磁流變阻尼器的基本原理和結(jié)構(gòu)

1、7第二章磁流變阻尼器的基本原理和結(jié)構(gòu)2.1磁流變阻尼器的工作模式磁流變技術(shù)研究的一個(gè)重要目標(biāo)是利用磁流變液在外磁場(chǎng)作用下改變流變 特性這一特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)各種用途的磁流變阻尼器，MR阻尼器的工作模式有下列幾 種：（1）壓力驅(qū)動(dòng)模式或流動(dòng)模式。如圖 2.1（a所示，這是目前應(yīng)用最多的一種工作模式。其原理，磁流變液在壓力作用下通過(guò)固定的磁極，磁流變液流動(dòng)的方向與磁場(chǎng)方向垂直，可通過(guò)改變勵(lì)磁線(xiàn)圈的電流控制磁場(chǎng)的變化，使得磁流變液的流動(dòng)性能發(fā)生變化，從而使磁流變阻尼器的阻尼力發(fā)生變化。該系統(tǒng)可用 于伺服控制閥，阻尼器和減震器。（2）直接剪切模式。如圖2.1 （b）所示，只有一個(gè)磁極固定，另一個(gè)磁極 作平行于

2、固定磁極的運(yùn)動(dòng)或繞固定磁極旋轉(zhuǎn)， 磁流變液在可移動(dòng)磁極的作用下通 過(guò)可控磁場(chǎng)，同樣磁場(chǎng)方向垂直于磁流變流體流動(dòng)，適合于磁極運(yùn)動(dòng)的使用場(chǎng)合。 這種系統(tǒng)可用于離合器，制動(dòng)器，鎖緊裝置和阻尼器等磁流變器件。（3）擠壓模式。如圖2.1 （ c）所示，磁極移動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向相同，磁場(chǎng)方向與磁流變液的流動(dòng)方向垂直，磁流變液在磁極運(yùn)動(dòng)時(shí)同時(shí)受到擠壓和剪切作 用。磁流變液在磁極壓力的作用下向四周流動(dòng)磁極移動(dòng)位移較小，磁流變液產(chǎn)生的阻尼力較大，可應(yīng)用于低速小位移（一般少于lmm ）大阻尼力的磁流變阻尼器 和減振設(shè)備等。這一模式中不均勻磁場(chǎng)導(dǎo)致懸浮顆粒聚集， 阻尼力隨時(shí)間不斷增 長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的穩(wěn)定控制10。

3、（a）.壓力驅(qū)動(dòng)或流動(dòng)模式（b）.剪切模式（c）.擠壓模式圖2.1磁流變流體的基本工作模式Fig.2.1 Basic working modes for MR fluid2.2磁流變阻尼器的基本結(jié)構(gòu)2.2.1磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)分析磁流變阻尼器是通過(guò)改變控制裝置的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的可調(diào)控制，其主要特點(diǎn)是所需外加能量很少、裝置簡(jiǎn)單、不易失穩(wěn)，摒棄了被動(dòng)控制和主動(dòng)控制的缺點(diǎn)，兼顧了它們的優(yōu)點(diǎn)。磁流變阻尼器可在一定的范圍內(nèi)通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)強(qiáng)度 來(lái)調(diào)整減振器的阻尼系數(shù)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的半主動(dòng)控制。阻尼器與減振器在極大程度上是相似的，譬如阻尼力、阻尼比等，然而，阻 尼器與減振器還是有本質(zhì)的區(qū)別。阻尼器主要考慮用阻尼

4、力來(lái)耗散動(dòng)能、沖擊， 不用考慮回復(fù)力，當(dāng)然一部分阻尼器是自身具有回復(fù)力的， 這本身就是一種柔性 的可回復(fù)阻尼或減振器，如彈簧、橡膠墊等。而磁流變阻尼器兼顧以上因素，同 時(shí)還具有一定的連續(xù)工作能力，同時(shí)磁流變阻尼器還并聯(lián)一部分橡膠使得在工作 狀態(tài)下發(fā)生剪切位移時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)回復(fù)力來(lái)使磁流變阻尼器回復(fù)到中心位置。 并 且，油缸底部還串聯(lián)一部分橡膠作為緩沖其沖擊載荷。本文試驗(yàn)中所選用的磁流變阻尼器，由活塞、缸筒和磁流變液構(gòu)成的阻尼-彈性部分和橡膠復(fù)位元件組成，根據(jù)其工作原理可以將它視為一個(gè)Maxwell模型元件與另一彈簧并聯(lián)而成的標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)形固體模型 11。Maxwell模型是將一個(gè)彈 簧和一個(gè)牛頓阻尼器

5、串聯(lián)起來(lái)，如圖圖 2.1.1 Maxwell 模型 Fig 2.1.1 Model of Maxwell二 /E彈簧的伸長(zhǎng)為，由虎克定律s/匸確定；阻尼器的速率"由牛頓阻尼二 /定律d 決定，這里 為牛頓阻尼系數(shù)。顯然有Z = Z + Z(2-1)sdE對(duì)式（2-1）微分，并應(yīng)用虎克定律和牛頓阻尼定律得到：(2-2)a + 一d =或可改寫(xiě)成E（2-3）nt = 一m式（2-3）中 E稱(chēng)為Maxwell模型的松弛時(shí)間因此，本文試驗(yàn)中所采用的磁流變阻尼器力學(xué)模型就可以近似看成如圖2.2所示，對(duì)Maxwell模型元件有式表示的下述關(guān)系：(2-4)由平衡方程及變形協(xié)調(diào)條件顯然有微分式（3-

