汽车磁流变阻尼器的结构设计毕业论文完整版

1、汽车磁流变阻尼器的结构设计structure design of automobile magneto-rheological damper摘 要磁流变阻尼器是一种以新型的智能材料磁流变体作为阻尼器的工作液，并在阻尼器的活塞轴上缠绕电磁线圈，线圈产生的磁场作用于磁流变液，通过控制电磁线圈电流的大小来改变磁流变体的粘度，达到阻尼力可调要求的装置。磁流变阻尼器作为优秀的半主动控制器件, 具有结构简单、体积小、能耗低、响应速度快、阻尼力连续可调、易于与计算机控制相结合等优点。目前，磁流变阻尼器已被广泛运用于各种场合的振动控制，汽车磁流变阻尼器也已被广泛研究和应用。本文在研究了磁流变液材料的组成、磁流

2、变液效应及其主要特征、磁流变液的主要性能的基础上，根据阻尼力的要求和机械设计基本理论，确立了磁流变阻尼器的基本结构参数尺寸及主要部件材料的选用，并以此为基础进行了磁路设计，得出了活塞的磁路结构。在机械设计基本理论的指导下，计算得出磁流变阻尼器的结构参尺寸数，并应用autocad及ug制图软件，画出汽车磁流变阻尼器的装配图，建立磁流变阻尼器的三维立体模型，分析影响磁流变阻尼器工作性能的主要因素。【关键词】磁流变阻尼器；磁流变液；磁路设计；autocad；ugabstractmagneto-rheological damper is a damper that using a variant of

3、 magnetic flow material as the working fluid damper, and the piston axis in damper on magnetic coil winding, coils in the field of mrf, through controlling the size of the magnetic coil currents to change the viscosity of the magnetic fluid variant, damping adjustable requirements. mr damper as exce

4、llent semi-active control device, it has simple structure, small volume, low energy consumption, fast response and damping force of continuous adjustable, easy and combining computer control etc. at present, mr damper has been widely used in various occasions.the main research of the paper are that

5、introduces mr fluid material composition, mr fluid effect and the main characteristics of mrf. according to the requirements of the damping force and the basic theory of mechanical design, to establish the basic structure size of the mr damper and main material selection of parts. to calculation the

6、 size of the structure, draw autocad drawings of mr damper automobile assembly. using ug software, establish 3d modeling of mr damper. analysis on the main factors of mr effect.【key words 】mr damper；magneto-rheological(mr)fluids；magnetic circuit design；autocad；ug目 录摘要abstract前言1第一章 概论21.1 引言21.2 国内外

7、研究现状21.3 汽车减振器的技术简介41.4汽车磁流变阻尼器发展现状71.5 研究的意义与主要内容9第二章 磁流变液材料及其性能10 2.1 磁流变液的组成10 2.1.1 磁性颗粒10 2.1.2 基础液10 2.1.3 添加剂11 2.2 磁流变效应及其主要特征12 2.3 磁流变液的主要性能13 2.4 本章小结16第三章 汽车磁流变阻尼器的设计17 3.1 阻尼器的基本结构参数尺寸选择17 3.2 磁路设计17 3.2.1磁路设计步骤18 3.2.2磁芯材料的特性分析18 3.2.3磁性材料的选择20 3.3 阻尼器零件结构参数23 3.4 磁流变阻尼器立体建模27 3.5 影响磁流

8、变阻尼器工作性能的主要因素30 3.6 本章小结33第四章 结论与展望34 4.1 结论34 4.2 工作展望34参考文献35谢辞36前言车辆悬架系统的主要功能之一是提供支撑、有效地隔离路面引起的振动和冲击。目前有3种车辆悬架系统:被动悬架系统，主动悬架系统和半主动悬架系统。由被动弹簧和可调节阻尼力的主动减振器所组成的半主动悬架系统，以其价格低廉、制造工艺相对简单、减震效果较好，正逐渐成为现代汽车悬架系统的发展方向。可调节阻尼力的主动减振器中最有代表性的磁流变减振器可以凭借磁流变阻尼器等重要组成部件根据不同路况，实行连续可调，改变阻尼刚度，总能使汽车的舒适性和操作稳定性的综合性能达到最佳，因此

9、，对磁流变阻尼器的研究具有很大的实用意义。磁流变阻尼器是一种以磁流变体这种新型的智能材料作为阻尼器的工作液，并在阻尼器的活塞轴上缠绕电磁线圈，线圈产生的磁场作用于磁流变液，通过控制电磁线圈电流的大小来改变磁流变体的粘度，达到阻尼力可调的装置。它具有结构简单、体积小、能耗低、响应速度快、阻尼力连续可调、易于与计算机控制相结合等优点。根据磁流变液在阻尼器中的受力状态和流动形式的不同，磁流变阻尼器可分为流动模式、剪切模式、挤压模式以及这三种基本模式的任意组合。本文主要工作内容如下：(1)介绍了磁流变液材料的组成、磁流变液效应及其主要特征和磁流变液的主要性能；(2)根据阻尼力的要求和机械设计基本理论，

