【正文】 ...................................... 31 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 32 致 謝 ............................................................................................................................. 33 附 錄 ............................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 附錄 A 外文文獻(xiàn)原文 ...................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 附錄 B 外文文獻(xiàn)翻譯 ...................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 1 第 1 章 緒 論 概述 汽車在行駛過(guò)程中，由于路面的不 平坦，導(dǎo)致作用于車輪上的垂直反力、縱向反力和側(cè)向反力起伏波動(dòng)，通過(guò)懸架傳遞到車身，從而產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊。這些振動(dòng)和沖擊傳到車架與車身時(shí)可能引起汽車機(jī)件的早期損壞，傳給乘員和貨物時(shí)，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(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。持續(xù)的振動(dòng)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(dòng)懸架不能適應(yīng)復(fù)雜的道路激勵(lì)和不斷變化的行駛工況，因此開(kāi)發(fā)一種能夠根據(jù)路面情況和車輛運(yùn)行狀 態(tài)的變化、實(shí)時(shí)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(shì)在必行。近年來(lái)，半主動(dòng)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(diǎn)，使對(duì)它的研究有了較大發(fā)展。 磁流變阻尼器作為半主動(dòng)控制懸架的執(zhí)行元件，以磁流變液為介質(zhì)，通過(guò)對(duì)輸入電流的控制，使其對(duì)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生改變，進(jìn)而可在毫秒級(jí)使磁流變液的流變性能發(fā)生變化，實(shí)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(jiǎn)單、控制方便、相應(yīng)迅速、消耗功率小和輸出力大等優(yōu)點(diǎn) 。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)雙筒式磁流變阻尼器研究?jī)?nèi)容較少，因此，對(duì)雙筒式磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)以十分必要。 磁流變液的研究 所謂磁流變液（ Magorheological Fluid, MFR），是一種在外加磁場(chǎng)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(chǎng)的作用下載毫秒的時(shí)間內(nèi)能夠快速、可逆地從自由流動(dòng)的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w，并且呈現(xiàn)可控的屈服強(qiáng)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?yàn)樗枪I(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)量大、價(jià)格便宜，一般成球狀，直徑尺寸為 110 微米，其具有如下特點(diǎn)： 2 （ 1）高磁導(dǎo)率，這可以使顆粒在較小的外磁場(chǎng)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(qiáng)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(chǎng)狀態(tài)的要求； （ 3）體積小、內(nèi)聚力?。? （ 4）具有高飽和磁化強(qiáng)度。 ２）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(duì)載液的要求是溫度穩(wěn)定性好、非易燃，且不會(huì)造成污染，其具有一下特征： （ 1）高沸點(diǎn)、低凝固點(diǎn)，這可以保證磁流變液有較高的工作溫度范圍，在工作過(guò)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(wèn)題的最有效的方法； （ 3）低粘度，確保磁流變液具有零磁場(chǎng)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(chǎng)； （ 6）無(wú)毒、無(wú)異味、價(jià)格低廉。 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(jiǎn)單、控制方便、響應(yīng)迅速、消耗功率小、抗污染能力強(qiáng)和輸出力大、阻尼力連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、機(jī)械、土木建筑等的振動(dòng)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(jì)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的時(shí)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(jì)出，單級(jí)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(guó)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(jì)原理，如圖 活塞在工作缸內(nèi)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，利用線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)控制磁流變液在阻尼通道中的流動(dòng)，對(duì)減振器的阻尼力實(shí)現(xiàn)控制。