6、5）代入式（3-4），得到:/E弋 （1乓/匕）；(2-5)(2-6)式中&稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)形固體的松弛時(shí)間。圖2.2.2磁流變阻尼器的動(dòng)力學(xué)模型Fig 2.2.2Dyn amic model of MR damper2.2.2磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)圖3.3磁流變阻尼器三維結(jié)構(gòu)圖Fig3.3Three-dime nsi onaldraw ingof MR磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)如下圖所示，圖3.3為三維結(jié)構(gòu)圖；圖3.4為二維結(jié)構(gòu)圖; 圖3.5為磁流變阻尼器實(shí)物圖。12345 S 7LSI9O1312S1.圓螺母2.彈簧墊圈3銅套4.端蓋5.活塞桿6.線(xiàn)圈7. V型密封圈8.下支撐板組合 9.橡膠10.

7、導(dǎo)柱11.工作缸12. o型橡膠密封圈13.上支撐板組合圖3.4磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)圖Fig3.4 Draw ing of MR vibrati on damper圖3.5磁流變阻尼器實(shí)物圖Fig3.5 The real picture of MR vibrati on damper由圖 3.3圖 3.5 可看出：磁流變阻尼器主要采用橡膠減振與磁流變減振相 結(jié)合的復(fù)合減振模式， 它由磁流變減振和橡膠減振兩部分構(gòu)成， 磁流變裝置和橡 膠裝置以并聯(lián)的方式達(dá)到總體的減振效果。橡膠減振部分屬于剪切式工作方式。 整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)主要由上支撐板組合（ 13）、下支撐板組合（ 8）、活塞桿（ 5）、 工作缸（ 1

8、1）、橡膠（ 9）以及附屬零件組成，其中活塞桿（ 5）與上支撐板組合 （ 13）固定，工作缸（ 11）通過(guò)橡膠（ 9）與下支撐板組合（ 8）固定，橡膠一方 面用來(lái)產(chǎn)生阻尼， 另一方面起剪切復(fù)位的作用； 減振器的兩個(gè)支撐板組合分別與 待減振裝置的兩個(gè)部分聯(lián)接， 當(dāng)減振器工作時(shí)， 兩個(gè)支撐板組合沿工作缸軸線(xiàn)方 向平行移動(dòng)， 這樣活塞桿和工作缸之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 通過(guò)改變活塞桿上激勵(lì) 線(xiàn)圈的工作電流， 來(lái)改變磁場(chǎng)回路的磁場(chǎng)強(qiáng)度， 從而達(dá)到改變減振器阻尼力大小 的目的。當(dāng)磁流變阻尼器具體實(shí)施到待減振系統(tǒng)中時(shí)，磁流變阻尼器分別通過(guò)兩側(cè) 板和待減振裝置相連， 當(dāng)待減振裝置工作振動(dòng)時(shí)， 帶動(dòng)磁流變阻尼器的

9、兩個(gè)側(cè)板 沿缸體軸線(xiàn)方向平行剪切移動(dòng)，由于側(cè)板（ 1）與活塞桿（ 5）相連，側(cè)板（ 2） 與工作缸（ 14）相連，這樣活塞桿（ 5）和工作缸（ 14）之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 當(dāng)活塞桿（ 5）上激勵(lì)線(xiàn)圈通以電流時(shí)，磁流變阻尼器的磁路部分將產(chǎn)生磁場(chǎng)， 在磁場(chǎng)的作用下，工作缸（ 14）內(nèi)的磁流變液的粘度增大，從而增大其剛度，達(dá) 到減振的目的。 對(duì)于不同工況， 由待減振裝置的振動(dòng)使裝在其上的傳感器產(chǎn)生信 號(hào)，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 A/D 對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集，控制器對(duì) A/D 所采集 的振動(dòng)信號(hào)分析計(jì)算出減振器所需輸出的最佳阻尼力， 隨后根據(jù)減振器的阻尼力 模型可以方便的計(jì)算出勵(lì)磁線(xiàn)圈所需的電流大小，

10、控制器根據(jù)所得參數(shù)輸出相應(yīng) 的控制信號(hào)至數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 D/A ，D/A 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)， 然后使該控 制信號(hào)通過(guò)功率放大器， 最后使勵(lì)磁線(xiàn)圈的電流獲得最佳值。 當(dāng)勵(lì)磁線(xiàn)圈的電流 改變后，由線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨之發(fā)生改變， 從而導(dǎo)致阻尼孔的磁流變液的粘 度相應(yīng)變化，最終導(dǎo)致了減振器輸出阻尼力的改變，實(shí)現(xiàn)智能減振的效果。2. 3. 2磁流變液的選用（a）磁流變液的流變效應(yīng)是一種可逆變化，它具有磁化和退磁兩種可能性， 所以選擇的磁流變液的磁滯回線(xiàn)必須狹窄， 從而使內(nèi)聚力較小， 磁導(dǎo)率較大， 尤 其須使磁導(dǎo)率的初始值和極大值盡量地大 ;（b）磁流變液應(yīng)具有較大的磁飽和，以使得盡可能大的“磁流”通過(guò)懸浮液 體的橫截面，為顆粒間的相互作用提供更多能量 ;（