10、确立了磁流变阻尼器的基本结构参数尺寸及主要部件材料的选用，并以此为基础进行了磁路设计，得出了活塞的磁路结构；(3)根据计算得出的结构参尺寸数，应用autocad制图软件，画出汽车磁流变阻尼器的装配图；(4)应用ug三维建模软件，建立磁流变阻尼器的三维立体模型；(5)分析影响磁流变阻尼器工作性能的主要因素。第一章 概论1.1 引言在工程技术中，机器的振动是一种普遍存在而且正日益受到人们关注的现象。在车辆上产生的振动，主要是由于车辆行驶中路面的不平坦，导致作用于车轮上的垂直反力(支承力)、纵向反力(牵引力和制动力)和侧向反力起伏波动，通过悬架传递到车身，从而产生振动与冲击。这些振动与冲击会严重影响

11、车辆的平顺性和操纵稳定性以及车辆零部件的疲劳寿命，减振性能的好坏成为车辆在市场竞争中的一个重要指标。减振器是车辆减振的主要部件，因此，减振器的研究对车辆有着重要的意义。磁流变液主要是由非导磁性液体和均匀分散于其中的高磁导率、低磁滞性的微小磁性颗粒组成。其流变特性随外界磁场变化而急剧变化，在不加磁场时，它表现为牛顿流体；在外加磁场作用下，磁流变液能够在1ms内快速、可逆地由流动性良好的牛顿流体转变为高粘度、低流动性的宾汉塑性固体，具有一定的抗剪屈服应力，且其屈服应力随外界磁场的增加而增加。磁流变液的这种力学特性使其能应用在汽车、机械、医疗等各个领域。汽车磁流变阻尼器是利用磁流变液的流变特性和机械

12、设计方法相结合而设计开发的新型阻尼器。这种阻尼器的力学特性可由外加磁场连续控制。为了开发这种磁流变阻尼器，本文将磁流变液的力学特性和机械设计的方法结合起来，进行了磁流变阻尼器的磁路设计和结构设计。1.2 国内外研究现状磁流变液(magneto-rheological fluid，简称mrf)最早是由美国国家标准局发明和研制的。由于与在电场作用下同样可以产生流变效果的电流变液相比，mrf存在悬浮稳定性差，应用装置磁路设计复杂的缺点，磁流变液在20世纪80年代中期之前没得到应有的关注。从20世纪80年代中后期开始，由于流变后的电流变液的剪切屈服强度太低(仅有几千帕)的“瓶颈”始终无法突破，磁流变液

13、的研究才真正得到开展在随后的几十年里，磁流变液及其相关的装置的研究取得了惊人的进展，不仅研制成功了剪切屈服强度可达100 kpa、性能稳定的磁流变液，而且相关应用也扩展到了阀门、密封、自动化仪表、传感器、研磨(抛光)及车辆、机械和设备减振等领域。特别是磁流变液阻尼器，因其具有能耗低、出力大、响应速度快、结构简单、阻尼力连续顺逆可调，并可方便地与微机控制结合等优良特点，已经成为新一代高性能和智能化的减振装置，并已经得到了初步的应用，展现出良好的应用前景。进入20世纪90年代，磁流变液的研究重新焕发了生机，特别是自1995年起，两年一届的国际电流变液会议也易名为国际电流变液与磁流变液会议，促进了磁

14、流变液的研究和开发。美国lord材料公司的研究人员在磁流变液及应用研究方面取得了突出成果，如carson等人对磁流变器件进行了研究，并申请了磁流变阻尼器及减振器、制动器等的多项专利，该公司研究出的产品性能卓越，其应用也非常广泛，如图1.1所示。 （a）磁流变阻尼器 （b）磁流变制动器 （c）触觉型反馈装置 （d）车辆控制系统产品 （e）磁流变设备控制器图1.1 lord公司生产的磁流变产品美国david等人研究了用于重型卡车的磁流变阻尼器的性能；美国exxon工程研究公司的rosensweig等人研究了磁流变液的静态屈服应力；laun等人研究了磁流变液的剪切流动；法国nice大学cutilla

15、s和bossis等人对磁流变液的物理机制进行了分析。美国德尔福公司推出了磁流变液减振器(delphi magneride)，其中指出，在磁流变液(mr)的半主动悬架系统中，磁流变液(mr流体)这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的流体特性，而在强磁场作用下，呈现了高粘度、低流动性的特性，磁流变液属可控流体，是瞬间的、可逆的，而且其磁流变后的剪切强度和磁场强度具有稳定的对应关系。这种磁流变液减振器已用在凯迪拉克sts轿车上1、2。近年来，国内对磁流变液的研究也取得了一些成果。重庆大学的常建、彭向和司鹄等人研究了磁流变液流变特性的测试方法，李海涛等人研究了磁流变液的屈服应力，廖昌荣等人对用于微型汽

