度，以满足磁流变液低能耗的性能指标； （ 2）低磁矫顽力，即具有良好的退磁能力，基本上不存在剩磁，这是磁流变液可以恢复零 磁场状态的要求； （ 3）体积小、内聚力小； （ 4）具有高饱和磁化强度。 ）载液 可用作载液的液体有硅油、矿物油、合成油、水合乙二醇等，对载液的要求是温度稳定性好、非易燃，且不会造成污染，其具有一下特征： （ 1）高沸点、低凝固点，这可以保证磁流变液有较高的工作温度范围，在工作过程中，使磁流变的物理、化学性能稳定； （ 2）高密度，缩小载液体与磁极化粒子的密度差解决磁流变液沉淀问题的最有效的方法； （ 3）低粘度，确保磁流变液具有零磁场粘度低的要求，使磁流变器件具有更大的调剂范围； （ 4）化学稳定性好； （ 5）具 备较高的击穿磁场； （ 6）无毒、无异味、价格低廉。 1.3 磁流变阻尼器研究现状 磁流变阻尼器因其具有结构简单、控制方便、响应迅速、消耗功率小、抗污染能力强和输出力大、阻尼力连续可调等优点，在汽车、机械、土木建筑等的振动领域得到了广泛的应用和发展。目前，磁流变阻尼器已取得了广泛地发展和应用，其结构形式的研发也层出不穷，根据设计结构出现的时间顺序，可分为常规磁流变阻尼器、改进新型磁流变阻尼器以及全新型磁流变阻尼器。 常规磁流变阻尼器，即根据磁流变阻尼器的工作模式而设计出，单级活塞线圈内置式磁流变阻尼器。重庆大 学的廖昌荣、余淼等人是国内最早研究磁流变阻尼器的研究人员，他们根据磁流变体的 Bingham 模型描述，提出了混合工作模式的汽车磁流变减振器的设计原理，如图 1.1 活塞在工作缸内作往复直线运动，利用线圈产生的磁场来控制磁流变液在阻尼通道中的流动，对减振器的阻尼力实现控制。并且按照长安微型汽车的技术和磁流变液体的性能设计和制作了微型汽车磁流变减振器，并根据长安微型汽车前悬架减振器的技术条件对此进行了实验测试。 nts 3 图 1.1 混合模式磁流变阻尼器工作原理 佛山大学汪建晓以及华南理工大学王世旺等人研制了一种自定心挤压式 磁流变弹性阻尼器。以上几种磁流变阻尼器的设计都是在磁流变阻尼器几种工作模式基础上研制出来的单级活塞，线圈内置换绕的磁流变阻尼器。 哈尔滨工业大学的涂奉臣、陈照波等人根据工程上出现的常规阻尼器在高频振动是刚度硬化现象，使高频传递率增大而提出一种带有解耦结构的新型磁流变阻尼器，其结构上的改动并不大，只是将活塞与活塞杆分开，然后利用解耦机构将活塞与活塞杆连接起来，其解耦结构由两个限位挡板和两个螺旋弹簧组成。 南京林业大学的徐晓美等人提出了一种线圈绕于工作缸外的新型磁流变阻尼器。为了避免将激励线圈绕于工作缸外，磁流 变阻尼器中大部分磁力线将平行于磁流变液的流动方向，而无法满足磁流变液产生剪切屈服强度的现象，此结构在工作缸外增加了磁靴结构，既减少了漏磁，又引导磁路使磁力线垂直于磁流变液流动的方向。宁波大学的苏会强等人根据磁流变液在磁场作用下可进行固 -液转换的特点，设计了一种回转式阻尼器。并建立了相应的阻尼器力矩模型。 1.4 研究的主要内容 本文主要内容是对普通的汽车用减振器进行改进，在原有的双筒减振器的基础上增加上线圈和磁流变液，其主要的结构尺寸工作缸的外径和内径、活塞的直径等都没有发生变化，在原有的这些数据的基础上加 上了线圈和线圈活塞，对线圈的匝数，工作间隙的大小，磁路的设计等方面进行了研究和设计。在查阅资料的基础上，选定了工作模式和阻尼器的力学模型。