自供能式磁流变液减震器的结构设计及实验方案设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709851目 录摘 要 2Abstract3引 言 4第 1 章 概论 51.1 磁流变减震器研究现状 .51.2 研究的内容、研究课题的意义 .6第 2 章 自供能部分结构设计 72.1 结构设计的原则 .72.2 压电能量捕获结构 72.3 电能调理电路 .92.4 连接弹簧部分 .10第 3 章 磁流变液减震器 .113.1 磁流变液 113.1.1 磁流变液的组成 113.1.2 磁流变效应及其特征 .123.1.3 磁流变效应的机理 .123.1.4 影响磁流变效应的因素 133.1.5 磁学特性 .143.1.6 磁流变液的粘度 143.1.7 磁流变液的密度 143.1.8 常用磁流变液种类 .143.2 减震器的结构参数确定 .153.2.1 缸筒及活塞杆尺寸的确定 153.2.2 间隙 h 的确定 .163.2.3 活塞有效长度 L 的确定 .163.2.4 磁路参数 163.2.5 参数下的阻尼力计算 .173.2.6 活塞杆、缸筒、活塞及磁流变液材料 .193.2.7 减震器的其他零部件尺寸和材料选择 .22第 4 章 减震器实验方案的设计 .254.1 阻尼力数学模型的建立 .254.2 功能特性试验方案的设计 25总结和致谢 .29参考文献 30附录（译文） 31附录（译文原文） 38买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709852自供能式磁流变液减震器的结构设计及实验方案设计摘 要压电材料具有机-电耦合效应使其在工程应用中有了广泛的应用，来自机械外力的压迫可以使压电材料产生电位差，并通过适当的装置应用于外界；同时压电材料又可由于有电场的存在使得其产生机械变形，从而使机械能作用于外界。良好的机-电耦合性能使得压电材料成为一种智能材料，应用于一些随外界变化而产生变化的智能结构，如自我诊断、自我修复的结构，而这里所介绍的减震器实际上是一种自我平衡的机构。磁流变液（Magnetorheological Fluid , 简称 MR 流体）属可控流体，是智能材料中研究较为活跃的一支。磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性；而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的 Bingham 体特性。由于磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的、而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，因此是一种用途广泛、性能优良的智能材料。磁流变液可以再磁场中运动产生阻尼力从而实现减震。本文主要介绍压电材料在减震器上面的应用，也就是自供能式磁流变减震器的结构分析与设计。压电材料配合机械运动可以提供减震器所需要的能量，而磁流变液可以在磁场中运动产生阻尼力和剪切力，从而缓解震动，这就是自供能式磁流变液减震器的基本概念。从压电材料产生电能开始分析，到设计结构利用电能并应用于需要的部分，这是自供能部分的设计，对于磁流变阻尼器，先分析各部分的结构尺寸参数及选用材料，并以此为基础进行磁路设计得出活塞的磁路结构，然后画出装配图，验证并得出阻尼器的尺寸结构参数。【关键词】压电材料；磁流变液；阻尼器；减震器买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709853买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709854买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709855AbstractPiezoelectric material with machine - electricity coupling effect makes it have a wide range of applications in the engineering application, from the external mechanical forces of oppression creates an electrical potential difference of piezoelectric material, and through the appropriate device applied to the outside world; Piezoelectric material and can be possible because of the electric field at the same time make its