浅析磁流变阻尼减震器的工作原理

2）安徽机电职业技术学院毕业论文浅析磁流变阻尼器工作原理系别专业班级姓名学号2013〜2014学年第一学期目录TOC\o"1-5"\h\z摘要I第一章绪论1\o"CurrentDocument"1.1课题背景2\o"CurrentDocument"1.2磁流变技术的研究与发展4第二章磁流变阻尼器工作原理及结构模式7\o"CurrentDocument"2.1磁流变阻尼器的工作模式7\o"CurrentDocument"2.2磁流变阻尼器的基本结构7\o"CurrentDocument"2.3磁流变减震器的构造及工作原理图11第三章磁流变阻尼器的设计13\o"CurrentDocument"3.1磁流变阻尼器设计准则13\o"CurrentDocument"3.2磁流变阻尼器的结构参数的计算13\o"CurrentDocument"3.3磁流变阻尼器的优化设计15第四章磁流体阻尼器在车辆上的具体应用184.1磁流变阻尼器在悬架系统中的应用和发展情况18\o"CurrentDocument"4.2磁流体阻尼器在车辆半主动悬架上的应用19\o"CurrentDocument"4.3可调磁流体阻尼器的发展19摘要磁流变液（MagnetorheologicalFluid简称MRF）是一种智能材料。在磁场作用下，它能在液态和类固态之间进行快速转化。同时转化的过程是可控、可逆的。具有在外加磁场作用下快速可逆地改变流体性能的特点。磁流变液与过去常用的电流变液相比，具有许多优点：（1）屈服应力更大（2）温度范围宽（3）稳定性好（4）在装置中用量较小，使用装置紧凑、质量更轻（5）安全性高，因而可以广泛应用于航空航天、机械工程、汽车工程、精密加工工程、控制工程等领域。本文研究了磁流变磁流变液材料的组成、磁流变液效应及其主要特征、磁流变液的主要性能的基础上，在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数尺寸，并应用AutoCAD制图软件，画出了磁流变阻尼器的装配图，分析影响磁流变阻尼器工作性能的主要因素。本文同时研究了磁流变阻尼器的工作原理，先对磁流变液和磁流变阻尼器的发展及应用趋势及其在汽车悬架控制技术中的应用发展情况进行研究。分析了磁流变阻尼器的发展前景及其应用的范围，介绍了磁流变阻尼器的基本概念和特性表现，总结了影响磁流变液特性的因素、分析了磁流变阻尼器的力学特性和剪切、流动、挤压三种模式，以及汽车对磁流变液的特殊性能要求。关键词：磁流变、阻尼力、减震器第一章绪论1.1课题背景新世纪的今天，各种运输方式相对应的交通运输工具（列车、汽车、飞机、管道、船舶）与其诞生时相比己经发生了重大变化，除飞机外，作为主要交通运输工具的铁路车辆（列车）和公路车辆（汽车）变化尤其明显。车辆自诞生以来，就始终朝着高速化迈进，但从第一条轮轨铁路出现（1825年），经过140年努力，其运营速度才突破200km/h，由200km/h到300km/h又花了近30年。而现代意义的汽车从其诞生时的18km/h，经过100多年，其运营速度才达到1OOkm/h以上。这说明车辆提速会涉及到诸多问题，需克服许多技术难点，攻克许多尖端科学技术关键，不能直接对轨道或路面上行驶的确定结构的车辆提速超过其设计极限。车辆直接提速会引发许多问题，最主要原因是会导致车体振动加剧，破坏其平稳性，使乘客感到不舒适，甚至危及行车安全。假若车体和道路之间采用绝对刚性的支承系统，那么在崎岖的道路上，当车辆以较低的速度或保持低于某个最大值的速度行驶时，乘客才能感觉较舒适，但是当行驶速度超过这个最大值时，车辆振动就会加剧，破坏车辆构件和货物，影响乘客舒适感。假若车体和道路之间采用完全弹性支承系统，便可以缓冲道路激励所引起的车辆振动，允许行驶速度增加到一个新的最大值。但是仅仅具有弹性的支承只能缓冲车辆振动，并不能衰减由道路激励所引起的振动，为此需在车体和道路之间引入阻尼元件（减振器），并将其与弹性支承并联安装达到衰减振动的目的。通常将车架（或承载式车身）与车桥（车轮）之间的一切传力联结装置称为车辆悬架，而弹性支承系统（弹簧装置）和阻尼元件（减振器）是车辆悬架系统的主要组成部件，其作用是：支撑车体重量；通过隔离车体对路面的激励及控制车轮与车体的共振，提供足够平顺性；使车辆能够尽量地跟随路面性能，因而避免车轮与路面附着力的损失，提供良好的路面操纵性能（稳定性）；抵消空气动力、负荷、制动力及转向力的变化，同时减少动载荷引起的零部件损坏。在车辆高速化的进程中，伴随着人们对车辆的安全性和舒适性的要求也在不断提高，车辆悬架的性能也在不断得到改善。