在给定的工作要求的情况下，对一些重要的部件进行nts 4 了校核，最后对设计的磁流变减振器进行了仿真优化。 主要包括对磁路的设计、结构的设计和最后的仿真分析。 （ 1） 磁路的设计 在磁流变减振器的设计过程中，磁路的设计是一个很重要的环节，决定了磁流变减振器工作范围和效率的大小，在磁路的设计过程中，还要重视对材料的选择，以避免磁阻和漏磁的过大，使减振器不能达到预期的低耗和工作范围宽的目的。选择 合适就算模型，就本身的实际出发选择最优的形式，使得减振器在工作过程中能达到设计的要求。 （ 2） 结构的设计 磁流变减振器是基于普通的双筒减振器改变而来的，其中的外形结构和活塞杆的尺寸都没有改变，可按照某微型汽车的原始减振器的结构参数进行设计，不同点在于，内部增加了线圈和缠绕线圈的活塞，这些是需要设计和计算的，也是本论文设计的又一个重点，基于混合模式的磁流变减振器的基础上，在活塞上开有若干个环槽来增加阻尼力，使减震器的阻尼力增大。 （ 3） 仿真 基于 Bingham基础上运用 Matlab进行仿真分析，对最终的参数进行比对分析， 并得出仿真的结果。 nts 5 第 2 章 磁流变阻尼器的力学模型 2.1 磁流变液效应及流变机理 20 世纪 40 年代 Rabinow 首次发现磁流变现象。在零磁场作用下，磁流变液表现为牛顿流体的特征，其剪切应力等于粘度与剪切率的乘积，在外加磁场的作用下，磁流变液表现为宾汉姆流体的特征，其剪切应力由液体的粘滞力和屈服应力两部分组成，其流变特性的改变表现为屈服应力随磁场强度的增加而单调增加，而液体的粘度不变，当外加磁场达到某临界值时，磁流变液停止流动达到固化，当去掉外加磁场时，它又恢复到原来的状 态，其响应时间仅为几毫秒。磁流变液的这种随外加磁场强度变化而改变流变特性的现象被称为磁流变效应。 磁流变效应是磁流变技术和磁流变液走向工程应用的基础，它具有下列特性： （ 1）在外加磁场的作用下，磁流变液的表观粘度发生变化的过程是连续的、无级的，但这一变化过程是非线性的。 （ 2）在外加磁场的作用下，某磁场强度下，流体停止流动达到固化，当去掉外加磁场时，流体又恢复到原来的状态，磁流变体的由液态转换成固态是可逆的，若这一转化过程是不可逆的话，他的工程应用价值将会受到极大的影响。 （ 3）磁流变效应对杂质不敏感。 （ 4）可以采用低压，大电流的信号来控制磁场强度的强弱，从而控制磁流变效应，这种控制是安全且容易实现的。 （ 5）在外加磁场的作用下，磁流变体产生磁流变效应的响应时间为毫秒级，这一特性能够满足车辆悬架振动控制的要求。 （ 6）磁流变效应所需的能耗较低，即使发生液体与固体之间的转换也不会吸收或者放出大量的能量，这为磁流变液在车辆工程中的应用提供了方便。 （ 7）在外加磁场的作用下磁流变液体的表观粘度发生的变化时可控制的，这一特性为人们提供了工程应用的基础。 在显微镜下观察可以发现，在零磁场下，磁流变液的颗粒分散是杂乱的 ，而在磁场作用下分布却是有规律的，且沿磁场方向成链束状排列，其作用原理如图 2.1所示。 nts 6 图 2.1 磁流变颗粒零磁场下的作用原理图 这种颗粒在磁场下成链的原因存在很多的假说，但具有代表性的为场致偶极矩理论。该理论认为在外加磁场的作用下，磁流变体的磁极化是产生磁流变效应的原因。而磁流变流体的变稠和产生抗剪屈服现象，也是由于磁场引起的作用力形成的。