produce mechanical deformation, so that the mechanical energy to the outside world. Good electricity coupling performance makes piezoelectric materials become a kind of intelligent material, is applied to some change with the outside world and changes of smart structures, and the shock absorber of presented here is actually a homeostatic mechanism.Magnetorheological fluid is a controllable fluid, is one of active in intelligent materials research. Magnetorheological fluid is composed of high permeability, low hysteresis of tiny soft magnetic particles and the guide magnetic suspension liquid mixture. This kind of suspension in zero magnetic field under the condition of present a Newtonian fluid properties of low viscosity; While under the influence of strong magnetic field, high viscosity, low liquidity of Bingham body features. As a result of MRF in under the action of magnetic field change is instantaneous, reversible, and the rheological shear yield strength, the corresponding relationship between magnetic field intensity has the stable therefore is a kind of widely used, good performance of intelligent materials can so as to realize suspension damping force and motionfield.This paper mainly introduces the application of piezoelectric material on the shock absorber, namely self-energized type structure analysis.Piezoelectric materials with mechanical movement can provide the energy needed to power a shock absorber, the MRF can be generated in magnetic field movement damping force and shear force, to alleviate, which is the basic concept of MRF shock absorber self-energized type. From piezoelectric materials generate electricity began to analysis,the need of parts, it is hardly to part of the design, for magnetorheological damper, analyze structure size parameters and selection of material of each part, and on this basis, through the magnetic circuit design of magnetic circuit structure of piston, then use the mechanical software simulation, detailed model, draw the assembly drawing, validate and structural parameters of the size of the damper are obtained.