磁流變式汽車減振器設(shè)計(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過)

下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 摘 要 磁流變阻尼器作為優(yōu)秀的半主動控制器件，已被廣泛運用于各種場合的振動控制。為改善汽車的乘坐舒適性和行駛安全性，提出一種汽車磁流變半主動懸架的控制策略。采用磁流變減振器的車輛半主動懸架系統(tǒng)，由于磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、反應(yīng)迅速且阻尼可調(diào)，正在成為新型車輛懸掛的發(fā)展方向，本文基于磁流變可控流體本構(gòu)關(guān)系的 Bingham 模型，對影響車用磁流變減振器的阻尼力的各種因素進(jìn)行了綜合分析。本文中介紹車用阻尼器的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀；磁流變液的組成及磁流變效應(yīng)基本原理，分析磁流變減振器的工作原理及其數(shù)學(xué)模型，結(jié)合 國內(nèi)外最新研究成果，綜述用于汽車懸架的 MR 減振器的仿真模型、控制方法。磁流變液作為流變學(xué)特性可控的一種智能材料，應(yīng)用十分的廣泛。 關(guān)鍵詞： 半主動懸架 ； 磁流變效應(yīng) ； 磁流變減振器 ； 仿真模型；磁流變液 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 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 黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 目 錄 摘要 . Abstract . 第 1 章 緒論 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 磁流變液的研究 . 1 1.3 磁流變阻尼器研究現(xiàn)狀 . 2 1.4 研究的主要內(nèi)容 . 3 第 2 章 磁流變阻尼 器的力學(xué)模型 . 5 2.1 磁流變液效應(yīng)及流變機理 . 5 2.2 磁流變阻尼器工作模式 . 6 2.3 參數(shù)計算模型 . 7 2.4 本章小結(jié) . 9 第 3 章 磁流變阻尼器的設(shè)計 . 12 3.1 磁路設(shè)計的影響因素 . 10 3.1.1 密封件的選擇 . 10 3.1.2 漏磁分析 . 13 3.1.3 磁性材料的選擇 . 14 3.1.4 退磁 . 15 3.1.5 磁流變阻尼器的動態(tài)范圍 . 15 3.1.6 阻尼間隙的選取對阻尼器性能的影響 . 15 3.1.7 阻尼通道有效長度的選取對阻尼器性能的影響 . 15 3.1.8 磁路結(jié)構(gòu)的分析 . 16 3.2 磁流變減振器線圈的設(shè)計 . 16 3.3 磁流變減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 17 3.3.1 結(jié)構(gòu)方案的確定 . 17 3.3.2 磁流變 減振器結(jié)構(gòu)優(yōu)點 . 18 黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 3.4 磁流變減振器磁路的設(shè)計 . 18 3.4.1 有關(guān)參數(shù)的初步確定 . 18 3.4.2 已有參數(shù)的確定 . 19 3.5 磁路相關(guān)參數(shù)的計算 . 19 3.5.1 磁路的計算 . 19 3.6 工作缸的計算 . 23 3.7 本章小結(jié) . 24 第 4 章 磁流變減振器基于 Matlab 的仿真分析 . 26 4.1 減振器的阻尼力計算模型 . 26 4.2 磁流變減振器的仿真分析 . 30 4.3 本章小結(jié) . 29 結(jié) 論 . 33 參考 文獻(xiàn) . 34 致 謝 . 35 附 錄 . 36 附錄 A 外文文獻(xiàn)原文 . 36 附錄 B 外文文獻(xiàn)翻譯 . 39 黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 1 買文檔送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 2 第 1 章 緒 論 1.1 概述 汽車在行駛過程中，由于路面的不平坦，導(dǎo)致作用于車輪上的垂直反力、縱向反黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 3 力和側(cè)向反力起伏波動，通過懸架傳遞到車身，從而產(chǎn)生振動和沖擊。這些振動和沖擊傳到車架與車身時可能引起汽車機件的早期損壞，傳給乘員和貨物時，將使乘員感到極不舒服，貨物也可能受損傷，嚴(yán)重影響車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性以及車輛零部件的疲勞壽命。