特别是近几十年来，随着固体力学和液压流体力学、微型电子、自动控制、新材料等诸领域的新技术和新成果不断涌现，车辆悬架虽然己初步体现了现代科技的诸多成果，但继续广泛应用各种高新技术进一步提高其总体性能仍然是大有潜力。1.2磁流变技术的研究与发展1.2.1磁流变材料的研究与发展1948年Rabinow最早发明了磁流变液及应用装置（离合器）。有趣的是这几乎是与Winslow发明的电流变液同时出现的，然而只有在此后的几年里出现的磁流变液的专利和论文比电流变液多，之后大部分的研究则集中于电流变液。由于电流变液的屈服应力较低，且存在高压安全性问题，因而自1990年以来磁流变液重新引起了研究者们的兴趣。尤其是近几年来，国际上召开了3届电流变液与磁流变液研讨会，促进了磁流变液的研究与开发。各主要工业国家都在竞相发展这一技术。美国TRW公司的Shtarkman在1991年就研制了磁流变液旋转式吸震器，并将其应用于汽车悬架主动控制系统。美国Lord公司的Carlson和Weiss等人自1993年以来在磁流变液及其应用研究方面取得了突出成就。Lord公司已有多种商品化产品面市。美国NotreDame大学的Dyke和Spencer等人将磁流变阻尼器用于大型结构地震响应的控制也是非常有趣的磁流变液的应用之一。美国福特汽车公司的Ginder等人对磁流变液屈服应力的有限元分析及性能的提高进行了研究。美国通用汽车公司Fois-ter和Gopalswamy等人研制了磁流变液及磁流变离合器。美国加州州立大学的Zhu和Liu等人对磁流变液的流变学，特别是微观结进行了较多研究。白俄罗斯传热传质研究所Kordonski等人在磁流变液的性能以及磁流变抛光、密封等应用研究方面取得了重大进展。法国Nice大学的Bossis和Cutillas等人在磁流变液的机理研究，特别是在微观结构分析方面作了很多工作。德国BASFAG的Kormann等人已研制出了稳定的纳米级磁流变液。我国对磁流变液的研究起步较晚，自1996年之后才有相关文献发表。中国科学技术大学唐新鲁对磁流变液的机理及阻尼器的性能进行了研究；金昀研制了两套磁流变液屈服应力测试系统；陈祖耀等人用新方法制备了超细磁性粉末和磁流变液；复旦大学潘胜、Jiang等人研制了磁流变液及测量仪器。国内研究磁流变液的单位还有电子科技大学、哈尔滨建筑大学、西北工业大学、重庆大学、上海交通大学、中国科学院长春光机所等。总体看来，我国目前在磁流变液的研制与性能研究方面仍与国外有一定差距，应用产品尚属空白。1.2.2磁流变器件的研究与发展状况磁流变材料主要用于制作机械手的抓持机构、机床夹具、离合器、制动器、磁流变阀等磁流变器件，磁流变材料还可用于玻璃、陶瓷和半导体材料的抛光以及代替铁磁流体用于轴承密封等。在磁流变器件的研发方面，美国Lord公司和TRW研究所的工作较为出色。其中Pinkos等设计了转盘式磁流变主动悬架系统，并完成了汽车半主动悬架的控制实验，这种悬架系统大大地提高了汽车的安全性和舒适性，其性能远优于传统的减振器。美国Lord的工技术人员已开发了一种车辆座椅悬架阻尼器。韩国学者Seung-BokChoi开发了客车悬架系统磁流变阻尼器，该阻尼器是双筒结构，实验室测试表明利用磁流变阻尼器可以大幅度提高车辆的安全性和舒适性，目前正进行路道试验。车减振系统而言是革命性的进步，该产品获得了1999年度世界一百大科技成果奖。现在德尔夫公司已经开始与通用汽车公司合作，在Cadilac高档轿车上使用。美国维吉尼亚大学利用Lord公司的磁流变阻尼器分别在VolvoVN重型卡车和Futurecar轿车的悬架上进行控制实验，取得了明显的控制效果。内华达大学的研究人员开发了山地自行车和摩托车磁流变阻尼器，研究人员建立了一种理论模型来设计和制作了磁流变阻尼器并在实验室进行了测试，测试结果表明：在不加电流的情况下，该阻尼器阻尼力比原始的被动阻尼力小，在加电流的情况下，该阻尼器阻尼力比原始的被动阻尼力大，实现了阻尼力无级可调，设计理论能够成功地预测阻尼器的阻尼力。内华达大学机械工程系复合智能材料实验室的研究人员和CSA工程公司的工程技术人员开发了军用高机动多用途轮式车(HighMobilityMulti-PurposeWheeledVehicle)磁流变阻尼器。研究人员利用三维有限元方法来分析磁场的分布，采用Bingham模型来摸拟磁流变材料的特性，理论分析的结果与实验测试的结果吻合得非常好，在振动频率为2Hz，振幅为25mm的条件下做正弦振动，其最大阻尼力变化范围为480N〜2100N，这种磁流变阻尼器比传统的军用高机动多用途轮式车阻尼器性能大幅度提高。