【key words】Piezoelectri c materials; Magnetorheological fluid; Damper; Shock absorber买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709856引 言在工程技术中，机械振动是一种普遍存在并时刻影响着人们而且正不断被利用反用于为人们的舒适服务。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。振动与冲击会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，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。压电材料作为一种重要的能量转换介质，能很好将车辆震动过程中的机械能挤压压电材料使其产生表面电位差，然后通过适当的处理和传送装置可以讲压电材料上的电位差成为稳定的电能输出，并运用于电磁场的产生，这是减震器采用自供能式的最基本原理。磁流变液则具有稳定的磁控和在磁场中运动可控的阻尼力，其流变特性可由外加磁场连续控制。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。汽车自供能式磁流变减振器是利用压电材料的机-电耦合性能来实现机械能向电能的转变加以利用，结合磁流变液的流变特性所产生的阻尼力和机械设计方法相结合而设计开发的新型减振器。这种减振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减振器，本文将磁流变液的力学特性和机械设计的方法结合起来，分析了磁流变液在减振器间隙中的流动情况，建立了磁流变减振器的设计理论与方法。买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709857第 1 章 概论1.1 磁流变减震器研究现状压电材料在原始的研究如换能器、压电驱动器、传感器以及超声波等反面的研究越来越完善，除此之外其他的应用方面如鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等方面的应用也逐渐兴起，随着现代电子信息技术的飞速发展，对于性能优异的压电陶瓷材料的开发和探索成为了各国的研究热点，对于含铅压电陶瓷材料的低温烧结和性能改进以及对不含铅压电陶瓷材料的性能改进成为了重点研究对象。除此之外，应用方面也更加广泛，如将压电陶瓷做成水声换能器用来水下导航、侦查敌舰等，做成的压电引信可以精确引燃引爆破甲弹等杀伤性武器，在精密测量及超声探伤等方面的作用也越来越重要，现代压电陶瓷元器件逐渐向着多层片式化、片式元件集成化、集成元件模拟化和多功能化方向发展。磁流变液近年来致力于改善磁流变液沉降稳定性的工作主要可以分成两类，一类是利用制备复合磁性颗粒改善稳定性；另一类是在磁流变液中加入某些添加剂来改善弥散颗粒的沉降稳定性。然而这些方法使用的磁性颗粒大多粒径很小，其磁流变效应很低，无法适应工程器件对力学性能的要求。而针对在一般实用磁流变液中普遍使用的微米级羰基铁粉（Carbonyl Iron (CI)）表面处理研究较少，因此基于羰基铁粉表面修饰改性从而改善其沉降稳定性的研究显然非常迫切，因此实验室研发了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）包裹的羰基铁粉，改善了磁流变液的性能。买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709858通过长期的研究，实验室已制备出性能稳定、效应显著的磁流变液样品；并自行研制出一款碟片旋转剪切式磁流变性能测试系统；开发出多款旋转式阻尼器，其中多片式阻尼器已被应用到多功能健身器中。开发多款新型的直线型阻尼器，用于汽车、高速列车等多种交通工具的减振。对于磁流变阻尼器美国 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；L aun等人研究了磁流变液的剪切流动；法国Nice大学Cutillas 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。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，研究了磁流变液的屈服应力，廖昌荣等人对用于微型汽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买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 119709859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。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，如其复杂的非线性行为还有待进一步研究。