【《磁流变阻尼器的结构及理论磁路设计综述》3600字】

磁流变阻尼器的结构及理论磁路设计综述目录TOC\o"1-3"\h\u19890磁流变阻尼器的结构及理论磁路设计综述 1281201.1磁流变阻尼器的结构，工作模式和原理 1322551.1.1磁流变阻尼器的工作模式 1288501.1.2磁流变阻尼器的结构 241821.2阻尼器阻尼力理论推导 5262761.2.1磁流变液组成、效应及要求 5119621.2.2磁流变理论介绍及推导 6300591.3磁路设计 10磁流变阻尼器的结构，工作模式和原理磁流变阻尼器的工作模式由于不同结构的磁流变液在阻尼器内流动时所受磁场影响产生的阻尼力不同，主要流动、剪切和挤压模式三种工作模式。流动模式如图2.1所示，外加磁场与两个固定磁极垂直，磁流变液在两磁极之间，在外加磁场作用下，磁流变液具有不同的流动性，从而控制活塞所受阻尼力，最后通过调整电流达到半主动控制目的。其它条件相同情况下流动模式所产生的阻尼力相比其它两种模式是最大的。流动模式图剪切模式如图2.2所示，与流动模式不同的是，其中一块固定磁极具有移动性，其他特性不变。优点是结构简单，易加工。但由于整体结构的限制，所提供的阻尼力绝对值较小。剪切模式图挤压模式如图2.3所示，因受移动磁极影响，磁极内部的磁流变液会向两侧流动，磁极移动方向与外加磁场方向平行，使活塞所受阻尼力发生变化，达到半主动控制目的。因磁流变液流动磁极位移小，产生的阻尼力较大，可生产对于结构和阻尼力要求都较高的大型机械的减振器产品。挤压模式图综合三种磁流变减振器的工作模式，接合题目要求，因在商务车作用的座椅阻尼器对阻尼器的具体结构有着较高的要求，在保证阻尼力的同时，还需要尽可能地缩小结构，以保证其它座椅原件的空间，综上所述，本题目选取流动模式和剪切模式混合的工作模式。磁流变阻尼器的结构磁流变减振器的结构由阻尼通道的形状与磁路共同作用。现有的通道形状一般为环形或孔状。磁场方向垂直或与磁流变液的流动方向平行。常用的结构有以下三种：阻尼通道位于活塞内部该种阻尼器如图2.4所示。阻尼通道和线圈被设置在活塞内部的对称两侧,线圈紧邻阻尼通道以方便获得更理想的阻尼力,同时可以通过对线圈中的电流控制磁场的强弱进而达到控制阻尼力的目的。工作模式为混合模式。缺点是结构较复杂，制造相对困难。LORD公司设计的用于座椅的磁流变减振器就是采用的此种结构。阻尼通道位于活塞内部的阻尼器旁路阻尼通道如图2.5所示是一种旁路式的磁流变减振器。阻尼通道是旁路的环形间隙。这种结构可输出阻尼力较高，由于阻尼通道的相对位置靠下，可改善由磁流变液沉降所带来的减振器反应迟缓的问题。缺点是体积大，结构复杂。一般用于对阻尼力要求较高的工程机械上。阻尼通道位于旁路的阻尼器阻尼通道位于工作缸与活塞之间如图2.6所示的磁流变减振器。通电线圈绕在套筒上且活塞和套筒是可拆卸的，活塞在工作缸内做活塞运动，阻尼通道为活塞与缸筒内壁间的环形间隙。优点是结构简单，体积小，阻尼力大，并应用广泛。缺点是存在漏磁，且由于上下阻尼通道的存在会出现间隙，导致做功过程中活塞杆的晃动。本课题采取本种结构通过结构的参数计算优化阻尼器设计。由于漏磁导致的实验误差对整体的影响不大，因此忽略。阻尼通道位于工作缸与活塞之间磁流变减振器按腔室结构可分为单筒单出杆、单筒双出杆、双筒单出杆三种形式。单筒单出杆形式，以所在腔室有无活塞杆为区别分为有杆腔和无杆腔。由于活塞杆需要螺栓固定，因此造成了无杆腔出现空隙，必须对其进行气体补偿。LORD公司设计的用于座椅的磁流变减振器就是釆用该结构，应用气体补偿进行空隙填补。本课题使用此结构。LORD公司的单筒单出杆形式的减振器单筒双出杆形式，有两个活塞杆，无需进行气体补偿。图2.8为LORD公司为建筑开发的输出阻尼力达20T的单筒双出杆式磁流变减振器。上方球状物为补偿装置，设置原因是由于输出做功了大量的热量，磁流变液受热膨胀，冷却时体积减小，不能充满整个腔室。这种结构虽然输出阻尼力比较大，但是结构笨重，无法满足车辆应用。LORD公司的单筒双出杆形式的减振器双筒单出杆形式，减振器出去拉伸状态时，活塞、活塞杆带动磁流变液流动并在力的作用下进入阻尼通道及补偿腔再通过下端的阻尼通道进入压缩腔。除以压缩行程则磁流变液流动方向刚好相反。这种结构的有点是输出力的范围较广，缺点是容易造成堵塞，节奏复杂，对后续的维修不利。双筒单出杆形式的减振器阻尼器阻尼力理论推导磁流变液组成、效应及要求组成磁流变液主要由分散质，基液和稳定剂组成。