EveretO.Ericksen和FaramarzGordaninejad采用了流动工作模式对摩托车磁流变阻尼器进行理论研究，利用三维有限元方法来分析磁场的分布，采用Bingham模型来摸拟磁流变材料的特性，理论分析的结果与实验测试的结果吻合得非常好。浙江海洋学院的徐静和董艳制作了剪切式的磁流变制动器，并且给出了磁流变制动器的制动力矩计算模型以及设计计算的理论公式等。华北工学院的高跃飞基于Bingham模型，设计了带有旁路结构的磁流变缓冲器，并进行了实验研究，给出了在冲击情况下的阻尼力计算公式。哈尔滨工业大学的欧进萍、关新春等设计制作了多种结构的磁流变阻尼器，对描述其阻尼力的Bouc-Wen模型进行了修正，提出了新的修正后的Bouc-Wen模型，经过实验验证：该模型的理论曲线与实验曲线吻合得比较好。上海交通大学的汪建晓和孟光设计出了单出杆活塞缸结构的磁流变阻尼器，并设计了振动试验装置，对整个系统进行了实验研究，建立了系统的运动方程，应用龙格一库塔积分法求出了位移和速度响应等关系。并且利用各种阻尼力模型分别计算出了各种响应的关系曲线，进行了比较，得出了各种模型的优缺点。重庆大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、南京航空航天大学、第一汽车集团公司等多家科研院所，正在积极研究开发汽车悬架系统磁流变阻、结构抗振等应用领域的磁流变阻尼器，设计制作了一些磁流变阻尼器并对阻尼器的特性进行了测试研究，提出和改进了一些磁流变阻尼器的参数模型，在磁流变阻尼器的设计和控制方面取得了一定的成果。总体看来，我国目前在磁流变液的研制与性能研究方面仍与国外有一定差距，应用产品尚属空白。1.2.3磁流变技术目前存在的不足目前磁流变材料的研制技术进步较快，国内外已有商业化的磁流变体研制成功，但它们的温度稳定性、沉降稳定性等性能还不能令人满意，磁流变效应的机理解释和流变

学性能测试方法等有待进一步研究。在阻尼器设计和开发方面，尽管国外的很多公司和大学做了一些开创性的工作，己经研制用于建筑结构、汽车座椅悬架、汽车主悬架系统等的磁流变阻尼器，但是他们的磁流变阻尼器也没有全部商业化，由于商业原因文献中报道的技术只是限于一般原理，开发过程中的关键技术还处于保密阶段。在国内，只有少数的研究机构在磁流变阻尼器开发方面做了一些探索性的工作，但距离实际应用尚有差距。第二章磁流变阻尼器工作原理及结构模式2.1磁流变阻尼器的工作模式磁流变阻尼器是基于磁流变体的可控特性的一种新型阻尼器。目前，直线运动的磁流变阻尼器都是基于流动模式(阀式)、剪切模式和挤压模式三种工作模式进行设计，如图2-1所示。2.1.1流动模式流动工作模式如图2-1(a)所示，在两固定不动的极板间充满磁流变体，外加磁场穿过极板垂直作用于两极板之间的磁流变体，使磁流变体的流动性能发生变化，从而使推动磁流变体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。2.1.2剪切模式剪切工作模式如图2-1(b)所示，在两相对运动的极板间充满磁流变体，外加磁场穿过极板垂直作用于两极板之间的磁流变体，使磁流变体的流动性能发生变化，从而使推动磁流变体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。2.1.3挤压模式挤压工作模式如图2-1(c)所示，两极板间充满磁流变体，磁流变体受极板挤压向四周流动，外加磁场穿过极板垂直作用于两极板之间的磁流变体，极板的运动方向与外加磁场方向平行，使磁流变体的流动性能发生变化，从而使推动磁流变体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。利用挤压工作模式可以设计行程较小的阻尼器等磁流变器件。Stanway领导的小组在1996年设计出一种挤压式MR减振器，如图2-2所示。(b)剪切模式(C)挤压模式(a)阀模式-f--Jr-

图2-1(b)剪切模式(C)挤压模式(a)阀模式振动活蹇1.斗卡恒怕貌性支振动活蹇1.斗卡恒怕貌性支2.1.4混合模式以上是磁流变阻尼器三种基本的工作模式，通常也将这几种基本模式混合应用。剪切工作模式的磁流变阻尼器的粘滞阻尼力所占比例较小，而由磁场引起得到的屈服力较大，因此阻尼力的可调范围比较大，但是所提供的总阻尼力相对较小；流动工作模式的磁流变阻尼器的粘滞阻尼力所占比例较大，阻尼力可调倍数小，但是提供的总阻尼力相对较大。因此在实际的应用中，常常将剪切工作模式和流动工作模式混合起来形成混合工作模式（剪切阀式）。混合工作模式采用类似活塞缸式的结构，活塞与缸体内壁间存在环形间隙，按结构可分为单出杆活塞缸结构和双出杆活塞缸结构，分别如图2-3（a）、（b）所示。电磁线圈可绕活塞上或缸体外侧。(a)（b）图2-3混合工作模式采用单出杆活塞缸结构，因活塞杆在缸体内所占容积有变化，需要考虑活塞杆的体