1.2 研究的内容、研究课题的意义1.2.1 研究的内容（1）介绍压电材料自供能的特点，选择压电材料及其形状模式，设计压电功能系统（2）介绍磁流变液材料的组成、磁流变液效应、磁流变液的主要性能。（3）根据阻尼力的要求，确立了减振器的基本结构参数尺寸，以此为基础进行了磁路设计。（4）根据减振器一般结构尺寸，画出磁流变减振器结构装配图。1.2.2 研究课题的意义车辆工程的发展过程中，人们对舒适性和安全性等要求的提高及现代科学技术的发展,经过科学研究及实践而依次出现了三类悬挂系统:被动悬挂、主动悬挂、半主动悬挂。半主动悬挂系统采用了自主调节的主动控制智能装置,而且这种主动控制并不需要很大的能量;同时半主动控制悬架系统在没有主动控制时具有被动悬架系统的功能,在控制失效的情况下保证了悬架系统的可靠性。所以半主动悬架具有系统结构相对简单,具有出力大、能耗小、响应快、阻尼力可调和易于控制等优点,在工程和实际应用中有着广阔的前景。磁流变阻尼器是一种通过调整磁场强度来达到调节阻尼目的的智能装置,因此,基于磁流变液流变效应的磁流变阻尼器正符合了半悬架系统的要求。目前国外对汽车磁流变阻尼器已进行了很多的研究工作,而我国在磁流变阻尼器的应用属于初步阶段,对磁流变参数变化对减振效果的影响研究涉及较少。把传统的磁流变加上有压电自功能系统在传统的结构上能够在能量方面自给自足，利用反馈原理来进行控制，这样既能增加控制系统的准确性，又能在节能方面表现优异，已逐渐成为阻尼器发展的主要趋势，这次对课题的研究既是对以前这方面研究的完善，也是对买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 1197098510更新、更好的磁流变液的开发，以及磁流变液阻尼器结构的优化。第 2 章 自供能部分结构设计2.1 结构设计的原则自供能部分的核心是利用压电材料的压电效应，利用压电结构将磁流变减振器工作环境的振动能转换为电能，为磁流变减振器供电，压电方式功能比电磁感应有更高的能量收集率，功能通过电能调理结构后也更加稳定，并附带反馈机理，有很好的调节作用。（1）压电能量捕获结构收集能量的能力，即收集的电能能满足磁流变减振器的电能需求（2）自供电磁流变减振器的输出阻尼力需受施加到线圈活塞上的电流控制 （3）结构复杂程度不高，易于加工。2.2 压电能量捕获结构PZT 一8 型材料基本成分是Pb、Sr。(Ti、Ze）O，加入少量Ca、Fe元素作为掺杂. 这一配方刚好是在菱面和四方的分界面上, 这一固溶体为钙钦矿型结构.用来收集外界振动能，为磁流变减振器供电,用底螺栓来将压电能量捕获结构固定在磁流变减振器上，其结构简图如右所示， ，同时使用3 组并联的压电陶瓷堆来产生电能，以提高输出电能的大小。使用的压电堆由36片PZT8压电陶瓷薄圆片并联而成，制作过程为:首先将压电片按极化方 向相对的方式叠加在一起，压电片之间用铜箔作为电极; 在压电片圆环面上镀银，用绝缘的环氧树脂将36 片压电片粘合成一个整体， 最后在铜电极上焊接两个细导线作为外部电能输出端。直径为35 mm，高36 mm，静电容量大约为4 F。 外力作用下压电陶瓷发电的等效动力学模型如图3所示，动力学方程可表示：（2.3.1）FXKCMpp此时存储于压电陶瓷中的振动机械能为：买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 1197098511（2.3.2） YAhFXWppmech21式中: Y 为压电陶瓷杨氏模量；hP为压电陶瓷高；A 为压电陶瓷的截面积。在外力作用下压电陶瓷的上下两个表面将产生电荷，对外输出电 能，其等效电路模型如图4所示。由图4可见外力作用下压电陶瓷可以等效为电压源VP与电容CP和损耗电阻Rloss的串联，然后与输出电阻Rleakage并联，压电陶瓷输出电能用电压Vstack表示。其中: 压电输出电阻Rleakage表示电荷输出到电极过程中的泄漏损耗; 损耗电阻Rloss表示压电材料内部的介电损耗。输出电阻值一般在兆欧以上，并随着压电陶瓷片的厚度增加而增加，所以一般采用实验测量的方法获得; 而损耗电阻比较小，只有几十欧姆，并且其大小与压电材料自身特性有关。压电陶瓷的电容值与其自身尺寸和材料特性有关，计算公式为 ：（2.3.3）prphAC0根据图4所示的等效电学模型，外力作用下压电陶瓷产生的电能可以表示为：（2.3.4） 21ppelcVCqW由能量守恒定理可知: 外力作用下，存储于压电陶瓷内部的机械能与材料本身的机电耦合系数的乘积等于压电陶瓷输出的电能可得压力作用下压电陶瓷产生的电压：（2.3.5）2/103)(rppYAhKFV同时由于输出电阻远远大于损耗电阻，所以压电陶瓷的实际输出电压可以约等于压电陶瓷的等效电压值，即：（2.3.6）stackV2/103)(rppYAhKF输出电压与外界作用力的大小成正比，外界振动力越大，输出电能就越大。