為了緩解沖擊，在汽車懸架中裝有彈性元件，但彈性系統(tǒng)在沖擊 時產(chǎn)生振動。持續(xù)的振動易使乘員感到不舒適和疲勞，因此汽車懸架中裝有阻尼器。 傳統(tǒng)被動懸架不能適應(yīng)復(fù)雜的道路激勵和不斷變化的行駛工況，因此開發(fā)一種能夠根據(jù)路面情況和車輛運行狀態(tài)的變化、實時調(diào)節(jié)其特性，既能保證汽車的操縱穩(wěn)定性，又能使汽車的乘坐舒適性達(dá)到最佳的狀態(tài)的智能懸架系統(tǒng)勢在必行。近年來，半主動控制懸架系統(tǒng)，能夠大幅度提高車輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性，非常適合用于車輛懸架系統(tǒng)的特點，使對它的研究有了較大發(fā)展。 磁流變阻尼器作為半主動控制懸架的執(zhí)行元件，以磁流變液為介質(zhì)，通過對輸入電流的控制，使其對 外加磁場強度發(fā)生改變，進(jìn)而可在毫秒級使磁流變液的流變性能發(fā)生變化，實現(xiàn)流體和半固體之間的轉(zhuǎn)變，從而能夠提供可控阻尼力，其具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、相應(yīng)迅速、消耗功率小和輸出力大等優(yōu)點。目前國內(nèi)外對雙筒式磁流變阻尼器研究內(nèi)容較少，因此，對雙筒式磁流變阻尼器的設(shè)計以十分必要。 1.2 磁流變液的研究 所謂磁流變液（ Magnetorheological Fluid, MFR），是一種在外加磁場的作用下起粘性和塑性等流變特性發(fā)生急劇變化的材料。其基本特征是在外加磁場的作用下載毫秒的時間內(nèi)能夠快速、可逆地從自由流動的液 態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w，并且呈現(xiàn)可控的屈服強度。 磁流變液主要由三部分組成，他們分別為軟磁性顆粒、載液以及為了防止磁性顆粒沉降而添加的在總組成成分中所占比例很少的添加劑。 1） 軟磁性顆粒 軟磁性顆粒主要由鐵鈷合金、鐵鎳合金、羥基鐵等常規(guī)的性能優(yōu)良的顆粒，使用最多的磁性顆粒為羥基鐵粉，因為它是工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)量大、價格便宜，一般成球狀，直徑尺寸為 1-10 微米，其具有如下特點： （ 1）高磁導(dǎo)率，這可以使顆粒在較小的外磁場下，便可磁化成具有較大磁能的顆粒，從而產(chǎn)生較大的剪切屈服強度，以滿足磁流變液低能耗的性能指標(biāo)； （ 2）低磁矯頑力，即具有良好的退磁能力，基本上不存在剩磁，這是磁流變液可以恢復(fù)零磁場狀態(tài)的要求； （ 3）體積小、內(nèi)聚力??； （ 4）具有高飽和磁化強度。 黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 4 ）載液 可用作載液的液體有硅油、礦物油、合成油、水合乙二醇等，對載液的要求是溫度穩(wěn)定性好、非易燃，且不會造成污染，其具有一下特征： （ 1）高沸點、低凝固點，這可以保證磁流變液有較高的工作溫度范圍，在工作過程中，使磁流變的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定； （ 2）高密度，縮小載液體與磁極化粒子的密度差解決磁流變液沉淀問題的最有效的方法； （ 3）低粘度，確保磁流變液具有零磁場 粘度低的要求，使磁流變器件具有更大的調(diào)劑范圍； （ 4）化學(xué)穩(wěn)定性好； （ 5）具備較高的擊穿磁場； （ 6）無毒、無異味、價格低廉。 1.3 磁流變阻尼器研究現(xiàn)狀 磁流變阻尼器因其具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、響應(yīng)迅速、消耗功率小、抗污染能力強和輸出力大、阻尼力連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點，在汽車、機械、土木建筑等的振動領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。目前，磁流變阻尼器已取得了廣泛地發(fā)展和應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)形式的研發(fā)也層出不窮，根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的時間順序，可分為常規(guī)磁流變阻尼器、改進(jìn)新型磁流變阻尼器以及全新型磁流變阻尼器。 常規(guī)磁流變阻尼器 ，即根據(jù)磁流變阻尼器的工作模式而設(shè)計出，單級活塞線圈內(nèi)置式磁流變阻尼器。