积补偿，可在缸体内安装充有氮气的蓄能器，或在无杆端采用皮囊作端盖；另外活塞杆在缸体中处于悬臂状态，稳定性差，因而需要设计良好的活塞杆支承和导向结构，并有限制外载作用方向的措施。采用双出杆活塞缸结构，则不需要考虑活塞杆体积补偿问题，且活塞杆的稳定性也好。2.2磁流变阻尼器的基本结构2.2.1磁流变阻尼器的结构分析磁流变阻尼器是通过改变控制装置的参数来实现对结构的可调控制，其主要特点是所需外加能量很少、装置简单、不易失稳，摒弃了被动控制和主动控制的缺点，兼顾了它们的优点。磁流变阻尼器可在一定的范围内通过调整磁场强度来调整减振器的阻尼系数，实现振动的半主动控制。阻尼器与减振器在极大程度上是相似的，譬如阻尼力、阻尼比等，然而，阻尼器与减振器还是有本质的区别。阻尼器主要考虑用阻尼力来耗散动能、冲击，不用考虑回复力，当然一部分阻尼器是自身具有回复力的，这本身就是一种柔性的可回复阻尼或减振器，如弹簧、橡胶垫等。而磁流变阻尼器兼顾以上因素，同时还具有一定的连续工作能力，同时磁流变阻尼器还并联一部分橡胶使得在工作状态下发生剪切位移时，产生一个回复力来使磁流变阻尼器回复到中心位置。并且，油缸底部还串联一部分橡胶作为缓冲其冲击载荷。本文试验中所选用的磁流变阻尼器，由活塞、缸筒和磁流变液构成的阻尼一弹性部分和橡胶复位元件组成，根据其工作原理可以将它视为一个Maxwell模型元件与另一弹簧并联而成的标准线形固体模型［11。Maxwell模型是将一个弹簧和一个牛顿阻尼器串联起来，如图2.1.1所示：图2.1.1Maxwell模型Fig2.1.1ModelofMaxwell弹簧的伸长为£，由虎克定律匕―。/'确定；阻尼器的速率ed由牛顿阻尼定律8=b/nd决定，这里门为牛顿阻尼系数。显然有(2-1)8=8+8sd(2-1)对式（2-1）微分，并应用虎克定律和牛顿阻尼定律得到:或可改写成（2-3）——+E（2-2）式（2-3）中或可改写成（2-3）——+E（2-2）式（2-3）中mE称为Maxwell模型的松弛时间。因此，本文试验中所采用的磁流变阻尼器力学模型就可以近似看成如图2.2所示，对Maxwell模型元件有式表示的下述关系：bbien（2-4）由平衡方程及变形协调条件显然有b=b—E812（2-5）微分式（3-5）代入式（3-4），得到b+g/E=E8+（1+E/E）n8（）/11、t=n/eb+Tb=n（E+E）式中81、E1E2称为标准线形固体的松弛时间。图2.2.2Fig2.2.2磁流变阻尼器的动力学模型DynamicmodelofMRdamper2.2.2磁流变阻尼器的结构磁流变阻尼器的结构如下图所示，图3.3为三维结构图；图3.4为二维结构图；图3.5为磁流变阻尼器实物图。£10£10圆螺母2.弹簧垫圈3.铜套4.端盖5.活塞杆6.线圈7.V型密封圈8.下支撑板组合9.橡胶10,导柱11,工作缸12.o型橡胶密封圈13,上支撑板组合图3.4磁流变阻尼器结构图Fig3.4DrawingofMRvibrationdamper图3.5磁流变阻尼器实物图Fig3.5TherealpictureofMRvibrationdamper由图3.3〜图3.5可看出：磁流变阻尼器主要采用橡胶减振与磁流变减振相结合的复合减振模式，它由磁流变减振和橡胶减振两部分构成，磁流变装置和橡胶装置以并联的方式达到总体的减振效果。橡胶减振部分属于剪切式工作方式。整个装置的结构主要由上支撑板组合（13）、下支撑板组合（8）、活塞杆（5）、工作缸（11）、橡胶（9）以及附属零件组成，其中活塞杆（5）与上支撑板组合（13）固定，工作缸（11）通过橡胶（9）与下支撑板组合（8）固定，橡胶一方面用来产生阻尼，另一方面起剪切复位的作用；减振器的两个支撑板组合分别与待减振装置的两个部分联接，当减振器工作时，两个支撑板组合沿工作缸轴线方向平行移动，这样活塞杆和工作缸之间会产生相对运动，通过改变活塞杆上激励线圈的工作电流，来改变磁场回路的磁场强度，从而达到改变减振器阻尼力大小的目的。