整个磁流变效应的发生过程是：磁场作用下分散颗粒发生磁极化，形成偶极子现象，带有偶极矩的颗粒产生定向运动，颗粒在磁力的作用下定向排列，颗粒从无序随机状态到有序化、成 链、成束或形成某种结构，对外呈现明显的表观粘度增大、凝固以及剪切屈服应力，即磁流变效应。在磁场作用下固体颗粒的磁极化是产生磁流变效应的主要因素。 在外加磁场作用下，颗粒发生上述所述的磁极化现象，于是定向移动形成偶极子链。当外加磁场强度较弱时，链数量少、长度短、直径也较细，剪断它们所需外力也较小。随着外加磁场强度的不断增加，取向与外加磁场成较大角度的磁畴全部消失，留存的磁畴开始向外磁场方向旋转，磁流变液中链的数量增加，长度增加，直径变粗，磁流变液对所表现的剪切应力增强，再继续增加磁场，所有磁畴沿外加磁场方向整 齐排列，磁极化达到饱和，磁流变液的剪切应力也达到饱和。磁流变液的屈服应力值随外加磁场的增加而增加。但当达到某一饱和值时，如果再增加磁场强度，磁流变液的力学性质便会基本上不会改变，即达到了饱和磁场下的动态屈服应力。 2.2 磁流变阻尼器工作模式 磁流变阻尼器是一种以磁流变液为介质的半主动控制阻尼器，通过对输入电流的控制，使其外加磁场强度发生变化，进而可在毫秒级使磁流变液的流变性能发生变化，实现流体和半固体之间的转变，从而能够提供可控阻尼力的目的。当磁流变液流过活塞流过阻尼器上下两腔时，由于磁流变阻尼器活塞与工 作缸之间的间隙很小，因此磁nts 7 流变液流过的区域可以近似看似为流过一个无限大的平行金属板，由于流体力学特性，可将磁流变阻尼器工作模式分为四种类型，他们分别是阀式、剪切式、挤压式以及剪切阀式，如图 2.2所示。 图 2.2 磁流变阻尼器工作模式示意图 （ 1）阀式（ valved mode），磁流变液在压力的作用下流过固定不动的两极板之间，外加磁场垂直穿过极板作用于磁流变液，从而使磁流变液的流动特性发生变化而产生阻尼力的变化。 （ 2）剪切式（ shearing mode） ,磁流变液流过相对运动的两极板之间，外加磁场垂直 穿过极板作用于磁流变液，这种运动使磁流变液产生剪切力，从而使磁流变液的流动特性发生变化而产生阻尼力的变化，流动阻力的变化通过外加磁场控制。 （ 3）挤压式（ squeezed mode），磁流变液在上下运动极板的作用下向四周流动，极板移动反向与磁场方向相同，磁场方向与磁流变液流动方向垂直，从而使磁流变液的流动特征发生变化而产生阻尼力的变化，流动阻尼力的变化通过外加磁场控制。 （ 4）剪切阀式（ shearing-valve mode） ,也称混合式，磁流变液即像阀式那样在压力作用下通过两极板，又像剪切式那样受到两极板 相对运动时产生剪切作用，从而使磁流变液的流动特性发生变化而产生阻尼力的变化，流动阻尼力的变化通过外加磁场控制。 2.3 参数计算模型 剪切阀式磁流变阻尼器工作于剪切和流动的组合模式，具有结构简单、磁路设计nts 8 方便、出力大等优良特性，其工作原理为阻尼器内腔充满了磁流变液，活塞在工作缸内作往复直线运动，活塞与缸体发生相对运动，挤压磁流变液迫使其流过缸体与活塞间的间隙，在没有外加磁场作用下，磁流变液以牛顿流体作粘性流动，符合牛顿流体的本构关系；当加上磁场后，磁流变液就会瞬间由牛顿流体转变为粘塑体，粘度呈数量级地提高， 流体的流动阻力增加，表现为具有一定屈服力的类似固体的本构关系。