重慶大學(xué)的廖昌榮、余淼等人是國內(nèi)最早研究磁流變阻尼器的研究人員，他們根據(jù)磁流變體的 Bingham 模型描述，提出了混合工作模式的汽車磁流變減振器的設(shè)計原理，如圖 1.1 活塞在工作缸內(nèi)作往復(fù)直線運動，利用線圈產(chǎn)生的磁場來控制磁流變液在阻尼通道中的流動，對減振器的阻尼力實現(xiàn)控制。并且按照長安微型汽車的技術(shù)和磁流變液體的性能設(shè)計和制作了微型汽車磁流變減振器，并根據(jù)長安微型汽車前懸架減振器的技術(shù)條件對此進(jìn)行了實驗測試。 黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 5 圖 1.1 混合模式磁流變 阻尼器工作原理 佛山大學(xué)汪建曉以及華南理工大學(xué)王世旺等人研制了一種自定心擠壓式磁流變彈性阻尼器。以上幾種磁流變阻尼器的設(shè)計都是在磁流變阻尼器幾種工作模式基礎(chǔ)上研制出來的單級活塞，線圈內(nèi)置換繞的磁流變阻尼器。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的涂奉臣、陳照波等人根據(jù)工程上出現(xiàn)的常規(guī)阻尼器在高頻振動是剛度硬化現(xiàn)象，使高頻傳遞率增大而提出一種帶有解耦結(jié)構(gòu)的新型磁流變阻尼器，其結(jié)構(gòu)上的改動并不大，只是將活塞與活塞桿分開，然后利用解耦機構(gòu)將活塞與活塞桿連接起來，其解耦結(jié)構(gòu)由兩個限位擋板和兩個螺旋彈簧組成。 南京林業(yè)大學(xué)的徐曉美等人提出 了一種線圈繞于工作缸外的新型磁流變阻尼器。為了避免將激勵線圈繞于工作缸外，磁流變阻尼器中大部分磁力線將平行于磁流變液的流動方向，而無法滿足磁流變液產(chǎn)生剪切屈服強度的現(xiàn)象，此結(jié)構(gòu)在工作缸外增加了磁靴結(jié)構(gòu)，既減少了漏磁，又引導(dǎo)磁路使磁力線垂直于磁流變液流動的方向 。 寧波大學(xué)的蘇會強等人根據(jù)磁流變液在磁場作用下可進(jìn)行固 -液轉(zhuǎn)換的特點，設(shè)計了一種回轉(zhuǎn)式阻尼器。并建立了相應(yīng)的阻尼器力矩模型。 1.4 研究的主要內(nèi)容 本文主要內(nèi)容是對普通的汽車用減振器進(jìn)行改進(jìn)，在原有的雙筒減振器的基礎(chǔ)上增加上線圈和磁流變液，其主要的結(jié)構(gòu) 尺寸工作缸的外徑和內(nèi)徑、活塞的直徑等都沒有發(fā)生變化，在原有的這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加上了線圈和線圈活塞，對線圈的匝數(shù)，工作間隙的大小，磁路的設(shè)計等方面進(jìn)行了研究和設(shè)計。在查閱資料的基礎(chǔ)上，選定了工作模式和阻尼器的力學(xué)模型。在給定的工作要求的情況下，對一些重要的部件進(jìn)行黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 6 了校核，最后對設(shè)計的磁流變減振器進(jìn)行了仿真優(yōu)化。 主要包括對磁路的設(shè)計、結(jié)構(gòu)的設(shè)計和最后的仿真分析。 （ 1） 磁路的設(shè)計 在磁流變減振器的設(shè)計過程中，磁路的設(shè)計是一個很重要的環(huán)節(jié)，決定了磁流變減振器工作范圍和效率的大小，在磁路的設(shè)計過程中，還要重視對材料的選 擇，以避免磁阻和漏磁的過大，使減振器不能達(dá)到預(yù)期的低耗和工作范圍寬的目的。選擇合適就算模型，就本身的實際出發(fā)選擇最優(yōu)的形式，使得減振器在工作過程中能達(dá)到設(shè)計的要求。 （ 2） 結(jié)構(gòu)的設(shè)計 磁流變減振器是基于普通的雙筒減振器改變而來的，其中的外形結(jié)構(gòu)和活塞桿的尺寸都沒有改變，可按照某微型汽車的原始減振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，不同點在于，內(nèi)部增加了線圈和纏繞線圈的活塞，這些是需要設(shè)計和計算的，也是本論文設(shè)計的又一個重點，基于混合模式的磁流變減振器的基礎(chǔ)上，在活塞上開有若干個環(huán)槽來增加阻尼力，使減震器的阻尼力增大。 （ 3） 仿真 基 于 Bingham 基礎(chǔ)上運用 Matlab 進(jìn)行仿真分析，對最終的參數(shù)進(jìn)行比對分析，并得出仿真的結(jié)果。 黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 7 第 2 章 磁流變阻尼器的力學(xué)模型 2.1 磁流變液效應(yīng)及流變機理 20 世紀(jì) 40 年代 Rabinow 首次發(fā)現(xiàn)磁流變現(xiàn)象。在零磁場作用下，磁流變液表現(xiàn)為牛頓流體的特征，其剪切應(yīng)力等于粘度與剪切率的乘積，在外加磁場的作用下，磁流變液表現(xiàn)為賓漢姆流體的特征，其剪切應(yīng)力由液體的粘滯力和屈服應(yīng)力兩部分組成，其流變特性的改變表現(xiàn)為屈服應(yīng)力隨磁場強度的增加而單調(diào)增加，而液體的粘度不變，當(dāng)外加磁場 達(dá)到某臨界值時，磁流變液停止流動達(dá)到固化，當(dāng)去掉外加磁場時，它又恢復(fù)到原來的狀態(tài)，其響應(yīng)時間僅為幾毫秒。