当磁流变阻尼器具体实施到待减振系统中时，磁流变阻尼器分别通过两侧板和待减振装置相连，当待减振装置工作振动时，带动磁流变阻尼器的两个侧板沿缸体轴线方向平行剪切移动，由于侧板（1）与活塞杆（5）相连，侧板（2）与工作缸（14）相连，这样活塞杆（5）和工作缸（14）之间会产生相对运动，当活塞杆（5）上激励线圈通以电流时，磁流变阻尼器的磁路部分将产生磁场，在磁场的作用下，工作缸（14）内的磁流变液的粘度增大，从而增大其刚度，达到减振的目的。对于不同工况，由待减振装置的振动使装在其上的传感器产生信号，然后通过模数转换器A/D对传感器的信号进行采集，控制器对A/D所采集的振动信号分析计算出减振器所需输出的最佳阻尼力，随后根据减振器的阻尼力模型可以方便的计算出励磁线圈所需的电流大小，控制器根据所得参数输出相应的控制信号至数模转换电路D/A，D/A将数字信号转换成模拟信号，然后使该控制信号通过功率放大器，最后使励磁线圈的电流获得最佳值。当励磁线圈的电流改变后，由线圈产生的磁场强度随之发生改变，从而导致阻尼孔的磁流变液的粘度相应变化，最终导致了减振器输出阻尼力的改变，实现智能减振的效果。3.2磁流变液的选用磁流变液的流变效应是一种可逆变化，它具有磁化和退磁两种可能性，所以选择的磁流变液的磁滞回线必须狭窄，从而使内聚力较小，磁导率较大，尤其须使磁导率的初始值和极大值尽量地大；磁流变液应具有较大的磁饱和，以使得尽可能大的“磁流”通过悬浮液体的横截面，为颗粒间的相互作用提供更多能量；悬浮液中强磁性颗粒的分布必须均匀，且应保持分布率不变，以使磁流变液具有很好的磁化特性；2.3磁流变减振器的构造及工作示意图与传统的筒式减振器相比，磁流变减振器的特点是其阻尼力不只取决于活塞运动速度，而主要通过控制在内外筒间所施加的电压来控制阻尼力的大小。由于磁流变减振器中不设置节流面积可变的节流阀其抗机械磨损的性能大大提高。图(1.8)是L0rd公司生产的用于车辆座椅振动控制的典型的磁流变减振器的结构简图，其结构与单筒式充气减振器极为相似。从空心的活塞杆中引入导线控制磁场变化，磁场变化可以改变从工作活塞轴向孔隙中流过的磁流变液的粘度，进而改变阻尼力的大小。由于活塞杆的行程较小，采用由膜片封闭的具有一定初始压力的氮气补充工作腔体积的变化。目前磁流变阻尼器在汽车智能悬架系统中应用越来越广泛和深入。通过用磁流变阻尼器替换原来的被动阻尼器，从而实现汽车悬架系统的智能化和半主动控制。汽车磁流变半主动悬架系统的主要原理:采用传感器装置(如加速度传感器)实时感知路面激励及汽车簧上和簧下质量的振动信号，对这些信号进行分析和处理，并把有用信号传递给处理器，处理器根据采用的控制策略和控制算法，分析处理这些信息，并发出控制信号，对悬架系统进行控制，驱动磁流变阻尼器产生控制力，达到实时减振要求和目的。

图1.8磁流变减振器结构示意图1-上吊环；2-连接电缆；3-导向座；4-密封圈；5-工作缸；7-活塞杆；8-垫圈；9-活塞；10-线圈；11-线圈外套；12-垫圈；13-螺母；14-0型密封圈；15-浮动活

塞；16-密封气室；17-下吊环；2.4磁流变减振器的工作原理磁流变阻尼器是基于磁流变液的可控特性的一种新型阻尼器，其工作原理是在外加磁场的作用下，磁流变液中随机分布的磁极化粒子沿磁场方向运动，磁场运动使粒子首尾相联，形成链状或网状结构，从而使磁流变液的流动特性发生变化，进而使阻尼器阻尼通道两端的压力差发生变化，达到改变阻尼力的目的。如图2-4所示。1.蓄能器2.挡板3.活塞4.线圈5.活塞环6.阻尼通道7.缸体8.活塞杠图2-4磁流变阻尼器的工作原理示意图第三章磁流变阻尼器的设计3.1磁流变阻尼器设计准则磁流变阻尼器的设计准则为：因为平行于磁流变体流动方向的磁力线分量对磁流变效应的贡献较小，垂直于磁流变体流动方向的磁力线分量对磁流变效应的贡献较大，在设计磁流变阻尼器时应使阻尼通道内的磁流变体的流动方向垂直于磁场方向，以便充分利用磁流变效应来控制阻尼力的大小。3.2磁流变阻尼器的结构参数的计算磁流变阻尼器通常包括活塞组件、缸体、补偿层、密封件及紧固件等。活塞将工作油缸分为上、下两腔，电磁线圈绕制在线圈架上，通过活塞杆引出电源线，采用不同的电流产生不同的磁场，进而调节环形通道之间磁流变液的流动特性，实现阻尼力大小的控制，其结构参数简图见图3-1。