同时输出电压的大小与压电陶瓷的外形尺寸也有关系，与压电陶瓷的高成正比、截面积成反比，因此在设计压电堆结构过程中，需要根据不同的设计目标，选买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 1197098512择合适的高度与截面积的比例。2.4 电能调理电路电能调理结构：用来将压电能量捕获结构收集的高压交流电能转换成适合磁流变减振器使用的低压直流电能由于压电材料呈现容抗性阻抗，外界振动载荷的频率和大小也是随机变化的，所以压电振动能量捕获结构收集的电能是不稳定的交流电，不能直接加载到磁流变减振器上激励磁流变液。在压电能量捕获结构和磁流变减振器之间需设置一个电能调理模块，将压电能量捕获结构产生的不稳定的电转变成适合磁流变减振器使用的低压直流电，电能调理模块内部的等效电路如图2.5所示。图2.5 电能调理电路电能调理电路包括一个直流整流电路、一个存储电容和一个低压整流电路。直流整流电路用来将压电能量捕获结构产生的高压交流电能变成大小不断变化的直流电能; 存储电容通过充放电功能将直流整流电路输出的电转换成直流稳压电能; DC/DC 整流电路用来将存储电容两端的高压直流电转换成适合磁流变减振器使用的低压直流电能，并加载到磁流变减振器上，控制磁流变阻尼器输出不同的阻尼力。通过压电能量捕获结构对存储电容持续充电和电容的不断发电，将压电陶瓷产生的电能传输到减振器上。假设存储电容对外放电时两端电压为UF，则根据电能守恒定理可知存储电容上的电能为：（2.3.7）22)(pstackFCVUE2.5 连接弹簧部分 连接弹簧:一端与弹簧盖相连，弹簧盖与磁流变减振器的活塞杆固定连接，随着活塞杆一起往复运动，通过弹簧将外界振动作用力施加到安装在弹簧座的压电能量捕获结构上。买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 1197098513第3章 磁流变液减震器3.1 磁流变液3.1.1 磁流变液的组成磁流变液主要由磁性颗粒、基础液和添加剂三部分组成。磁性颗粒：一般呈球状，直径尺寸在 左右，一般选择羟基铁粉，m10羟基铁通过分解 而得到，这样可以使生产出的球型微粒不致减少，且效5)(CoFe果不错。该微粒性能稳定可以压缩。在外加磁场作用下，磁流变液中的磁性颗粒产生链化作用，是磁流变液产生磁流变效应的核心。 根据磁流变效应机理研究结论，磁性颗粒具有以下特点： 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 Tesla； 24.01. 磁性颗粒的形状为球形，直径一般为 ； m57 磁性颗粒的体积分数一般为 。%基础液：磁流变液中磁性颗粒的载体，其作用是将颗粒均匀地分散在液体中，以使磁流变液在零磁场时，具有牛顿流体的特性，而在外加磁场时又具有粘塑性流体的特性。选择基础液要根据它的流变特性、摩擦特性和温度变化时的稳定性，常用的基础液有矿物油、硅油、合成油和水等。添加剂：为改善磁流变液的性能而加入的，如增强磁流变效应的表面活性剂，防止零磁场时颗粒凝聚的分散剂和防止颗粒沉淀的稳定剂。(a) 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。作为这种稳定剂的一个例子可使用包含有超细颗粒的无定形硅粉即硅凝胶。该粉末有一个大的表面积(100300m2/g)。每个颗粒是高度多孔的且包含有可吸收大量液体或蒸汽的孔面积。铁磁分散颗粒在力学上可通过硅凝胶的表面结构来支撑且可均匀分散在载液中。 (b) 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定化。离子键的表面活性剂(如油酸)可用来实现团聚稳定。3.1.2 磁流变效应及其特征买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 1197098514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： 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。3.1.3 磁流变效应的机理外加磁场作用下，磁流流体被磁场磁化使得磁流变液体变稠和产生抗剪屈服现象首先磁流。整个磁流变效应的发生过程是：磁场作用下分散 相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（伴随着 能耗）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磁流变效应（即表观粘度增大、凝固以及呈现剪切屈服应力） 。磁流变液颗粒被产生有序化的运动，这种运动从颗粒磁极化一开始就产生，直至有序化运动终止，达到相对稳定状态，形成某种固定的结构，即这些颗粒在磁场力作用下相互吸引，沿着磁场方向H形成链状结构，这一过程称之为链化过程。