磁流變液的這種隨外加磁場強度變化而改變流變特性的現(xiàn)象被稱為磁流變效應(yīng)。 磁流變效應(yīng)是磁流變技術(shù)和磁流變液走向工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，它具有下列特性： （ 1）在外加磁場的作用下，磁流變液的表觀粘度發(fā)生變化的過程是連續(xù)的、無級的，但這一變化過程是非線性的。 （ 2）在外加磁場的作用下，某磁場強度下，流體停止流動達(dá)到固化，當(dāng)去掉外加磁場時，流體又恢復(fù)到原來的狀態(tài)，磁流變體的由液態(tài)轉(zhuǎn)換成固態(tài)是可逆的，若這一轉(zhuǎn)化過程是不可逆 的話，他的工程應(yīng)用價值將會受到極大的影響。 （ 3）磁流變效應(yīng)對雜質(zhì)不敏感。 （ 4）可以采用低壓，大電流的信號來控制磁場強度的強弱，從而控制磁流變效應(yīng)，這種控制是安全且容易實現(xiàn)的。 （ 5）在外加磁場的作用下，磁流變體產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的響應(yīng)時間為毫秒級，這一特性能夠滿足車輛懸架振動控制的要求。 （ 6）磁流變效應(yīng)所需的能耗較低，即使發(fā)生液體與固體之間的轉(zhuǎn)換也不會吸收或者放出大量的能量，這為磁流變液在車輛工程中的應(yīng)用提供了方便。 （ 7）在外加磁場的作用下磁流變液體的表觀粘度發(fā)生的變化時可控制的，這一特性為人們提供了工 程應(yīng)用的基礎(chǔ)。 在顯微鏡下觀察可以發(fā)現(xiàn)，在零磁場下，磁流變液的顆粒分散是雜亂的，而在磁場作用下分布卻是有規(guī)律的，且沿磁場方向成鏈?zhǔn)鵂钆帕?，其作用原理如圖 2.1所示。 黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 8 圖 2.1 磁流變顆粒零磁場下的作用原理圖 這種顆粒在磁場下成鏈的原因存在很多的假說，但具有代表性的為場致偶極矩理論。該理論認(rèn)為在外加磁場的作用下，磁流變體的磁極化是產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的原因。而磁流變流體的變稠和產(chǎn)生抗剪屈服現(xiàn)象，也是由于磁場引起的作用力形成的。整個磁流變效應(yīng)的發(fā)生過程是：磁場作用下分散顆粒發(fā)生磁極化，形成偶極子現(xiàn)象，帶有偶極矩 的顆粒產(chǎn)生定向運動，顆粒在磁力的作用下定向排列，顆粒從無序隨機狀態(tài)到有序化、成鏈、成束或形成某種結(jié)構(gòu)，對外呈現(xiàn)明顯的表觀粘度增大、凝固以及剪切屈服應(yīng)力，即磁流變效應(yīng)。在磁場作用下固體顆粒的磁極化是產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的主要因素。 在外加磁場作用下，顆粒發(fā)生上述所述的磁極化現(xiàn)象，于是定向移動形成偶極子鏈。當(dāng)外加磁場強度較弱時，鏈數(shù)量少、長度短、直徑也較細(xì)，剪斷它們所需外力也較小。隨著外加磁場強度的不斷增加，取向與外加磁場成較大角度的磁疇全部消失，留存的磁疇開始向外磁場方向旋轉(zhuǎn)，磁流變液中鏈的數(shù)量增加，長度增加，直徑 變粗，磁流變液對所表現(xiàn)的剪切應(yīng)力增強，再繼續(xù)增加磁場，所有磁疇沿外加磁場方向整齊排列，磁極化達(dá)到飽和，磁流變液的剪切應(yīng)力也達(dá)到飽和。磁流變液的屈服應(yīng)力值隨外加磁場的增加而增加。但當(dāng)達(dá)到某一飽和值時，如果再增加磁場強度，磁流變液的力學(xué)性質(zhì)便會基本上不會改變，即達(dá)到了飽和磁場下的動態(tài)屈服應(yīng)力。 2.2 磁流變阻尼器工作模式 磁流變阻尼器是一種以磁流變液為介質(zhì)的半主動控制阻尼器，通過對輸入電流的控制，使其外加磁場強度發(fā)生變化，進(jìn)而可在毫秒級使磁流變液的流變性能發(fā)生變化，實現(xiàn)流體和半固體之間的轉(zhuǎn)變，從而能夠提供可控 阻尼力的目的。當(dāng)磁流變液流過活塞流過阻尼器上下兩腔時，由于磁流變阻尼器活塞與工作缸之間的間隙很小，因此磁黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 9 流變液流過的區(qū)域可以近似看似為流過一個無限大的平行金屬板，由于流體力學(xué)特性，可將磁流變阻尼器工作模式分為四種類型，他們分別是閥式、剪切式、擠壓式以及剪切閥式，如圖 2.2 所示。 