图3-1阻尼器结构参数简图磁流变阻尼器是基于磁流变液流变特性的一种阻尼可控器件，它的最大阻尼力主要依赖于磁流变液的性能、阻尼器工作模式以及阻尼器的结构尺寸。磁流变阻尼器的阻尼力F由3部分组成，一部分为液体流动时粘性产生的粘滞阻尼力七，一部分为磁流变效应产生的最大剪切阻尼力Ft，另一部分是由活塞杆与缸体之间的摩擦力Ff组成。利用轴对称模型，其表达式为TF=F+F+F广(dp/dx)AL+F(3-1)(3-2)F=[(dp/dx)-(dp/dx)0]ALF=(d/d)AL(3-3)(3-2)门pxX0-0p式中：(dp/dx)t0=0为未加磁场时的剪切压力梯度；(dp/dx)T0为施加磁场时的剪切压力梯度；L为活塞磁滞作用有效长度(m)；Ap为活塞有效截面积(m2),Ap=n(R12-R2pr),Rpr为活塞杆半径。上述阻尼力中的粘滞力和摩擦力在阻尼器工作过程中基本保持不变，而由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调力系数D,则F+F+FF

—F+七—F+q(3-4)在Bingham模型下，由于流通间隙非常小，可认为流通间隙内剪切应力t等0处处相d-p-dXdpdxx020—r—r(3-5)兀c-2R2—8qv2R2—R2—21—iln(RR)兀G2—R2)x0-0R4—R14—[Rr)21(3-6)在活塞与缸体的流通间隙内满足如下两个关系:dpdxR—R12+S—r2—DlnRr+D—睥=041Rr20(3-7)一兀兀R2V一——dp(r4—R4+r4+r4)+4D(R2+R2+r2一r2)+8D108ndx21121211230-V0AP=0(3-8)rrtD=12021D=t(R+R—r—r)

201212D=3t(R3+R3—r3—r3)(3-9)(3-10)(3-11)式中：R为磁流变液流通间隙的内径(m)；R为磁流变液流通间隙的外径(m)；12磁场作用下流通间隙内形成柱塞区的内径(m)；七为在磁场作用下流通间隙内形成柱塞区的外径(m)；邛为磁流变液塑性粘度(Pa-s)；V0为活塞运动速度(m/s)。3.3磁流变阻尼器的优化设计磁流变阻尼器的结构设计过程中主要是确定流变液流通间隙h（h=R-R1）和磁场作用长度L。在设计初始，可以假定v°为均值且已知；n与磁流变液状态有关;设计时可取中间值；由于磁流变阻尼器设计的F是在磁场作用时的最大出力，通常考虑是在电流2A时阻尼器的输出力，因此磁流变液的剪切强度T0取其相应最大值；磁流变液流通间隙的外径R2和活塞杆半径Rpr也可以确定，由式（7））、式（8）可看出存在3个未知量R、r、r，，因此存在优化的问题。通过式（7）、式（8）优化选取R、r、r后，继而112112可得到调力系数D、磁场作用长度L等参数。由于所设计的磁流变阻尼器受到使用空间的限制，长度方向和最大外径均要满足一定要求，特别是长度方向既要保证活塞有一定的行程，而且底部还要留出一定的空间设置膜式补偿器，因此在缸体尺寸一定和保证设计目标卜满足情况下，活塞头长度要尽可能小，即L最小。此外，若摩擦力Ff固定，当h增大时，Fn急剧减小，Ft、F也随之减小，因此D呈下降趋势；反之当h减小时，卜门急剧增加，，卜也相应增加此时Ff同FJ叩相比已微不足道，因此D也呈下降趋势，所以在两种情况之间必然存在一个关于D的最佳区域。在本文中，摩擦力Ff由密封环的过盈量可初算得取为200N，因此取不同间隙h时计算可得到本文所要设计的磁流变阻尼器的D与h/R2的关系曲线图2。根据图3-2以及相关文献中谈及的使用经验，本文取优化约束条件为0.001WhW0.002,则D的范围也可以确定。图3-2D与h/R2的关系曲线目标函数(3-12)L=f(R,r,r)=ff(3-12)mm112A(dp/dx)PT0不等式约束条件(3-13)0.001<R2-R1<0.002

(3-14)(3-15)2.0<D<2.60(3-13)(3-14)(3-15)等式约束条件f(R,r,r)二1112dpR2—R2+r2—r2Rr——t11j+DIn+D—门v(3-16)12f(R,f(R,r,r)二兀R2V211210兀Idp8^|_dxT0(R24—R14+r4—r24)+4D1(R22—R：+了—y;)+8D3综上所述，具体的优化步骤如下：确定磁流变液的n、T。，活塞运动速度V。，结构尺寸％、活塞杆半径Rpr，摩擦力Ff，欲达到的阻尼力F；°2确定优化目标和约束条件，例如本文中式(12)〜式(17)；利用MATLAB优化工具箱优化得到的L、R、r、r，代入式(5)、式⑹后得到112(dp/dx)T0=0和(dp/dx)T。，继而可利用式(1)〜式(4)得到Ft、Fn、F；若计算所得到的F与预期的F相差太多，删除该组数据以避免重复计算，同时重复步骤(3)直到求出满意结果，本文中『求取误差为±5%；圆整R「L，求出最终的Ft、F「F。根据上述步骤编制的计算程序，其框图见图3-3。计算得到的结果可用于磁流变阻尼器的结构设计中，此外，由于磁路设计在相关文献中叙述均很详细，在此不再赘述。