3.1.4 影响磁流变效应的因素1) 外加磁场的磁场强度 在没有外加磁场作用时，磁流变液无屈服应力；在外加磁场作下，磁流变买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 1197098515液具有一定的屈服应力，并且屈服应力随外加磁场的增加而增加，这种现象被认为是磁流变效应的主要标志。 2) 颗粒的磁饱和强度 择高饱和磁化强度的悬浮相可提高屈服应力。当悬浮相微粒磁化饱和后，剪切应力随磁场强度的增大变缓。随悬浮相体积分数的增大，剪切应力虽有较大幅度的增加，但同时会带来零场粘度的增大，屈服应力下降。 3) 磁流变液的磁化率 固体颗粒的磁化率是影响磁流变液剪切应力的另一个重要影响因素，不同的颗粒材料具有不同的磁学特性，其在不同磁场强度下的磁化率也会不同，导致磁流变材料的宏观特性也会不同。4) 颗粒体积百分数 固体颗粒的浓度对磁流变效应有明显的影响，随着固体颗粒体积百分率的增大，相同磁场强度和剪应变率所对应的剪切应力也相应增大。实验发现，当体积百分数大于30%时，磁流变液易出现沉淀，将影响材料的磁流变效应，当体积分数小于15%时，磁流变液反应效率很低，体积百分率的最佳范围大致在15%30%之间。 5) 温度 温度对磁流变液的影响主要来自两个方面，即温度对颗粒热运动的影响和温度对磁性颗粒磁极化（主要是磁极化率）的影响。温度的升高对磁流变效应是增强还是减弱，主要决定这两方面的影响孰强孰弱。温度越高，颗粒的布朗运动越剧烈，颗粒在外加磁场作用下的成链越困难，磁流变效应就会减弱。屈服应力在温度20150范围内变化很小。 6) 可磁极化颗粒和稳定剂 优良的磁流变液在零磁场条件下的粘度较小，具有良好的流动性，这就要求 颗粒在磁流变液中的比例不能太大；而另一方面，磁流变液在一定的磁场下应具备良好的磁流变效应，这就要求可磁极化颗粒在磁流变液中的比例应尽可能大。3.1.5 磁学特性 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： （ 3.1.1）HMo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oo买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 1197098516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： （3.1.2）HBMro)1(/式中，B是磁感应强度 ，这里 是磁流变液的真空磁导率， 是相Hr r对磁导率，它是磁场强度和体积分数的函数, 可以从磁流变液的实验磁化曲r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。3.1.6 磁流变液的粘度零磁场时，假设磁流变液表现出牛顿流体的行为，粘度与剪应变率无关；在低浓度时，磁流变液的粘度可用著名的爱因斯坦公式描述为： （3.1.3）)5.21(o式中， 为磁流变液零磁场时的粘度， 为基础液的粘度， 为颗粒的体积百 分数。在高浓度时，磁流变液的粘度可用Vand公式描述为： （3.1.4）)609./()7exp(2o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。3.1.7 磁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，Bednark认为磁流变液的重量是由其各组成部分重量之和，由此可得磁流变液的密度 为：（3.1.5）acm式中： ， ， ， ， ， 分别是磁性颗粒、基础液、添加剂的密度和mcamca体积百分数。对以油为添加剂的磁流变液，密度 ，上式可以表达为： ca（3.1.6）)1(mc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。3.1.8 常用磁流变液种类磁性材料中，只有 , , 氧化稳定性较好。因铁资源32OFe42Coe42ONiFe较为丰富，钴、镍要少很多，故磁流变液在外磁场作用下，产生的磁滞回线狭窄，近似与基本磁化曲线重合，所以对于磁流变液的材料制作出一半，另一半近似中心对称，也很容易得出磁性物质所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 1197098517强而无限增强。当外磁场增大到一定值的时候，全部磁畴的磁场方向都转向与外磁场的方向一致，这时磁化磁场的磁感应强度B达到饱和值。这5种材料主要指：MRF-122-2ED，MRF-132DG，MRF-140CG，MRF-241ES，MRF-336AG。3.2 减震器的结构参数确定根据某微型汽车前减振器（如下表所示）压缩及复原阻尼力，因此磁流变减振器的阻尼力范围也应满足此微型汽车对减振器阻尼力的要求，本文所设计的磁流变减振器外形尺寸与原减振器相同。