此时磁场对磁流变液的作用可用 Bingham 本构关系进行描述，如图 2.3，其本构关系方程为： 图 2.3 Bingham 模型 ypp bLhc LAvhLbbhLAF 22224032 （ 2.1） 式中参数 c变化范围 2-3，本文 c=2，因此剪切阀式磁流变阻尼器阻尼力为： ypp bLhLAvhLbbhLAF 24224032 公式可以改为： re FvCFFF 0（ 2.2） 0e032 224 vCvhLbbhLAF p （ 2.3） )(s240vgnbLhLAFyp （ 2.4） 从上式可以看出磁流变阻尼器的阻尼力由两部分组成，一部分由液体流动时液体粘性产生的粘滞阻尼力，而另一部分由磁流变效应产生的库伦阻尼力组成。当阻尼器几何尺寸确定后，假设磁流变液的粘度系数为常数，粘滞阻尼力只是活塞运动速度的函数，而库伦阻尼力只是磁流变液屈服应力的函数，屈服应力受磁场强度控制，因而nts 9 可以认为库伦阻尼力只是励磁电流的函数。 2.4 本章小结 本章主要论述了磁流变阻尼器的力学模型，说明了磁流变阻尼器中磁流变液在工作过程中的机理，介绍了 Bingham 数学模型，简要说明了磁流变阻尼器的机构和工作原理。分析了现有的几种工作模式，并最后选择了混合式的工作模式。阐述了阻尼力的求导原则。 nts 10 第 3 章 磁流变阻尼器的设计 磁流变阻尼器是一种以磁流变液为介质的半主动控制阻尼器，其具有结构简单、控制方便、响应迅速、消耗功率小、抗污染能力强和输出力大等优点。本文对基于剪切阀工作模式的双筒式磁流变阻尼器进行设计。 磁流变阻尼器设计应该满足以下设计准则：外加垂直于磁流变液流动方向的磁场对产生 磁流变效应的贡献应最大，而平行于磁流变液流动方向的磁场则对产生磁流变效应的贡献最小。在采用剪切模式、流动模式和挤压模式的阻尼器式，磁力线的方向必须垂直于阻尼通道内磁流变液的流动方向，才能产生磁流变效应，这样阻尼器才能产生所需的阻尼力。故在设计磁流变阻尼器使，应使阻尼通道中的磁流变液的流动方向垂直于磁场方向，以便充分利用磁流变效应来改变阻尼器的阻尼力。由于汽车悬架阻尼器的行程较大，且在结构尺寸和结构强度上有严格的要求，利用磁流变液来开发汽车磁流变阻尼器不能踩用挤压模式，而只能采用流动模式、混合模式。本文采用的是混合模式。由于磁芯中磁感应强度和磁场强度的关系是非线性的，因而，磁路中磁通和磁势的关系也是非线性的。当磁芯受到交变的磁激励时，磁芯处于反复磁化过程中，磁芯中会产生功率损失。另外，磁路的磁通与磁势的关系除了满足磁路的克希霍夫定律外，还要满足电磁感应定律。通过电流将导致涡流的产生，涡流的出现使磁芯中磁通与线圈中电流的波形发生变化。同时，我们还要注意在阻尼器的应用阶段存在一些问题需要进一步研究：（ 1）稳定问题，其中包括磁流变流体的稳定性以及阻尼器性能的稳定性；（ 2）还原问题；（ 3）误差问题，包括阻尼力、磁路磁场 强度的计算值和实际值的误差；（ 4）补偿问题，包括磁流变液流体的渗漏补偿以及控制系统的变量补偿；（ 5）使用寿命问题，包括磁流变液、磁路线圈、密封系统的使用寿命；（ 6）文维修问题，主要是维修保养的方便性。 3.1 磁路设计的影响因素 磁流变阻尼器的性能主要决定于其几何尺寸、磁路以及磁流变液的性能等。在给定磁流变液性能参数的情况下，设计一个优良的阻尼器的关键在于阻尼器的构造设计和磁路设计。此外，还包括防尘、漏液、隔磁、密封、散热以及连接等反面的考虑。在设计时要考虑以下几个因素：磁性材料的选择、漏磁的分析、退磁和线 圈的设计等。 3.1.1 密封件的选择 （ 1）密封件的作用和意义 在减振器设计中，密封装置用来防止磁流变液的泄露以及外界灰尘和异物的侵入。