16、车的磁流变阻尼器的设计原理、方法及实验进行了研究，黄金等人研究了磁流变液在制动器、离合器中的应用，建立了磁流变制动器的设计方法；上海交通大学何亚东、西安交大倪建华等人研究了磁流变阻尼器在车辆悬架控制中的应用，佛山大学旺晓建研究了支承在磁流变液阻尼器和滑动轴承上的转子系统在振动主动控制过程中的运动稳定。 姚喆赫等介绍了磁流变液的特性及磁流变减振器的工作原理，结合国内外最新研究成果，综述了用于汽车悬架的me减振器的结构形式、仿真模型、控制方法和测试技术，并对今后的研究工作重点进行了探讨。傅宇雁等主要介绍了磁流变减振器中磁流变阻尼器的工程应用，分析磁流变阻尼器的力学模型及其特征。吕振华等分析了汽车乘

17、坐舒适性、行驶平顺性和操纵稳定性对筒式液阻减振器特性的要求，指出汽车在不同行驶工况下对减振器特性的要求是不同的;分析了被动式减振器的发展历程及非充气和充气减振器的特点，阐述了机械控制式可调阻尼减振器、电子控制式减振器以及电流变和磁流变减振器等的结构特点、工作原理及其动态特性；分析了筒式液阻减振器基于经验设计、实验修正开发方法的缺点，阐述了基于cad/cae技术的现代设计开发方法的过程及其关键问题；最后分析了我国筒式液阻减振器技术的发展状况及问题，展望了减振器技术的发展前景35。磁流变液的最终目标是达到商业使用化程度，国内磁流变液减振器的研究还处于起步阶段，很多相关理论还不成熟，如其复杂的非线性

18、行为还有待进一步研究。1.3 汽车减振器的技术简介为加速车架与车身振动的衰减，以改善汽车行驶的平顺性，在大多数的悬架系统内部装有减振器。目前，半主动悬架系统应用最广且最具有发展前景，如图1.2所示。图1.2 半主动悬架控制系统减振器大体上可分为摩擦式减振器和液力减振器两大类。另外还有金属弹簧减振器、橡胶或粘弹材料减振器、空气弹簧减振器。顾名思义，摩擦式减振器利用两个紧压在一起的盘片之间的相对运动时摩擦力提供阻尼。由于库仑摩擦力随相对运动速度的提高而减小，并且很容易受油、水等的影响，无法满足平顺性的要求，因此虽然具有质量小、造价低、易调整等优点，但现代汽车上已不再使用这种减振器。液力减振器首次出

19、现在1901年，其两种主要的结构形式分别为摇臂式和筒式。与筒式液力减振器相比，摇臂式液力减振器的活塞行程要短得多，因此其工作油压可高达1530 mpa，而筒式减振器只有2.55 mpa。筒式减振器的质量仅为摆臂式的约1/2，并且制造方便，工作寿命长，因而现代汽车几乎都采用筒式减振器。筒式减振器最常用的3种结构形式包括：双筒式、双筒充气式和单筒充气式，下面仅介绍单筒充气式液力减振器。单筒充气式液力减振器的工作原理如图1.3所示。其中浮动活塞7将油液和气体分开，并且将缸筒内的容积分成工作腔6和补偿腔8两部分。当车轮下落即悬架伸长时，活塞杆2带动活塞5上移，压迫油液经过伸张阀10从工作腔下腔流入上腔

20、。此时，补偿阀8中的气体推动浮动活塞7上移以补偿活塞杆抽出造成的容积减小；车轮上跳时，活塞5向下运动，油液通过压缩阀4由下腔流入上腔，同时浮动活塞下移以补偿活塞杆油液中的体积变化。1，9吊环；2活塞杆；3油封；4压缩阀；5活塞；6工作腔；7浮动活塞；8补偿腔；10伸张阀；11工作缸筒图1.3 单筒充气式减振器工作原理与双筒式减振器相比，单筒充气式减振器具有以下优点：工作缸11暴露在空气中，冷却效果好；在缸筒外径相同的前提下，可采用大直径活塞，活塞面积可增大将近一倍，从而降低工作油压；在充气压力作用下，油液不会乳化，保证了小振幅高频率振动时的减振效果；由于浮动活塞将油、气隔开，因而减振器的布置与

21、安装方向可以不受限制。缺点在于：为保证气体的密封，要求制造精度高；成本高；周向尺寸相对较大；可见虽然单筒充气式液力减振器，气液弹簧减振器等都具有很好的减振效果，但它们仍不能适应各种不同的路况，而磁流变减振器根据不同路况，实行连续可调，改变阻尼刚度，总能使汽车的舒适性和操作稳定性的综合性能达到最佳，因此，对磁流变减振器的研究具有很大的实用意义。本文结合磁流变液的性能，参照单筒充气式减振器对磁流变阻尼器进行了结构设计6。1.4 汽车磁流变阻尼器发展现状磁流变液表现的各种特点使它能够满足半主动减振控制的要求。但是这项技术还很不成熟，处于初始和摸索阶段。所以，从理论上分析和设计磁流变阻尼器就成为一项具