图3-3优化设计计算程序框图第四章磁流体阻尼器在车辆上的具体应用4.1磁流变阻尼器在悬架系统中的应用和发展情况磁流变液具有优良的可控性、很宽的动态范围、较高的响应速度，很低的功耗，相对简单的控制方式，因此它在结构振动控制、车辆工程中具有广阔的应用前景，尤其是在汽车半主动悬架领域它已经成为竞相研究的热点，世界发达国家的研究机构和企业投入大量人力物力利用磁流变液开发阻尼器件及相关技术，其中Lord公司的磁流变液和阻尼器己商品化，采用磁流变智能悬架系统的汽车在2000年的大型国际汽车博览会上首次亮相，有关专家预言磁流变技术在汽车工程中的应用将会给汽车减振系统革命性的进步。美国Lord公司是世界上最大的磁流变液供应商，也是磁流变技术商业开发的领导者，拥有磁流变阻尼器、制动器、离合器及其控制系统的多项专利，其中Pinkos等设计了转盘式磁流变主动悬架系统，并完成了汽车半主动悬架的控制实验，这种悬架系统大大地提高了汽车的安全性和舒适性。美国马里兰大学航空工程系在磁流变阻尼器的设计理论方面一直处于领先地位，代表着世界先进水平，他们也开发了充气补偿结构的汽车磁流变阻尼器。韩国学者Seung-BokChoi开发了客车悬架系统磁流变阻尼器，该阻尼器是双筒结构，其阻尼通道位于工作缸的两端，在阻尼器外设计了膜片隔离气体补偿器。阻尼器采用一个PID控制器缩短电流响应时间。为了控制车辆垂直振动，他设计了天棚阻尼开关控制器，采用基于全车模型的硬件嵌入式(Hardware-in-the-Loop)方法仿真，仿真结果表明利用磁流变阻尼器可以大幅度提高车辆的安全性和舒适性，目前正进行路道试验。世界最大汽车零部件制造和系统集成商一美国德尔夫(Delphi)公司与通用汽车公司合作开发了汽车磁流变半主动悬架系统Magneride，并获得了1999年度世界一百大科技成果奖，现在德尔夫公司已经开始与通用汽车公司合作，在2002SevilleSTS型高档轿车上进行了试用。美国维吉尼亚工学院车辆动力学高级实验室(AVDL)也在汽车磁流变半主动悬架研究中做了大量工作。他们利用Lord公司提供的磁流变阻尼器设计了半主动悬架控制系统，并在VolvoVN重型卡车和Futurecar轿车的悬架上进行道路试验，试验结果说明该系统对汽车俯仰和侧倾运动有明显抑制，而对车身振动没有明显效果，因此阻尼器和控制算法有待进一步改进。在国内，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的C.YLai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，其控制算法为滑模控制，与传统的被动悬架相比，采用磁流变阻尼器可控悬架的簧上质量的垂直加速度得到大幅度降低。复旦大学在对磁流变材料的机理和制备方法进行研究的同时，还与上海大众汽车公司和上海汇众汽车制造有限公司合作研发汽车磁流变阻尼器和半主动悬架。南京航空航天大学对磁流变阻尼器进行了试验研究和理论分析，设计和实现了半主动悬架的测控试验系统，对磁流变半主动悬架的控制策略进行了研究。西安交通大学在磁流变阻尼器和通用振动控制器设计、磁流变阻尼器控制方法等方面取得了一些成果。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和用于海南马自达的汽车磁流变阻尼器，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。4.2磁流体阻尼器在车辆半主动悬架上的应用汽车在行驶过程中，由于路面的不平坦，导致作用于车轮上的垂直反力(支撑力)、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作稳定性以及车辆零部件的疲劳寿命。未了缓解冲击，在汽车悬架上方装有弹性元件，但弹性系统在冲击是产生振动。持续的振动易使乘员感到不舒适或疲劳，因此汽车悬架中装有阻尼器。在通过凸起路面时，车轮和车身的相对速度要比通过凹路面时大得多。即阻尼器在复原行程时，必须比较大阻尼力，而在压缩行程需要的阻尼力相对较弱，这是悬架力学对阻尼器阻尼设计提出的最基本要求。传统的车辆悬架系统是按某种特定的路面状况和车辆运行状态超出设计时，固定阻尼特性的被动悬架系统的阻尼效果将大为降低。传统被动悬架不能适应负载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的状态的变化、实时调节其特性，既能保持汽车操作稳定性，又能使汽车的乘坐舒适性和操作稳定性，非常适用于车辆悬架系统的特点，使对它的研究有了较大发展。