圖 2.2 磁流變阻尼器工作模式示意圖 （ 1）閥式（ valved mode），磁流變液在壓力的作用下流過固定不動的兩極板之間，外加磁場垂直穿過極板作用于磁流變液，從而使磁流變液的流動特性發(fā)生變化而產(chǎn)生阻尼力的變化。 （ 2）剪切式 （ shearing mode） ,磁流變液流過相對運動的兩極板之間，外加磁場垂直穿過極板作用于磁流變液，這種運動使磁流變液產(chǎn)生剪切力，從而使磁流變液的流動特性發(fā)生變化而產(chǎn)生阻尼力的變化，流動阻力的變化通過外加磁場控制。 （ 3）擠壓式（ squeezed mode），磁流變液在上下運動極板的作用下向四周流動，極板移動反向與磁場方向相同，磁場方向與磁流變液流動方向垂直，從而使磁流變液的流動特征發(fā)生變化而產(chǎn)生阻尼力的變化，流動阻尼力的變化通過外加磁場控制。 （ 4）剪切閥式（ shearing-valve mode） ,也 稱混合式，磁流變液即像閥式那樣在壓力作用下通過兩極板，又像剪切式那樣受到兩極板相對運動時產(chǎn)生剪切作用，從而使磁流變液的流動特性發(fā)生變化而產(chǎn)生阻尼力的變化，流動阻尼力的變化通過外加磁場控制。 2.3 參數(shù)計算模型 剪切閥式磁流變阻尼器工作于剪切和流動的組合模式，具有結(jié)構(gòu)簡單、磁路設(shè)計黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 10 方便、出力大等優(yōu)良特性，其工作原理為阻尼器內(nèi)腔充滿了磁流變液，活塞在工作缸內(nèi)作往復(fù)直線運動，活塞與缸體發(fā)生相對運動，擠壓磁流變液迫使其流過缸體與活塞間的間隙，在沒有外加磁場作用下，磁流變液以牛頓流體作粘性流動，符合牛頓流體的本構(gòu)關(guān) 系；當(dāng)加上磁場后，磁流變液就會瞬間由牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)檎乘荏w，粘度呈數(shù)量級地提高，流體的流動阻力增加，表現(xiàn)為具有一定屈服力的類似固體的本構(gòu)關(guān)系。此時磁場對磁流變液的作用可用 Bingham 本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行描述，如圖 2.3，其本構(gòu)關(guān)系方程為： 圖 2.3 Bingham 模型 ypp bLhc L AvhLbbhLAF 22224032 （ 2.1） 式中參數(shù) c變化范圍 2-3，本文 c=2，因此剪切閥式磁流變阻尼器阻尼力為： ypp bLhLAvhLbbhLAF 24224032 公式可以改為： re FvCFFF 0（ 2.2） 0e032 224 vCvhLbbhLAF p （ 2.3） )(s240vgnbLhLAFyp （ 2.4） 從上式可以看出磁流變阻尼器的阻尼力由兩部分組成，一部分由液體流動時液體粘性產(chǎn)生的粘滯阻尼力，而另一部分由磁流變效應(yīng)產(chǎn)生的庫倫阻尼力組成。當(dāng)阻尼器幾何尺寸確定后，假設(shè)磁流變液的粘度系數(shù)為常數(shù)，粘滯阻尼力只是活塞運動速度的函數(shù)，而庫倫阻尼力只是磁流變液屈服應(yīng)力的函數(shù)，屈服應(yīng)力受磁場強度控制，因而黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 11 可以認(rèn)為庫倫阻尼力只是勵磁電流的函數(shù)。 2.4 本章小結(jié) 本章主要論述了 磁流變阻尼器的力學(xué)模型，說明了磁流變阻尼器中磁流變液在工作過程中的機理，介紹了 Bingham數(shù)學(xué)模型，簡要說明了磁流變阻尼器的機構(gòu)和工作原理。分析了現(xiàn)有的幾種工作模式，并最后選擇了混合式的工作模式。闡述了阻尼力的求導(dǎo)原則。 黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 12 第 3 章 磁流變阻尼器的設(shè)計 磁流變阻尼器是一種以磁流變液為介質(zhì)的半主動控制阻尼器，其具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、響應(yīng)迅速、消耗功率小、抗污染能力強和輸出力大等優(yōu)點。本文對基于剪切閥工作模式的雙筒式磁流變阻尼器進(jìn)行設(shè)計。 磁流變阻尼器設(shè)計應(yīng)該滿足以下設(shè)計準(zhǔn)則：外加垂直于磁流變液流動方向的磁場對產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的貢獻(xiàn)應(yīng)最大，而平行于磁流變液流動方向的磁場則對產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的貢獻(xiàn)最小。在采用剪切模式、流動模式和擠壓模式的阻尼器式，磁力線的方向必須垂直于阻尼通道內(nèi)磁流變液的流動方向，才能產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，這樣阻尼器才能產(chǎn)生所需的阻尼力。