22、有重要的理论和应用价值的课题。利用磁流变液的减振控制过程如图1.4所示。被控制对象的振动响应信息被传入控制器，控制器根据预先设定的控制规律改变磁流变流体的磁场强度，产生不同屈服应力表观粘性系数，由此控制阻尼力，进而达到控制振动的目的。 图1.4 磁流变减振设备减振控制过程示意图磁流变阻尼器是以磁流变液为阻尼器工作液，并在阻尼器的活塞轴上缠绕电磁线圈。当线圈产生磁场作用于磁流变液时，磁流变液的流变特性发生巨大的变化，使得阻尼通道两端的压力差发生变化。达到改变阻尼器的阻尼力的目的。另外，通过控制电磁线圈电流的大小来改变磁流变液的粘度， 就可以实现阻尼可调的目的，而且这种调节是连续的、顺逆的。其工作

23、原理简图如图1.5所 图1.5 磁流变阻尼器的工作原理简图根据磁流变液在阻尼器中的流动的形态，阻尼器可分为流动模式、剪切模式、挤压模式三种，如图1.6，1.7所示。（a）流动模式 （b）剪切模式 （c）挤压模式 图1.6 磁流变阻尼器的工作模式(1)流动模式(poiseuille流动)，如图1.7（a)所示，在两固定不动的极板之（a）流动模式 （b）剪切模式 （c）挤压模式 图1.7 磁流变阻尼器的工作模式间充满磁流变液，外加磁场经过极板垂直作用于两极板之间的磁流变液，使磁流变液的流动性能发生变化，从而使推动磁流变液流动的活塞所受的阻力发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。利用这种工作模式可

24、以设计开发流体控制阀、阻尼器等磁流变器件7。 (2)剪切模式(couette流动)，如图1.7(b)所示，在两相对运动的极板之间充满磁流变液，外加磁场经过极板垂直作用于两极板运动的活塞所受阻力发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。利用这种工作模式可以设计开发流体离合器、制动器、机床夹具和阻尼器等磁流变器件。(3)挤压模式，如图1.7(c)所示，两极板之间充满磁流变液，磁流变液受极板的挤压向四周流动，外加磁场经过极板作用于两极板之间的磁流变液，极板的运动的活塞所受阻力发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。利用这种工作模式可以设计开发行程较小的阻尼器等磁流变器件。1.5 研究的意义与主要内容本

25、论文在研究磁流变液性能的基础上，结合汽车磁流变阻尼器的工作原理，对其进行计算分析，确定磁流变减振器的基本结构参数尺寸及主要部件材料的选用，为汽车半主动悬架的研制与优化提供理论依据和设计参数。研究的主要内容有：(1)介绍了磁流变液材料的组成，磁流变液效应及其主要特征和磁流变液的主要性能；(2)根据阻尼力的要求和机械设计基本理论，确立了磁流变阻尼器的基本结构参数尺寸及主要部件材料的选用，并以此为基础进行了磁路设计，得出了活塞的磁路结构；(3)根据计算得出的结构参尺寸数，应用autocad制图软件，画出汽车磁流变阻尼器的装配图；(4)应用ug三维建模软件，建立磁流变阻尼器的三维立体模型；(5)分析影

26、响磁流变效应的主要因素。第二章 磁流变液材料及其性能2.1磁流变液的组成磁流变液主要有磁性颗粒、基础液（载液）和添加剂三个部分组成。 图2.1磁流变液的组成2.1.1 磁性颗粒磁性材料主要是fe、co、ni等微粒，其中磁化饱和强度最大的微粒是铁钴合金，它的磁化饱和强度能达到2.4t，但价格昂贵。实际应用最多的微粒是纯铁粉和羰基铁粉，它们的磁化饱和强度约为2.1t。其他金属、合金以及氧化物的磁化饱和强度都要比铁粉的磁化饱和强度低。磁性颗粒的直径一般为0.1-100m，典型值为3-5m，只有氧化物颗粒的直径能达到约30nm，但是这种氧化物颗粒的磁化饱和强度较低，配制的磁流变液体产生的应力最大约为5

27、kpa。根据磁流变效应机理研究结论，磁性颗粒具有以下特点8：通常磁性颗粒的所用的磁性材料都属于铁、钴、镍等材料；磁性颗粒的材料的饱和磁化为0.210.24 tesla；磁性颗粒的形状为球形，直径一般为10-710-5m；磁性颗粒的体积分数一般为10%40%。目前，磁性颗粒的关键问题是颗粒的制作，目前磁性颗粒制造的主要方法有：共沉法、热分解法、超声分解法和沉积法等。2.1.2 基础液基础液（载液）是磁流变液的主要成分，其性能对磁流变液具有直接的影响，一般来说，磁流变液的基础液应具有如下的特点：高沸点、低凝固点。这可以确保磁流变液具有较宽的工作温度范围；适宜的粘度，磁流变液的零磁场条件下应具有较低