表3.1 某微型汽车前减震器压缩及复原阻力速度（m/s） 某微型汽车前减震器总成复原阻力（N） 压缩阻力（N）0.05 245 1750.1 520 2450.3 920 390磁流变减振器结构参数的设计应综合考虑到磁流变液的性能特点和所需要设计的磁流变减振器的性能要求，参数设计的主要任务是在初定一些基本参数（如减振器的外形尺寸，活塞的速度范围等）的情况下，设计决定减振器性能的其他一些关键因素，达到设计要求，减振器的结构参数的确定需要首先考虑到以下一些因素：3.2.1 缸筒及活塞杆尺寸的确定磁流变减震器的缸筒及活塞杆选择应首先参考一般液力减振器的选择标准对于常用的混合模式磁流变减振器来说，液压缸的壁厚不仅要满足具有一定的安全系数的强度要求，还需要满足磁路导磁性能的要求，通常强度要求较容易实现，而磁导性一般要求液压缸的壁厚较大，所以壁厚一般都取的较大，尽管如此，强度校核也是必要的。液压缸的内径 与其壁厚 的比值10的圆筒称D为薄壁圆筒，磁流变减振器的液压缸属于薄壁圆筒，其厚度按下式计算：（3.2.1）2/Py式中： 为液压缸壁厚， 为液压缸内径， 为缸筒材料的许用应力，Py 为D液压缸的最大工作压力，其数值应按照减振器所需要的阻尼力的数值确定。参考上述微型汽车的外形，加上约束条件这里取 ， ，缸筒材料选6.4D.3择20#钢，就可以满足要求。买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 1197098518图3.1 缸筒结构图活塞的有效面积决定了减震器阻尼力的大小，而活塞杆的大小决定了活塞有效面积的大小，活塞杆直径越大，活塞杆有效面积就越小，所提供的阻尼力也就越小，这里我取活塞杆的半径为8mm。3.2.2 间隙h的确定可控阻尼力和动态范围是衡量磁流变减振器性能的两项重要指标，磁流变减振器的回复力可分解为可控阻尼力 和不可控阻尼力 ，不可控阻尼力包FcF括粘性阻尼力 和机械摩擦力 。动态范围M 定义为减振器回复力F 和不可Ff控阻尼力 的比值：c（3.2.2）)/(/fc想要增大减振器的最大阻尼力，阻尼通道间隙应尽可能的小，随着间隙h的减小，粘性阻尼力的增加比可控阻尼力快两倍，又由于机械摩擦力是一常量，所以动态范围也随着减小，在选择阻尼间隙时应综合减振器阻尼力以及动态范围的要求选择合理的数值。根据磁流变减振器设计经验和考虑原减振器的构造及装配所需精度，磁流变减振器阻尼通道间隙通常是 ，这里我取m5.100.7mm。所以可得 。mR7.1933.2.3 活塞有效长度L 的确定阻尼通道的长度 要使得磁流变减振器工作间隙的磁场均匀，且漏磁较小，l就要满足 h/l0.2,故初选 。l2活塞有效长度L部分不仅用于剪切磁流变液产生的阻尼力，另外也是磁路的一部分，其数值的选择要综合考虑阻尼力、刺桐特性以及动态范围的要求。从磁流变减振器的阻尼力模型可以看出，活塞有效长度 L越大，阻尼力也就越大：由磁路欧姆定律可知，L越大，磁路的截面积也就越大，磁阻就越小，磁通性越好。所以应在不改变减振器的调节范围并且在空间允许的范围内尽量增大L 的数值。 为了保证被控对象对减振器的行程要求，本文先确定活塞长度买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 1197098519。mL5.42图3.2 活塞杆结构图3.2.4 磁路参数磁流变减振器结构参数尺寸和工作原理设计画出磁路结构简图。根据减振器的结构特点，将磁路分为3个部分进行分析，如图所示。减振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励磁电流，磁路各部分的磁阻为：区域 1、区域 2、区域 3 组成导磁体，与工作间隙组成闭合磁路。对于区域 1，其磁阻为：（3.2.3）201)(4hMbLRrpm同理，区域 2 和区域 3 的磁阻分别近似为：（3.2.4）brpm02/（3.2.5）aeMLRrh)2(03磁流变液的磁阻近似为：（3.2.6）bRMR02)1ln(其中 ， 分别为活塞材料和工作缸材料的相对磁导率，总磁势为：rprh（3.2.7）)21ln(2(031 beFMRmm根据总磁势 F，再根据阻尼器的功率和散热状态确定最大激励电流 ，可以maxI确定所需的线圈匝数：（3.2.8）max/IFN买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 1197098520由上分析可知在磁流变减振器的磁路设计中，是在选定了磁路中的各个材料后，确定了线圈的匝数。本文根据工业纯铁和20钢材料的工作点，确定了材料的磁导率，其它减振器的参数取初选的结构参数。将所选的参数带入式得到减振器在 时的线圈匝数N=260匝左右。AI5.1max表3.2 20#低碳钢的磁学性能起始磁导率 最大磁导率 饱和磁感应强度 矫顽力 电阻率1 max )(TBs )/(mAHc )(cP100 5000 0.8 12 6108.3.2.5 参数下的阻尼力计算磁流变减振器阻尼通道的宽度远大于阻尼间隙, 可以将其简化为如图2 的模型,该模型即间隙为 、长度为 、宽度为 的两平行板, 且相对运动的速度hlb, 磁流变液在压力差如的作用下在两平板间流动。