故在設(shè)計磁流變阻尼器使，應(yīng)使阻尼通道中的磁流變液的流動方向垂直于磁場方向，以便充分利用磁流變效應(yīng)來改變阻尼器的阻尼力。由于汽車懸架阻尼器的行程較大，且在結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)強度上有嚴(yán)格的要求，利用磁流變液來 開發(fā)汽車磁流變阻尼器不能踩用擠壓模式，而只能采用流動模式、混合模式。本文采用的是混合模式。由于磁芯中磁感應(yīng)強度和磁場強度的關(guān)系是非線性的，因而，磁路中磁通和磁勢的關(guān)系也是非線性的。當(dāng)磁芯受到交變的磁激勵時，磁芯處于反復(fù)磁化過程中，磁芯中會產(chǎn)生功率損失。另外，磁路的磁通與磁勢的關(guān)系除了滿足磁路的克?；舴蚨赏?，還要滿足電磁感應(yīng)定律。通過電流將導(dǎo)致渦流的產(chǎn)生，渦流的出現(xiàn)使磁芯中磁通與線圈中電流的波形發(fā)生變化。同時，我們還要注意在阻尼器的應(yīng)用階段存在一些問題需要進(jìn)一步研究：（ 1）穩(wěn)定問題，其中包括磁流變流體的穩(wěn)定 性以及阻尼器性能的穩(wěn)定性；（ 2）還原問題；（ 3）誤差問題，包括阻尼力、磁路磁場強度的計算值和實際值的誤差；（ 4）補償問題，包括磁流變液流體的滲漏補償以及控制系統(tǒng)的變量補償；（ 5）使用壽命問題，包括磁流變液、磁路線圈、密封系統(tǒng)的使用壽命；（ 6）文維修問題，主要是維修保養(yǎng)的方便性。 3.1 磁路設(shè)計的影響因素 磁流變阻尼器的性能主要決定于其幾何尺寸、磁路以及磁流變液的性能等。在給定磁流變液性能參數(shù)的情況下，設(shè)計一個優(yōu)良的阻尼器的關(guān)鍵在于阻尼器的構(gòu)造設(shè)計和磁路設(shè)計。此外，還包括防塵、漏液、隔磁、密封、散熱以及連接 等反面的考慮。在設(shè)計時要考慮以下幾個因素：磁性材料的選擇、漏磁的分析、退磁和線圈的設(shè)計等。 3.1.1 密封件的選擇 （ 1）密封件的作用和意義 在減振器設(shè)計中，密封裝置用來防止磁流變液的泄露以及外界灰塵和異物的侵入。黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 13 磁流變液外漏不僅會造成浪費，污染機械和工作環(huán)境，甚至?xí)饳C械操作失靈及設(shè)備和人身事故。若導(dǎo)線與磁流變液直接接觸，可能產(chǎn)生漏磁，導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)熱，影響磁流變液的性能。侵入減振器中的微小灰塵微粒，會引起加劇液壓元件的磨損和摩擦，增大阻尼力，減小減振器的功效，并且還有可能進(jìn)一步導(dǎo)致泄露。因此，密封件是減振 器的一個重要的組成部分。它的工作可靠性和使用壽命，是衡量液壓系統(tǒng)好壞的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。 （ 2）密封的分類 被密封的部位在兩個需要密封的偶合面之間，通常根據(jù)這些偶合面在機械運行時有無相對運動，可把密封分為動密封和靜密封兩類。 （ 3）密封形式的選擇 設(shè)計或選擇密封件以及裝置的基本要求是： 1） 密封件長期在流體介質(zhì)中工作，必須保證其材料物理性能的穩(wěn)定。 2）在工作壓力下，應(yīng)具有良好的密封性能，并隨著壓力的增加 能自動提高其密封性能，即泄露在高壓下沒有明顯的增加。 3）動密封裝置的動摩擦阻力要小，摩擦系數(shù)要穩(wěn)定， 不能出現(xiàn)運動偶件卡住或運動不均勻等現(xiàn)象。 4）磨損小，使用壽命長。 5）制造簡單，拆卸方便，成本低廉。 密封件的選擇方法，首先根據(jù)密封設(shè)備的使用條件和要求，例如負(fù)載情況、工作壓力以及速度大小和變化情況、使用環(huán)境以及對密封性能的具體要求等，正確選擇與之相匹配的密封件結(jié)構(gòu)形式。然后再根據(jù)所用工作介質(zhì)的種類和使用溫度，合理選擇密封件材料。在使用或設(shè)計時，應(yīng)盡可能按照國家標(biāo)準(zhǔn)。 從裝配圖上可以看出，該減振器需要多出密封。由于減振器中活塞和缸體有相對運動，所以本結(jié)構(gòu)采用 Vd 形橡膠密封圈，其主要材料為 氟 橡膠（ SN）， XAI7453，工作介質(zhì)為油、水、空氣，軸速小于等于 19m/s 設(shè)備，起端面密封和防塵的作用。 3.1.2 漏磁分析 在所有的磁路中都存在著漏磁，這是應(yīng)為在磁路的實際兩點間若有任一磁位差，就有磁通存在。漏磁與磁路的幾何形狀有關(guān)，磁路中各段均有漏磁存在。磁路中的漏磁有三種形式： （ 1） 工作間隙端面漏磁，在工作間隙附近成圓弧狀，工作間隙越長，這種漏磁就愈大?？梢哉J(rèn)為，這種漏磁與工作間隙長度成比例增加，而且還受間隙端面的形狀及相對位置等因素影響。 黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 14 （ 2） 磁體表面漏磁，通常磁體越長，這種漏磁就越大。 （ 3） 軛鐵間的漏磁，這種漏磁與磁體在 磁路中的位置有關(guān)。磁體相對位置不同，漏磁差別也很大。磁鐵越靠近工作間隙，漏磁就越小。另外，在空隙處，磁力線會往外膨脹，因而取空隙的橫截面積時，應(yīng)該取大一些。并且在以往的研究中得到漏磁磁導(dǎo)在很大程度上決定于磁體側(cè)面表面積，表面積越大漏磁越大。所以，在實際工作間隙內(nèi)的磁場要小于計算值。在磁路設(shè)計時，合理地縮短工作間隙的距離，減少結(jié)合面，改善結(jié)合情況都有利于減少磁路中的漏磁。同時，為了減少磁鐵表面的漏磁，我們在磁路外可加上銅環(huán)或銅圈以此來進(jìn)行磁屏蔽。 為了減少漏磁，設(shè)計是需要注意以下幾點： （ 1） 因為活塞桿不在磁回路中 ，所以最好選用不導(dǎo)磁材料或?qū)Т挪牧媳容^低的材料。 （ 2） 導(dǎo)磁回路中，導(dǎo)磁體的連續(xù)處盡量緊密接觸，以免在連接處因存在縫隙而產(chǎn)生較大磁阻，影響效率。 （ 3） 在整個磁路中，盡量使各導(dǎo)磁體的磁阻大致相同，使得整個磁路均衡匹配，從而防止部分地段較早的磁飽和。在磁路設(shè)計中，對于磁路中漏磁的解決，本章采用漏磁系數(shù)的概念來設(shè)計磁路。即在考慮漏磁的情況下，線圈產(chǎn)生的磁通量 m 就不等于工作間隙中的磁通量g，在計算中引入漏磁系數(shù)gm 。 3.1.3 磁性材料的選擇 磁性元件主要指缸筒、磁軛、磁芯和活塞桿。在忽視漏磁的情況下，纏繞在導(dǎo)磁環(huán)上的勵磁線圈產(chǎn)生的磁場經(jīng)過磁軛、間隙、缸筒、最后回到磁芯形成閉合回路。阻尼通道的槽太寬滯留的磁流變液多，阻力大，調(diào)節(jié)范圍大。缸體設(shè)計要考慮壁厚，避免經(jīng)由缸體的磁通比較早的進(jìn)入飽和。 一般電磁路的磁芯選用軟磁體，其特點在于軟磁體有高的磁感應(yīng)強度，易退磁，磁滯回線包圍面積小，大的磁 導(dǎo)率和很小的矯頑力。軟磁材料是磁力線的通路，使用軟磁材料可以減少磁阻，在必要的控件建立均勻強度磁場。磁芯材料的種類較多，主要有電工純鐵、硅鋼、鐵鎳合金、鐵鋁合金、鐵鈷合金等。在選擇材料時通常要求磁芯材料磁導(dǎo)率高，因為當(dāng)線圈匝數(shù)一定時，通以不大的電流，就能產(chǎn)生很大的磁場。一般來講軟磁材料的磁導(dǎo)率都比較高。為了減小由交變電引起的交變磁場，不使磁導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流損失，故選擇給阻尼器直流電。退磁，對于磁路的有效能很重要，因為當(dāng)初始斷電時，如果仍存在磁場，那勢必會對振動控制的有效性產(chǎn)生影響。所以我們選擇的軟磁材料必須有 較小的剩磁，較小的矯頑力以及較小磁滯回線包圍的面積。由黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 15 此可以看出軟磁材料中具有扁平磁滯回線的這一列材料比較符合要求。結(jié)合以上的分析最終磁芯材料選擇鐵鎳合金。 3.1.4 退磁 這里所說的退磁和磁芯材料選擇中的退磁有區(qū)別。這個退磁是指，如果給定的空間及工作間隙很小，在這些很小的間隙中帶上一些外來的強磁性微粒，則強磁性微粒就會破壞間隙中應(yīng)有的磁場大小或磁場分布狀態(tài)以至于使磁系統(tǒng)不能正常工作。在這種情況下，為了保證磁系統(tǒng)正常工作，必須清除外來的強磁性微?；蝾A(yù)防強磁性微粒的吸附，這就必須完全退磁。所謂退磁就是用一定的 方法使試樣處于磁中性狀態(tài)。退磁的方法有：靜態(tài)和動態(tài)退磁法。 3.1.5 磁流變阻尼器的動態(tài)范圍 磁流變阻尼器的動態(tài)范圍是衡量磁流變阻尼器性能的重要指標(biāo)。粘滯阻尼力工作過程中基本保持不變，而又磁流變效應(yīng)產(chǎn)生的剪切阻尼力隨外加磁場的大小而不同，因此整個阻尼力變化幅度定義為磁流變阻尼器的動態(tài)范圍 D，其表達(dá)式為 3-1 fFFFD 式中fF為摩擦引起的阻尼力 。由上式可以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)定時，F(xiàn)和fF為常量，F(xiàn)越大， D 越大，阻尼效果越好。 3.1.6 阻尼間隙的選取對阻尼器性能的影響 阻尼間隙尺寸的選取直接影響著磁流變阻尼器的阻尼特性。阻尼間隙 h 與磁流變阻尼器的阻尼力 F 成反比。通過仔細(xì)分析比較可知，一方面，庫倫阻尼力 F 與阻尼間隙 h 成反比，在設(shè)計中，要求盡可能增加可控阻尼力（即庫倫阻尼力）的大小以增強可控效果，所以，要獲得大的可控阻尼力，在設(shè)計時，需要減小 h 的取值，另一方面，粘滯阻尼力F與阻尼間隙 h 的三次方成反比，隨著間隙的減小，粘滯阻尼力和快速增加，動態(tài)范圍會迅速減小。根據(jù)設(shè)計要求，在設(shè)計過程中，應(yīng)盡可能增加磁流變阻尼器的動態(tài)范圍以提高阻尼器的可控能力，因此，在設(shè)計時 應(yīng)適當(dāng)?shù)倪x取阻尼間隙的大小，一般合適的間隙范圍為 0.5-2mm。 