28、的粘度，要求载液的粘度越低越好，但粘度越低、沉降稳定性越差。此外，载液还应该具有化学稳定性好、耐腐蚀、无毒、无异味、价格低廉等特点。目前磁流变液载液主要有以下几类。(1)非磁性液体基载液。主要有硅油、矿物油、合成油、水和乙二醇等。为确保颗粒的悬浮稳定性，并增加整个磁流变液的流变学性质，一般需要使用添加剂，如加入各种表面活性剂(如油酸)或保护性胶体物质(如硅胶、硅氧化物等)，防止磁性颗粒沉淀及不可逆转的海绵状絮凝。绝大部分的研究和应用都使用这种类型的磁流变液。美国lord公司的三种商品化磁流变液是载液分别为合成油、硅油和水的羰基铁粉磁流变液。水基载液可以克服传统有机载液的聚合、老化、细菌繁殖和易

29、燃等特点，但要加入一些抗沉淀剂、增稠剂或流变改性剂等来使液体变稠以降低颗粒沉降。(2)磁性液体基载液。即用胶体状的磁流体作为载液(如铁磁流体)，使磁流变液的屈服应力大为提高。由于磁流体载液的密度提高，使磁流变液的稳定性增强。在磁性液体载液中加入非磁性的微粒还可以制成“反磁流变液”，铁磁流体作为载液仅具有微小的磁流变效应，但是微小的磁性颗粒形成的链状聚集可与较大的非磁性颗粒结合为类凝胶网状体系，从而使磁流变效应得以加强。但是这种悬浮液的磁流变效应较低。(3)特殊型载液。由于某种特殊的要求，往往要选择具有特殊性质的载液，比如既可以导电又可以导磁的载液，将铁磁颗粒分散在含有石墨颗粒的未聚合的环氧树脂

30、基体中可制成多用途磁流变液。使用高粘度的载液可以有效防止磁流变液的沉降。2.1.3 添加剂磁流变液母液的密度一般为1g/cm3左右，而悬浮颗粒的密度为7-8gcm3。由于磁性颗粒的密度远远大于母液的密度而造成的磁性颗粒的沉降一直是很难解决的问题之一。此外，悬浮颗粒的直径一般仅为几个微米，比表面积大，也容易团聚而沉降。目前解决此问题最为有效的方法就是添加不同类型的表面活性剂，一般是亲油基和亲水基这两种性质不同的结构组成的低聚物，它的亲水基可以吸附在磁性颗粒的表面，而亲油基像“鞭梢”一样扩散在母液当中。磁性颗粒吸附表面活性剂以后，由于亲油基的“鞭梢”相互缠绕及排斥，一方面会增加颗粒的体积，减少它们

31、相互吸引碰撞的机会；另一方面会在母液内部形成一个相互作用的三维骨架，从而降低由于颗粒与母液的密度差而造成的颗粒沉降。颗粒和流体密度的错配现象，可导致重力沉降，但使用合适的表面活性剂和助剂，很少或没有沉淀的长期稳定性是可以实现的。利用下列方法之一可以确保磁流变液的稳定性9：(1)粗分散小体积分数(10%)的mrf可通过引入凝胶形成的附加剂，即在铁磁颗粒外表面形成保护性的胶体结构实现稳定化。该结构的强度应能阻止磁性颗粒的沉降和凝聚。此外，该结构的强度也应能承受在外磁场中的可逆触变转变而不致破坏。(2)细分散高体积分数(25%左右)的mrf可通过引入表面活性剂促使铁磁颗粒形成凝胶的空间结构从而实现稳

32、定化。离子键的表面活性剂(如油酸)可用来实现团聚稳定。2.2 磁流变效应及其主要特征磁流变效应是指磁流变液在磁场作用下，流体的表观粘度发生了巨大的变化，甚至在磁场强度达到某一临界值时，流体停止流动而达到固化，并具有一定的抗剪切能力，还表现出固体所特有的屈服现象。磁流变效应作为一种特殊的物理现象，一般具有以下特征8、9：(1)外加磁场的作用下，磁流变液的表观粘度可随磁场强度的增大而增大，甚至在某一种磁场强度下，停止流动或固化，但当外加磁场撤除后，磁流变液又恢复到原始的粘度，即在外加磁场作用下，磁流变液可在液态和固态之间转换。(2)在外加磁场的作用下，磁流变液由液态至固态之间转换是可逆的。(3)在

33、外加磁场作用下，磁流变液的屈服强度随磁场强度的增大而增大，直至固体颗粒达到磁饱和后趋向于某一稳定值。(4)在外加磁场作用下，磁流变液的表观粘度和屈服应力随磁场强度的变化是连续的和无级的。(5)在外加磁场作用下，磁流变液的表观粘度和屈服强度随磁场强度的变化是可控的，这种控制可以是人控的或自动的。(6)磁流变效应的控制较简单，它只需要应用一个极易获得的磁场强度即可，可以利用磁感应线圈通过调整电流大小来控制。(7)磁流变效应对磁场作用的响应十分灵敏，一般其响应时间为毫秒(ms)级。(8)控制磁流变效应的能量低，即液态和固态间的相互转换，不像物理现象中的相变要吸收或放出大量的能量。2.3 磁流变液的主