0v图 3.3 磁流变液数学建模建立如图2 所示的坐标系 , 层流时磁流变液运动速度帐 ，)(yvx，再考虑到磁流变液定常、连续、不可压缩、忽略质量力, 则N-S方0zyv程可以简化为：（3.2.9）012zpyvxx式中 为运动粘度。式(1)中的后两个公式说明, 压强 只是沿x方向变化, 又v p因为平板缝隙沿x方向间隙不变,因此 在x 方向的变化大小是均匀下降的。由p于速度 只是y的函数, 可以写成 ，而 ， 为动力粘x 2/yvx2/dyvx/v买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 1197098521度, 故式（1）可写作:(3.2.10)lpdxyvx12在外加磁场作用下磁流变液表现为Bingham流体,在平行板间流动时其本构关系可用式(3)来描述(3.2.11)dyuHysgn)(式中 是磁流变体的切应力, 称是临界剪切屈服应力。由式(2)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切应力最大, 而中间对称面上的磁流变液受到的切应力最小, 当极板两端压力差产生的切应力小于极板附近磁流变液的临界剪切屈服应力时, 磁流变体静止不动 ; 当极板两端压力差产生的剪切应力大于极板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, 而中间对称面上的磁流变液处于固体状态, 产生一个刚性流动区。因此,可以将磁流变液的流动分为三个区域, 其流动速度分别用 、 、 来表示, 存在下列边界条件。1v23区域1：（3.2.12）10ydyv1)(1v0)(1区域2：（3.2.13）21y)(21dyvy)(1)(2区域3：（3.2.14）h2 dyv30)(3v0)(23对于区域1， 将 代入式 (2) ,利用 ， 这两边界条件, 求0/)(21dyv)(3hv积分得区域1的速度分布买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 1197098522（3.2.15）)(223 hyylpvhy2利用 所示 条件解得：lhh/)(,0)/( yy)(,21plyy21 plh2流经极板间隙的磁流变体的体积流量：（3.2.16）12120 3yyhyv dCvdCq式中, C 为导磁筒内周长。由流体力学连续性原理，考虑到本文所设计的阻尼器阻尼力 ,pAF2，A是活塞作用面积， ，化简（5）式得到三次方程（6） ，0vq)(43R求解此方程便可求出阻尼力。（3.2.17）023HTFC343342)(8)(AvlARp202346)(lyyAlRpTy3)(834)(324ylH由流体力学连续性原理可知 ，A为活塞作用面积,v为活塞运动速度。把vqv1，v2，v3速度分布式代入式(5)得： AvpClhlpCylpdyCvdyvq yyhv 233213102/1 421（3.2.18）化简得：（3.2.19）04)123( 323yylAvlhlph确定结构参数C，h，l，A就可以解一元三次方程得到活塞压力差 。其中p32r)(ghA2rh21rg式中 -活塞有效面积h买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 1197098523-活塞杆有效面积gA当 时, 磁流变液没有磁场,为牛顿流体,式(8) 可以解得0yChlvAp312根据单筒充气减振器工作时力的平衡关系21（3.2.20）fgahFAppF1)(fy2式中； -拉伸行程减振器阻尼力1-压缩行程减振器阻尼力yF-工作活塞上腔内的压强1p-工作活塞下腔内的压强2-大气压强a-摩擦力引起的阻尼力fF联立式上述公式，可确定单筒充气磁流变减振器的压缩和拉伸阻尼力数学模型。阻尼力的计算由前面的分析计算可以知道，对磁流变减振器而言，阻尼力主要取决于磁流变液体在磁场下的剪切屈服应力。根据本文所采用的磁流变液的力学特性曲线，利用二次曲线拟合磁感应强度与剪切应力的屈服关系，对式（7）进行参数拟合。（3.2.21）cbCay2得到 a=0，b0.0152，c-11.4，即：（3.2.22）4.15y为了检查初选结构参数所对应的阻尼力能否满足原微型汽车对悬架的阻尼力要求范围，现计算阻尼力如下：将已确定的尺寸，阻尼通道长度 l=12mm，工作间隙 e0.7mm，工作缸内买文档就送您 CAD 图纸，Q 号交流 197216396 或 1197098524半径 ，活塞半径 ， (磁流变液在 mR4.20mR81KPay8.792.34时对应的磁流变液的剪切应力)及 v=0.05、0.1、0.3m/s 带入得：T63.表3.3 不同速度下磁流变减震器的阻尼力速度（m/s） 磁流变减震器阻尼力0.05 6.45.210.1 7390.3 由计算阻尼力时所得的计算数据与所提供的微型汽车在 的工况下sm/3.0对悬架的阻尼力要求相符合，