3.1.7 阻尼通道有效長度的選取對阻尼器性能的影響 活塞阻尼通道有效長度 L 的增加，導(dǎo)致了更多的磁流變液產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，磁流變阻尼力增大。但是由于不同車型底盤對懸架阻尼器的布置空間有限，有效長度增加勢必會導(dǎo)致活塞的長度增加，這樣會使阻尼器工作的有效行程受到影響。因此，為了獲得較大阻尼力，在結(jié)構(gòu)尺寸允許的前提下，應(yīng)盡可能的增加阻尼通道的有效長度。 黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 16 3.1.8 磁路結(jié)構(gòu)的分析 由于磁流變阻尼器與普通阻尼器就夠上的不同，為了達(dá)到阻尼力可控，其活塞上纏有 線圈，就涉及到線圈引入問題，因此，采用活塞桿內(nèi)設(shè)引線孔德方法。由于引線長度很長而且引線孔直徑很小，已有的加工工具在強度和長度上都無法實現(xiàn)該活塞桿結(jié)構(gòu)，而且引線孔的作用只是滿足導(dǎo)線引出，因此，活塞桿采用電火花打孔的方法，對孔的同心度及光潔度要求不用太高。 磁流變阻尼器活塞上的線圈在纏繞過程中，主要會遇到兩個問題，一是漆包線在纏繞結(jié)束后需要從活塞桿引線孔中再引出的方法問題；二是在引線過程中，活塞桿內(nèi)引線通道比較粗糙，由于漆包線劃傷出現(xiàn)的短路問題。對于前者，若采用單線引入引出，還會是引線通道出入口加大，而且加大密 封的難度；對于后者，若采用帶有絕緣套的導(dǎo)線，會在設(shè)計時增加磁流變阻尼器活塞纏繞線圈處得尺寸，進(jìn)而影響活塞在阻尼器內(nèi)有限空間的布置。因此，在設(shè)計時，在引線通道口處精致處理的基礎(chǔ)上，采用雙線引入的方法，并且將活塞桿引線孔內(nèi)的漆包線用熱線管處理，避免在穿線時劃傷受損，并且一根線為纏繞對象，纏繞后兩線焊接的方法，解決了漆包線劃傷和密封難度加大問題。 3.2 磁流變減振器線圈的設(shè)計 線圈參數(shù)可以分兩類：工作參數(shù)和設(shè)計參數(shù)。所謂工作參數(shù)，就是線圈的工作電壓、頻率以及工作制等；所謂設(shè)計參數(shù)，則是指線圈的匝數(shù)、線徑、電阻以及 結(jié)構(gòu)尺寸等。工作參數(shù)決定于電磁鐵的工作條件。在設(shè)計過程中我們要根據(jù)工作參數(shù)來確定設(shè)計參數(shù)，具體的方法如下： 在一定的工作參數(shù)下，線圈必須滿足下列三方面的要求，首先能夠產(chǎn)生規(guī)定的磁勢，其次在規(guī)定的工作制下，線圈的溫度不會超過它的許用值，最后線圈的尺寸應(yīng)當(dāng)能夠同磁芯的尺寸相配合。 根據(jù)以上的原因，線圈計算一般包括三個方面的內(nèi)容，尺寸設(shè)計、電計算、和熱計算。尺寸設(shè)計是決定線圈的外形尺寸，包括外徑和內(nèi)徑等，線圈的內(nèi)部尺寸和線圈參數(shù)以及線圈所占面積等。電計算是確定線圈的電阻、激磁電流和線圈的能量消耗。熱計算是確定線圈 的溫升。電器中的金屬材料和絕緣材料在溫度超過一定范圍后，其機械強度會下降，絕緣強度也會受到損壞。電器工作溫度過高，會使其使用壽命降低，甚至遭到破壞。電器的損壞以及工作不正常會給整個被控系統(tǒng)帶來嚴(yán)重結(jié)果，所造成的經(jīng)濟損失比電器本身的價值往往要高的多。其中熱計算經(jīng)常用來對線圈設(shè)計進(jìn)行校核。熱計算采用牛頓公式，此公式通常使用于氣體和液體介質(zhì)中的發(fā)熱體溫升的校核。 線圈中導(dǎo)線的選擇： 黑龍江工程學(xué)院本科 生 畢業(yè)設(shè)計 17 （ 1） 導(dǎo)線的選擇主要考慮它所能承受的最大電流，避免溫度過高。電流安全密度為 5-8A/mm。 （ 2） 考慮環(huán)形導(dǎo)磁材料的公稱直徑和斷面直徑，以便計算 所能纏繞的線圈匝數(shù)。 （ 3） 考慮活塞中安方線圈的空間大小，不能因為纏繞后太粗而導(dǎo)致安裝困難。 （ 4） 要考慮導(dǎo)線的磨損問題。由于活塞組裝過程中，線圈與導(dǎo)磁環(huán)相對運動，因此必須保證導(dǎo)線不能因為磨損而漏磁甚至短路。 綜合考慮以上因素，選擇型號為 QQ-1縮醛漆包銅線，規(guī)格為 d 為 0.5mm，標(biāo)準(zhǔn)號為 GB6109.3-8561.其優(yōu)點是：抗沖擊性能好，耐刮性能優(yōu)，耐水解性好。 3.3 磁流變減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.3.1 結(jié)構(gòu)方案的確定 通過對以上因素的分析，本設(shè)計選擇混合工作模式的雙筒式磁流變減振器。雙筒式磁流變阻尼器工作原理圖，如圖 3-1 所示，其與傳統(tǒng)液壓雙筒式阻尼器工作原理相似，當(dāng)活塞 3 在工作缸 5 內(nèi)上下運動時，隨著磁流變液在工作缸 5 上下