34、要性能磁流变液是一种性能特殊的流体，研究磁流变液的性能及其影响因素对于磁流变液在工程中的应用具有重要意义。所以，本文主要针对磁流变液的工程应用来描述其性能9。(1)流变力学性能不加磁场时，多数磁流变液本构方程可以描述为： （2.1）式中，是磁流变液的剪切应力，是零磁场时磁流变液的粘度，是磁流变液的剪切应变率。对剪切流动和压力驱动流动外加磁场时，其本构方程可以描述为：， (2.2a)， (2.2b)式中，(h)y是磁流变液的动态屈服应力，它随外加磁场强度h变化。当磁流变液的剪切应力超过其屈服应力时，磁流变液又以零磁场的粘度流动；当磁流变液的剪切应力小于其屈服应力时，磁流变液类似固体运动。(2)磁

35、学特性当外加磁场强度很小时，磁流变液近似表现出线性介质的磁特性，在这一区域，磁化强度与磁场强度成正比，其关系可以表示为： （2.3）式中，m为磁化强度，是磁流变液的磁化率，它是一个无量纲的纯数，与温度有关，常随温度的升高而减小，h为磁场强度。随着外加磁场强度的增加，磁感应强度也迅速增加，磁流变液逐步达到磁饱和，在这一区域，磁化强度可以表示为： （2.4）式中，b是磁感应强度，b=0r h，这里0是磁流变液的真空磁导率，r是相对磁导率，它是磁场强度和体积分数的函数，r =r(h，)，r可以从磁流变液的实验磁化曲线中查到。随着外加磁场强度的进一步增加，磁流变液达到完全磁饱和。磁流变液的磁化曲线表现

36、为：当磁场强度增加时，磁化强度先是迅速增加，然后是缓慢增加，最终达到饱和磁化强度。(3)摩擦特性磁流变液在本质上是磨料，磨料影响磁性颗粒的耐久性取决于液体成分和磁流变装置。jolly等人分析了美国lord材料公司生产的5种商用磁流变液材料与磁流变装置表面的滑动摩擦系数的数值，磁流变液的滑动摩擦特性与滑动速度和磁流变液厚度有关。wong分析了磁流变液的摩擦特性，发现随着体积百分数的增加，摩擦系数增加。(4)磁流变液的稳定性影响磁流变液性能不稳定的因素是颗粒沉淀，由于颗粒的密度大于载体的密度，颗粒会在磁流变液中产生沉淀，严重影响磁流变液的磁流变效应。在没有磁场作用时，磁流变液中的磁性固体颗粒在重力

37、场作用下产生沉淀，减小颗粒尺寸可以增加磁流变液的稳定性。(5)磁流变液的粘度图2.2表示了颗粒的体积百分数对粘度的影响，设基础液的粘度为0.05pas，体积百分数 图2.2 颗粒体积百分数对粘度的影响当颗粒的体积百分数分别为10，30和60时，磁流变液的粘度分别是0.0543pas，0.080 8 pas和0.371 pas；当颗粒的体积百分数分别为70，80和90时，磁流变液的粘度分别是0.923 2pas，3.169 6pas和17.099pas。这表明：当颗粒的体积百分数小于60时，颗粒的体积百分数对粘度的影响不大；当颗粒的体积百分数大于60时，颗粒的体积百分数对粘度的影响很大。(6)磁

38、流变液的密度磁流变液的密度是磁流变液应用中的重要数据，可以用它来计算出磁流变液中磁性颗粒的含量。磁流变液由磁性颗粒、基础液、添加剂组成，在已知磁流变液、磁性颗粒和基础液的密度时，可以通过测量磁流变液的密度来确定磁性颗粒的体积百分数。由磁流变液、磁性颗粒和基础液的密度，可以根据下式近似计算出磁流变液中磁性颗粒的含量为： （2.5）(7)温度的影响磁流变液的粘度与温度的关系磁流变液的粘度与温度的关系主要是由基础液的性质决定的。当温度升高时，液体分子的平均速度增大，而分子间的距离也增加，这样就使得分子的动能增加，而分子间的作用力减小。因此，液体的粘度随温度的升高而下降，从而影响磁流变液的性能。磁流变

39、液的密度与温度的关系温度对磁流变液的密度的影响是由于热膨胀造成体积增加，从而使密度减小，从而影响磁流变液的性能。磁流变液的静态屈服应力与温度的关系潘胜等人研究了羰基铁磁流变液的静态屈服应力与温度的关系，发现静态屈服应力具有对温度的良好稳定性，在不同的温度(室温到150)时变化很小。工作温度范围工作温度范围主要取决于载体，以水为载体的磁流变液的工作温度范围较窄，以硅油为载体的磁流变液的工作温度范围较宽。(8)响应时间影响磁流变液产生磁流变效应的响应时间主要因素有基础液的粘度、颗粒体积分数和磁场强度。以颗粒运动，聚集有序排列为基础，基础液粘度越大，颗粒运动阻力增加，流变时间延长；颗粒体积分数越大，