一般分散质由羰基铁粉或其它复合材料组成，其特性是在外加磁场的干预下可使分散质磁化并产生定向移动而产生剪切应力；基液可由不同的流体作为载体，比如油、水等都可以；稳定剂主要由环烷酸盐等构成，防沉降剂则由高分子聚合物等构成。目的是防止分散质降沉影响阻尼器的功能性。磁流变效应未加磁场，磁流变液为牛顿流体的特性；外加磁场的作用下后，磁流变液为非牛顿流体特性，称之为Bingham流体。且磁场越大，剪切应力越大，阻尼力越大。当到达磁流变液的临界磁场时，磁流变液就会发生固化，当去掉外加磁场，它又恢复到牛顿流体状态。磁流变液的这种随外加磁场强度变化而改变特性的现象称为磁流变效应。磁流变液选取要求因磁流变减振器放置位置的特殊性，其要求便是无毒、无害、无腐蚀性作用；磁流变液自身要稳定可靠。磁流变理论介绍及推导流动机制假设磁流变液在阻尼通道内沿轴线是线性变化的，由流体力学可得平板间流动既流动模式其流动方程为：（2.1）为磁流变液剪切应力，y为垂直液体流动方向的坐标，L为阻尼通道长，为阻尼通道两端压力差。未加磁场时其剪切应力表达式为：（2.2）为磁流变液粘度系数，u为液体流速外加磁场作用下为Bingham流体，有关系式（2.3）为磁流变液屈服应力，sgn为活塞往复运动函数。Bingham流动模式的阻尼力施加磁场后，阻尼通道内磁流变液的状态可由平面表示。剪切应力沿横向分布，两侧剪切应力最大，中间部分最小。当阻尼通道两端的剪切应力大于工作缸和活塞附近磁流变液的临界剪切屈服应力时，靠近平板的磁流变液开始流动，否则不动。中间对称面上的磁流变液处于固体状态，由两侧液体推动其运动，因此可将磁流变液的流动分为三个区域，如图2.10所示。阻尼间隙流速分布图区域1：屈服流动0≤y≤u(0)=0,(2.4)区域2：刚性流动≤y≤，u=c(常数)(2.5)区域3：屈服流动≤y≤hu(h)=0，(2.6)将带入式（2.1）得区域1：(2.7)区域2：u=c(2.8)区域3：(2.9)由边界条件解方程得区域1：(2.10)区域2：(2.11)区域3：(2.12)由流体力学连续性可知，流经阻尼通道的液体等于活塞表面积，有(2.13)b=(2.14)=D+h(2.15)A=(2.16)式中，D为活塞直径，为环形阻尼间隙均值，h为阻尼间隙长度，为活塞相对运动速度，A为活塞端面面积。由于中间处=0，由(2.1)得(2.17)流体产生极限压差为：(2.18)由图2.9：(2.19)对式子(2.13)求积分得：(2.20)解方程得：(2.21)在阻尼通道处，有:,则流动模式表达式为：(2.22)Bingham剪切模式阻尼力该模式下，磁流变液屈服应力和剪切应力的关系为：(2.23)(2.24)(2.25)将式(2.25)乘以面积得：(2.26)因此混合模式阻尼力为剪切模式和流动模式得叠加，既：(2.27)由式(2.27)可以看出，第一项仅与减振器结构和磁流变液流动速度有关，称其为粘滞阻尼力；(2.28)第二项与磁场变化有关，既屈服应力随磁场变化，称其为库伦阻尼力。(2.29)因为剪切模式所产生的阻尼力通常远小于流动模式所产生的阻尼力，因此在计算中常常忽略剪切模式所产生的阻尼力。相对速度最大时,称产生的库伦阻尼力与粘滞阻尼力的比值为阻尼力可调系数K，当忽略剪切阻尼力时，得：(2.30)磁路设计在忽略漏磁的情况下，通电线圈产生磁场走向如图2.11所示。先通过半径为得活塞杆芯到达活塞大端面，然后穿过空气间隙到达缸壁，而后贯穿缸壁转向空气间隙到达活塞的另一端面，最后回到活塞杆芯形成闭合回路。磁路设计图由2.2可知，混合模式的磁流变减振器中，磁流变液的流动方向应与磁场方向尽量保持垂直。环形磁路由磁路的欧姆定律和安培环路定律可知，当铁芯中磁场处处均匀，在完全封闭的环形封闭电路中可得：(2.31)其中Hl为磁压降，NI为磁动势。将磁感应强度公式B=和磁通公式带入式(2.31)中得：(2.32)其中为铁芯磁导率，L为磁路长，S为铁芯截面积。先令铁芯磁阻(2.33)可推导出：(2.34)但是在实际情况中，许多磁路都会涉及磁路气隙问题。但由于气隙较小，通常在铁芯内磁场未饱和时可认为二者产生的磁通是相通的。以代表气隙长度，则有磁场压降之和为：(2.35)式中为空隙处磁场强度。由磁感应强度公式推导出:(2.36)将磁通公式带入上式可得(2.37)为空气磁导率，为空气磁阻。不考虑漏磁时，闭合磁路由活塞杆，间隙，活塞两个端面和缸壁组成。磁场强度为：(2.38)其中为真空磁导率,为介质的相对磁导率，为各处截面积。因间隙处磁导率相比其它部位要小很多，所以间隙处的磁场强度要远大于其它部位。磁路中总磁阻为：(2.39)式中磁阻依次为间隙，端面，活塞杆和缸壁的