nts 11 磁流变液外漏不仅会造成浪费，污染机械和工作环境，甚至会引起机械操作失灵及设备和人身事故。若导线与磁流变液直接接触，可能产生漏磁，导致导线发热，影响磁流变液的性能。侵入减振器中的微小灰尘微粒，会引起加剧液压元件的磨损和摩擦，增大阻尼力，减小减振器的功效，并且还有可能进一步导致泄露。因此，密封件是减振器的一个重要的组成部分。它的工作可靠性和使用寿命，是衡量液压系统好坏的一个重要 标准。 （ 2）密封的分类 被密封的部位在两个需要密封的偶合面之间，通常根据这些偶合面在机械运行时有无相对运动，可把密封分为动密封和静密封两类。 （ 3）密封形式的选择 设计或选择密封件以及装置的基本要求是： 1） 密封件长期在流体介质中工作，必须保证其材料物理性能的稳定。 2）在工作压力下，应具有良好的密封性能，并随着压力的增加 能自动提高其密封性能，即泄露在高压下没有明显的增加。 3）动密封装置的动摩擦阻力要小，摩擦系数要稳定，不能出现运动偶件卡住或运动不均匀等现象。 4）磨损小，使用寿命长。 5）制造简 单，拆卸方便，成本低廉。 密封件的选择方法，首先根据密封设备的使用条件和要求，例如负载情况、工作压力以及速度大小和变化情况、使用环境以及对密封性能的具体要求等，正确选择与之相匹配的密封件结构形式。然后再根据所用工作介质的种类和使用温度，合理选择密封件材料。在使用或设计时，应尽可能按照国家标准。 从装配图上可以看出，该减振器需要多出密封。由于减振器中活塞和缸体有相对运动，所以本结构采用 Vd形橡胶密封圈，其主要材料为氟橡胶（ SN）， XAI7453，工作介质为油、水、空气，轴速小于等于 19m/s设备，起端面密封和 防尘的作用。 3.1.2 漏磁分析 在所有的磁路中都存在着漏磁，这是应为在磁路的实际两点间若有任一磁位差，就有磁通存在。漏磁与磁路的几何形状有关，磁路中各段均有漏磁存在。磁路中的漏磁有三种形式： （ 1） 工作间隙端面漏磁，在工作间隙附近成圆弧状，工作间隙越长，这种漏磁就愈大。可以认为，这种漏磁与工作间隙长度成比例增加，而且还受间隙端面的形状及相对位置等因素影响。 nts 12 （ 2） 磁体表面漏磁，通常磁体越长，这种漏磁就越大。 （ 3） 轭铁间的漏磁，这种漏磁与磁体在磁路中的位置有关。磁体相对位置不同，漏磁差别也很大。磁铁越靠近工作间隙，漏磁就 越小。另外，在空隙处，磁力线会往外膨胀，因而取空隙的横截面积时，应该取大一些。并且在以往的研究中得到漏磁磁导在很大程度上决定于磁体侧面表面积，表面积越大漏磁越大。所以，在实际工作间隙内的磁场要小于计算值。在磁路设计时，合理地缩短工作间隙的距离，减少结合面，改善结合情况都有利于减少磁路中的漏磁。同时，为了减少磁铁表面的漏磁，我们在磁路外可加上铜环或铜圈以此来进行磁屏蔽。 为了减少漏磁，设计是需要注意以下几点： （ 1） 因为活塞杆不在磁回路中，所以最好选用不导磁材料或导磁材料比较低的材料。 （ 2） 导磁回路中，导磁体的连续处尽 量紧密接触，以免在连接处因存在缝隙而产生较大磁阻，影响效率。 （ 3） 在整个磁路中，尽量使各导磁体的磁阻大致相同，使得整个磁路均衡匹配，从而防止部分地段较早的磁饱和。在磁路设计中，对于磁路中漏磁的解决，本章采用漏磁系数的概念来设计磁路。即在考虑漏磁的情况下，线圈产生的磁通量 m 就不等于工作间隙中的磁通量g，在计算中引入漏磁系数gm。 