40、响应时间越短；磁场强度越大，响应时间越短。磁流变阻尼器中磁流变液流道长度、间隙大小和磁路设计等都影响阻尼器的响应时间。(9)磁流变液的寿命磁流变液经长期使用后，性能会逐步退化，当性能退化达到一定程度时，磁流变液就无法正常工作，甚至失效。磁流变液从投入工作到失效的整个时间，可以看作是磁流变液的寿命。2.4 本章小结本章分析了磁流变液材料的组成，磁流变效应及其主要特征以及磁流变液的主要性能，研究表明：(1)磁流变液主要由磁性颗粒、基础液和添加剂组成；磁性颗粒是磁流变液产生磁流变效应的核心，基础液作为分散介质，是磁性颗粒的载体，添加剂则用于改善磁流变液的性能；(2) 磁流变效应是指磁流变液在磁场作用

41、下，流体的表观粘度发生了巨大的变化，甚至在磁场强度达到某一临界值时，流体停止流动而达到固化，并具有一定的抗剪切能力，还表现出固体所特有的屈服现象；(3)磁流变液的主要性能包括：流变力学性能、磁学特性、摩擦特性、稳定性、粘度、密度、工作温度、响应时间和寿命，本文主要分析了磁流变液的流变力学性能、磁学性能和粘度。磁流变液的磁化曲线表现为当磁场强度增加时，磁化强度先是迅速增加，然后是缓慢增加，最终达到饱和磁化强度；磁性颗粒在流体中沉淀是影响磁流变液稳定性的主要原因。第三章 汽车磁流变阻尼器设计3.1 阻尼器的基本结构参数尺寸选择根据流体力学计算，结合一般阻尼器的结构尺寸，选以下尺寸作为基本的结构参数

42、尺寸10。取活塞杆半径r1 =8mm，r2=13mm，l=12 mm，活塞半径r3=19.7mm，工作缸内径r4=20.4mm，阻尼间隙h =r4-r3=0.7mm，工作缸外径r5=23.6mm。当磁感应强度b=0.3t时，可得：阻尼力f=1056.4n，阻尼力比=6.1（=fh/f，fh为屈服应力产生的阻尼力，f为粘性产生的阻尼力）；当磁感应强度b=0.6t时，可得：阻尼力f=2011.4n，阻尼力比=12.6。一般工作时，磁感应强度b一般在0.30. 6t，阻尼器阻尼力在1056.4n到2011.4n之间，即可满足要求，故取工作的最大磁感应强度bm=0.6t。3.2 磁路设计本文所设计的磁

43、流变阻尼器的磁路结构如图3.1所示，阻尼器的磁路有4个部组成：1.活塞杆，材料为低碳钢；3.活塞，材料为低碳钢；5.材料为流变液；6.工作缸，材料为低碳钢。1.活塞杆 2.磁路线 3.活塞 4.电磁线圈 5.磁流变液 6.工作缸图3.1磁流变阻尼器的磁路结构3.2.1 磁路设计步骤(1)由阻尼器的一般工作时的最大阻尼力确定磁流变液的最大屈服应力y，根据屈服应力y与磁感应强度b之间的关系式y= f(b)确定磁感应强度b，计算出磁路的磁通量=bs。(2)根据功率损耗，得出损耗电流ia，再根据磁路结构计算出各段磁路的磁阻，得出工作电流im，选工作时的最大电流为i=2a，由可求得线圈的匝数n。(3)由

44、线圈的匝数n确定活塞的长度l，最终确定阻尼器的3个关键尺寸， 即间隙h、单级阻尼通道长度l和活塞长度l。 (4)根据磁流变阻尼器结构参数尺寸和工作原理，运用制图软件画出磁路结构简图。3.2.2 磁芯材料的特性分析11磁芯材料应该是容易被磁化，也容易退磁。这类材料的磁滞回线所包围的面积小，矫顽力低，磁化曲线在饱和前上升陡，磁导率高。从而在激励电流变化时，磁感应强度随磁场强度迅速变化，增加灵敏度。在选择磁芯材料的过程中，一个重要的参数就是磁导率。根据金属软磁材料含杂质低、密度高、晶粒大、结构均匀等特点，其磁化过程主要决定于磁畴壁的可逆位移，起始磁导率可以表示为： (3.1)式(3.1)中，ms是饱