磁流变阻尼器做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，实现流体与半固体之间的转变，从而能够提供可控阻尼力，其具有结构简单、控制方便、响应迅速、消耗功率小和输出力大等优点。目前国内对双筒式磁流变阻尼器的设计以及结构优化的理论研究十分的必要的4.3可调磁流体阻尼减震器的发展到了70年代，随着越野车和SUV等运动型汽车和普及和发展，以及汽车悬架电控系统的日益完善，对减振器也提出了新的要求。于是，人们开始对可调减振器性能认识的进一步深入，各种各样减振器技术不断涌现，不过其主要焦点集中在控制节流孔流量的变化方面:（1）用各种各样的流量阀人工调节节流孔流量，以便司机根据路况实现舒适工况、中等工况、运动工况三级调节，后来又发展到将阻尼分为更多级，这样可以扩大选择的范围.但这无疑给操纵安全性带来负影响；（2）利用一些辅助零件调节节流孔的数量，如在空心活塞杆上做出一系列径向节流孔，然后在活塞杆外或内增加辅助套筒或转动套杆,以便在减振器行程中，使起节流阻尼作用的节流孔数目发生变化，从而自动调节阻尼力的大小。20世纪80年代以来，计算机技术在汽车工程领域得到了广泛应用，特别是高级轿车的智能化发展，光电传感器及超声波传感器在汽车技术发展方面发挥了巨大作用,从而实现减振器特性智能化可调和实时可调，有力地解决了汽车乘坐舒适性与操纵安全性的矛盾。到目前为止，可调阻尼减振器形式有很多种，如涡流式减振器、应变感应式减振器、频率感应式减振器、压电阻TEMS式减振器、磁流变体可调阻尼减振器、电流变体可调阻尼减振器、节流口可调阻尼减振器等。我国学者主要致力于后三种阻尼可调减振器的研究，特别聚焦在减振液粘度的可调性方面。根据日本Bridgistone公司的研究材料介绍，电流变液体的粘度在几毫秒内即可随高磁场电压变化即迅速改变或恢复。正是电流变流体这样一种在电解液（如硅酮）中高极化微质点的悬浮体,使得可调减振器阻尼特性随工况智能变化成为一种可能。德国巴依尔公司在1995年对采用能改变减振度的电流变流体减振器进行了首次试验，由于采用了相应的传感器，便能直接分析路基情况，并在随后的0.0015s内调节减振器的特性，以满足路况要求。近年来我国学者曾利用磁流体作为减振液通过控制磁场强度也达到调整减振器特性的要求，研究表明，以磁流体为减振液的阻尼调节性能较电流变流体的调节性能好，但目前这两种方式都没能做出经济实用的、令人接受的产品模型,仍都处于研制阶段。从控制方式上可调阻尼减震器可以分为机械控制式和电子控制式两类。机械控制式可调阻尼减振器的控制方式简单，没有复杂的电控装置，附加成本低，工作可靠。（1）机械控制式可调阻尼减震器机械控制式可调阻尼减振器的控制信号一般取自车轮载荷，其结构与悬架形式有关。以德国Sachs公司生产的气压控制阻尼连续调节（PDC）系统为例，它利用空气弹簧内部的气体压力（与载荷有关）作为控制信号，通过调节控制阀的开启面积来改变减振器的阻尼特性，，其阻尼调解机构设置在减振器的外部，需要较多的空间，适用于商用车辆。在轿车上一般采用调节机构内置式结构，通常在空心活塞杆内设置能够随空气弹簧内部压力改变而沿轴向移动的柱塞，由此改变节流阀开启面积，调节减振器的阻尼特性。（2）电子控制式可调阻尼减振器采用电控技术调节阻尼特性的筒式液阻减振器的调节机构通常由传感器、控制装置、以及执行装置等组成，阻尼既可以分级调节，也可以连续调节，通常是由电控执行器改变改变节流阀通流面积，调节减振器的阻尼特性。由传感器采集的信号包括车速、转向盘转角、节气门开度、制动管压力或纵向加速度等。这种系统通常在驾驶室内设置驾驶风格选择装置，系统根据驾驶员选择的不同风格按软、中、硬三级或软、硬两级转换阻尼特性。阻尼调节机构可以室内知识，也可以是外置式，轿车上多采用内置式结构。目前阻尼分级调节的电子控制式减振器使用的较多，其执行器一般采用置于减振器上方的步进电机。步进电机的旋转带动空心活塞杆内部的转子阀旋转，从而改变转子阀截流孔与活塞截流孔之间的节流面积以实现阻尼特性的转变。对于阻尼分级调节的减振器，转子阀的位置在短时间内改变往往会产生冲击，导致阻尼力出现不连续的问题。电控式液力型减振器发展的理想目标是实现对阻尼的连续调节，目前已有这样的产品推向市场。采用电子控制悬架减振器可以有效防止汽车加速、换挡和制动使车身的纵倾以及转弯时的侧倾，改善汽车低速行驶时的舒适性，并保证汽车高速行驶时具有良好的车轮-地面附着性能。除悬架减振器外，某些转向系减振器也采用了电子控制装置可适应不同行使工况的需要，其控制信号一般包括车速和转向盘转角（3）电流变和磁流变减振器