3.1.3 磁性材料的选择 磁性元件主要指缸筒、磁轭、磁芯和活塞杆。在忽视漏磁的情况下，缠绕在导磁环上的励磁线圈产生的磁场经过磁轭、间隙、缸筒、最后回到磁芯形成闭合回路。阻尼通道的槽太宽滞留的磁流变液多，阻力大，调节范围大。缸体设计要考虑壁厚，避免经由缸体的磁通比较早的进入饱和。 一般电磁路的磁芯选用软磁体，其特点在于软磁体有高的磁感应强度，易退磁，磁滞回线包围面积小，大的磁导率和很小的矫顽力。软磁材料是磁力线的通路，使用软磁材料可以减少磁阻，在必要的 控件建立均匀强度磁场。磁芯材料的种类较多，主要有电工纯铁、硅钢、铁镍合金、铁铝合金、铁钴合金等。在选择材料时通常要求磁芯材料磁导率高，因为当线圈匝数一定时，通以不大的电流，就能产生很大的磁场。一般来讲软磁材料的磁导率都比较高。为了减小由交变电引起的交变磁场，不使磁导体中产生涡流损失，故选择给阻尼器直流电。退磁，对于磁路的有效能很重要，因为当初始断电时，如果仍存在磁场，那势必会对振动控制的有效性产生影响。所以我们选择的软磁材料必须有较小的剩磁，较小的矫顽力以及较小磁滞回线包围的面积。由nts 13 此可以看出软磁材料中具有 扁平磁滞回线的这一列材料比较符合要求。结合以上的分析最终磁芯材料选择铁镍合金。 3.1.4 退磁 这里所说的退磁和磁芯材料选择中的退磁有区别。这个退磁是指，如果给定的空间及工作间隙很小，在这些很小的间隙中带上一些外来的强磁性微粒，则强磁性微粒就会破坏间隙中应有的磁场大小或磁场分布状态以至于使磁系统不能正常工作。在这种情况下，为了保证磁系统正常工作，必须清除外来的强磁性微粒或预防强磁性微粒的吸附，这就必须完全退磁。所谓退磁就是用一定的方法使试样处于磁中性状态。退磁的方法有：静态和动态退磁法。 3.1.5 磁流变阻 尼器的动态范围 磁流变阻尼器的动态范围是衡量磁流变阻尼器性能的重要指标。粘滞阻尼力工作过程中基本保持不变，而又磁流变效应产生的剪切阻尼力随外加磁场的大小而不同，因此整个阻尼力变化幅度定义为磁流变阻尼器的动态范围 D，其表达式为 3-1 fFFFD 式中fF为摩擦引起的阻尼力。由上式可以看出，当结构设定时，F和fF为常量，F越大， D越大，阻尼效果越好。 3.1.6 阻尼间隙的选取对阻尼器性能的影响 阻尼间隙尺寸的选取直接影响着磁流变阻尼器的阻尼特性。阻尼间隙 h 与磁流变阻尼器的阻尼力 F成反比。通过仔细分析比较可知，一方面，库伦阻尼力F与阻 尼间隙 h 成反比，在设计中，要求尽可能增加可控阻尼力（即库伦阻尼力）的大小以增强可控效果，所以，要获得大的可控阻尼力，在设计时，需要减小 h的取值，另一方面，粘滞阻尼力F与阻尼间隙 h的三次方成反比，随着间隙的减小，粘滞阻尼力和快速增加，动态范围会迅速减小。根据设计要求，在设计过程中，应尽可能增加磁流变阻尼器的动态范围以提高阻尼器的可控能力，因此，在设计时应适当的选取阻尼间隙的大小，一般合适的间隙范围为 0.5-2mm。 3.1.7 阻 尼通道有效长度的选取对阻尼器性能的影响 活塞阻尼通道有效长度 L 的增加，导致了更多的磁流变液产生磁流变效应，磁流变阻尼力增大。但是由于不同车型底盘对悬架阻尼器的布置空间有限，有效长度增加势必会导致活塞的长度增加，这样会使阻尼器工作的有效行程受到影响。因此，为了获得较大阻尼力，在结构尺寸允许的前提下，应尽可能的增加阻尼通道的有效长度。 nts 14 3.1.8 磁路结构的分析 由于磁流变阻尼器与普通阻尼器就够上的不同，为了达到阻尼力可控，其活塞上缠有线圈，就涉及到线圈引入问题，因此，采用活塞杆内设引线孔德方法。