45、和磁化强度，k1是磁晶各向异性常数，s是饱和磁致伸缩系数，是磁芯材料的内应力，是杂质的体积浓度，d是杂质的直径，是磁畴壁的厚度，0是真空中的磁导率。磁芯材料的其它磁导率，如最大磁导率、振幅磁导率、增量磁导率与起始磁导率有密切的关系，同样也受式(3.1)中的各种因素影响。一般说来，起始磁导率越大，其它磁导率也越大。由式(3.1)可知，要提高磁芯材料的磁导率，首先要提高材料的饱和磁化强度，其次是尽量降低材料的磁晶各向异性常数和饱和磁致伸缩系数，再次就是尽量减少材料的内应力和杂质浓度。饱和磁化强度，磁晶各向异性常数和饱和磁致伸缩系数是材料的基本磁性参数，取决于材料本身，不随加工状态和应用情况而变，而

46、材料的内应力和杂质浓度取决于加工状态和应用情况。因此，在选择了确定的磁芯材料以后，尽量采用热处理等手段来降低材料的内应力是获得高磁导率的有效方法。根据汽车悬架的工作环境和结构特点，在选择磁芯材料时，除了考虑磁芯材料的磁导率外，还要求考虑下列方面的性能。磁芯材料的磁导率通常是温度的函数，选择的磁芯材料应用于汽车磁流变阻尼器，必须考虑阻尼器温度升高时磁导率的下降导致阻尼器阻尼力的降低，因此应选择在-40100温度范围内磁导率温度系数小的材料。磁导率温度系数定义为： (3.2)式中，(t1)是在温度t1下所测得的磁导率，(t2)是在温度t2下所测得的磁导率，就汽车磁流变阻尼器而言， t1=-40，t

47、2=+100。磁芯材料经磁中性处理后(完全退磁)，其磁导率随时间的变化也会发生减落现象。选择的磁芯材料应用于汽车磁流变阻尼器，必须考虑阻尼器的使用时间内，由于磁导率的减落现象导致阻尼器阻尼力的降低。因此，应选择在汽车使用范围时间内减落系数小的材料。磁导率的减落系数为： (3.3)式中，是磁芯材料磁中性处理后在时间t1测量的磁导率，是磁芯材料磁中性处理后在时间t测量的磁导率。磁芯材料经较长时间使用后，由于种种原因引起内结构的发生变化导致磁性老化，为了增加磁流变阻尼器的稳定性，应选择在汽车使用范围内磁性老化系数小的材料。磁芯材料的老化系数为： (3.4)式中，是磁芯材料老化前的磁导率，是磁芯材料老

48、化后的磁导率。在交变磁场中，由于磁芯材料的磁滞，磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化，它们之间存在一个相位差。 综合考虑：在选择磁芯材料时，应选择在-40100温度范围内磁导率温度系数小的材料，在汽车使用范围时间内减落系数小的材料以及在汽车使用范围内磁性老化系数小的材料。3.2.3 磁性材料的选择如图3.1所示，本文所设计的磁流变阻尼器的磁路由工作缸、活塞、活塞杆和阻尼通道构成。本文选择材料条件：比较高的电阻率；尽可能高的磁导率；磁饱和时所具有的最大磁感应强度尽可能大。比较高的电阻率是为了减少功率损耗，要求尽可能高的磁导率，一方面是为了电流作用下，磁感应强度迅速达到要求，另一方面是为了满足

49、磁流变液的磁感应强度下，工作电流尽可能小。磁流变液达到磁饱和时，要求整个磁路上都有传递很大的磁通量，最大磁感应强度小的就有可能传递不了这么多的磁通量。铁虽然有比较高的电阻率，但是与钢相比较磁导率和最大磁感应强度都太小。3.2.3.1 活塞杆和缸筒的材料选择活塞杆和缸筒均选用20低碳钢。20低碳钢并不耐磨，采用渗碳淬火，然后低温回火，回火温度一般为150200。经淬火低温回火后，20钢硬度为5864hrc，耐磨性很好，心部为1015 hrc。提高加工精度、降低表面粗糙度也可以进一步提高耐磨性。表3.1 20#低碳钢的磁学性能 6.910-42.4310-32.122002241.210-7-表3

50、.2 20#低碳钢的化学成分钢号化学成分（%）20c0.170.24si0.170.37mn0.350.65p0.035s0.035ni0.25cr0.25cu0.25表3.3 20#低碳钢的性能指标钢号密度弹性模量e103mpa力学性能mpa导热率207.852021010020530018541024510051.0830050.2450048.1520钢在结构强度、机械加工性能、磁学性能等方面具有较好的综合性能，也不需要热处理来提高材料的磁导率，价格也便宜。经测试，其起始相对磁导率i，最大相对磁导率max，饱和磁感应强度bs，矫顽力hc和居里点等磁学性能见表3.1，其化学成分见表3.2，其性能指标见表3.3。3.2.3.2 电缆的材料选择电缆的材料选用铜线，铜的物理参数如表3.4所示考虑到电线要发热，近似取电阻率=1.851cm，采用纯铜，二号铜，代号为：t2，纯铜t2有良好的导电、导热、耐蚀和加工性能，含降低导电、导热性的杂质较小，可以焊接和纤焊，但微量的氧能引起氢病，因此不宜在高于370的环境中加工和使用。其化学成分为cu+ag，p，ag，bi，sb，as，fe，ni，pb，sn