由于引线长度很长 而且引线孔直径很小，已有的加工工具在强度和长度上都无法实现该活塞杆结构，而且引线孔的作用只是满足导线引出，因此，活塞杆采用电火花打孔的方法，对孔的同心度及光洁度要求不用太高。 磁流变阻尼器活塞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引线孔中再引出的方法问题；二是在引线过程中，活塞杆内引线通道比较粗糙，由于漆包线划伤出现的短路问题。对于前者，若采用单线引入引出，还会是引线通道出入口加大，而且加大密封的难度；对于后者，若采用带有绝缘套的导线，会在设计时增加磁流变阻尼器活塞缠绕 线圈处得尺寸，进而影响活塞在阻尼器内有限空间的布置。因此，在设计时，在引线通道口处精致处理的基础上，采用双线引入的方法，并且将活塞杆引线孔内的漆包线用热线管处理，避免在穿线时划伤受损，并且一根线为缠绕对象，缠绕后两线焊接的方法，解决了漆包线划伤和密封难度加大问题。 3.2 磁流变减振器线圈的设计 线圈参数可以分两类：工作参数和设计参数。所谓工作参数，就是线圈的工作电压、频率以及工作制等；所谓设计参数，则是指线圈的匝数、线径、电阻以及结构尺寸等。工作参数决定于电磁铁的工作条件。在设计过程中我们要根据工作参数来确 定设计参数，具体的方法如下： 在一定的工作参数下，线圈必须满足下列三方面的要求，首先能够产生规定的磁势，其次在规定的工作制下，线圈的温度不会超过它的许用值，最后线圈的尺寸应当能够同磁芯的尺寸相配合。 根据以上的原因，线圈计算一般包括三个方面的内容，尺寸设计、电计算、和热计算。尺寸设计是决定线圈的外形尺寸，包括外径和内径等，线圈的内部尺寸和线圈参数以及线圈所占面积等。电计算是确定线圈的电阻、激磁电流和线圈的能量消耗。热计算是确定线圈的温升。电器中的金属材料和绝缘材料在温度超过一定范围后，其机械强度会下降，绝缘 强度也会受到损坏。电器工作温度过高，会使其使用寿命降低，甚至遭到破坏。电器的损坏以及工作不正常会给整个被控系统带来严重结果，所造成的经济损失比电器本身的价值往往要高的多。其中热计算经常用来对线圈设计进行校核。热计算采用牛顿公式，此公式通常使用于气体和液体介质中的发热体温升的校核。 线圈中导线的选择： nts 15 （ 1） 导线的选择主要考虑它所能承受的最大电流，避免温度过高。电流安全密度为 5-8A/mm。 （ 2） 考虑环形导磁材料的公称直径和断面直径，以便计算所能缠绕的线圈匝数。 （ 3） 考虑活塞中安方线圈的空间大小，不能因为缠绕后太粗而导致安 装困难。 （ 4） 要考虑导线的磨损问题。由于活塞组装过程中，线圈与导磁环相对运动，因此必须保证导线不能因为磨损而漏磁甚至短路。 综合考虑以上因素，选择型号为 QQ-1缩醛漆包铜线，规格为 d为 0.5mm，标准号为 GB6109.3-8561.其优点是：抗冲击性能好，耐刮性能优，耐水解性好。 3.3 磁流变减振器的结构设计 3.3.1 结构方案的确定 通过对以上因素的分析，本设计选择混合工作模式的双筒式磁流变减振器。双筒式磁流变阻尼器工作原理图，如图 3-1 所示，其与传统液压双筒式阻尼器工作原理相似，当活塞 3 在工作缸 5 内上下运动 时，随着磁流变
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