并且按照長(zhǎng)安微型汽車的技術(shù)和磁流變液體的性能設(shè)計(jì)和制作了微型汽車磁流變減振器，并根據(jù)長(zhǎng)安微型汽車前懸架減振器的技術(shù)條件對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。 3 圖 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(jì)都是在磁流變阻尼器幾種工作模式基礎(chǔ)上研制出來(lái)的單級(jí)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(dòng)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(dòng)并不大，只是將活塞與活塞桿分開(kāi)，然后利用解耦機(jī)構(gòu)將活塞與活塞桿連接起來(lái)，其解耦結(jié)構(gòu)由兩個(gè)限位擋板和兩個(gè)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(lì)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(dòng)方向，而無(wú)法滿足磁流變液產(chǎn)生剪切屈服強(qiáng)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(dòng)的方向。寧波大學(xué)的蘇會(huì)強(qiáng)等人根據(jù)磁流變液在磁場(chǎng)作用下可進(jìn)行固 液轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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。 研究的主要內(nèi)容 本文主要內(nèi)容是對(duì)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(méi)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(duì)線圈的匝數(shù)，工作間隙的大小，磁路的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。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(duì)一些重要的部件進(jìn)行 4 了校核，最后對(duì)設(shè)計(jì)的磁流變減振器進(jìn)行了仿真優(yōu)化。 主要包括對(duì)磁路的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和最后的仿真分析。 （ 1） 磁路的設(shè)計(jì) 在磁流變減振器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，磁路的設(shè)計(jì)是一個(gè)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(jì)過(guò)程中，還要重視對(duì)材料的選擇，以避免磁阻和漏磁的過(guò)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(shí)際出發(fā)選擇最優(yōu)的形式，使得減振器在工作過(guò)程中能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。 （ 2） 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 磁 流變減振器是基于普通的雙筒減振器改變而來(lái)的，其中的外形結(jié)構(gòu)和活塞桿的尺寸都沒(méi)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(jì)，不同點(diǎn)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(jì)和計(jì)算的，也是本論文設(shè)計(jì)的又一個(gè)重點(diǎn)，基于混合模式的磁流變減振器的基礎(chǔ)上，在活塞上開(kāi)有若干個(gè)環(huán)槽來(lái)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(yùn)用 Matlab 進(jìn)行仿真分析，對(duì)最終的參數(shù)進(jìn)行比對(duì)分析，并得出仿真的結(jié)果。 5 第 2 章 磁流變阻尼器的力學(xué)模型 磁流變 液效應(yīng)及流變機(jī)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度的增加而單調(diào)增加，而液體的粘度不變，當(dāng)外加磁場(chǎng)達(dá)到某臨界值時(shí)，磁流變液停止流動(dòng)達(dá)到固化，當(dāng)去掉外加磁場(chǎng)時(shí)，它又恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，其響應(yīng)時(shí)間僅為幾毫秒。磁流變液的這種隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)的作用下，磁流變液的表觀粘度發(fā)生變化的過(guò)程是連續(xù)的、無(wú)級(jí)的，但這一變化過(guò)程是非線性的。 （ 2）在外加磁場(chǎng)的作用下，某磁場(chǎng)強(qiáng)度下，流體停止流動(dòng)達(dá)到固化，當(dāng)去掉外加磁場(chǎng)時(shí)，流體又恢復(fù)到原來(lái)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(guò)程是不可逆的話，他的工程應(yīng)用價(jià)值將會(huì)受到極大的影響。 （ 3）磁流變效應(yīng)對(duì)雜質(zhì)不敏感。 （ 4）可以采用低壓，大電流的信號(hào)來(lái)控制磁場(chǎng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱，從而控制磁流變效應(yīng)，這種控制是安全且容易實(shí)現(xiàn)的。 （ 5）在外加磁場(chǎng)的作用下，磁流變體產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，這一特性能夠滿足車輛懸架振動(dòng)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(huì)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(chǎng)的作用下磁流變液體的表觀粘度發(fā)生的變化時(shí)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(chǎng)下，磁流變液的顆粒分散是雜亂的，而在磁場(chǎng)作用下分布卻是有規(guī)律的，且沿磁場(chǎng)方向成鏈?zhǔn)鵂钆帕校渥饔迷砣鐖D 所示。 6 圖 磁流變顆粒零磁場(chǎng)下的作用原理圖 這種顆粒在磁場(chǎng)下成鏈的原因存在很多的假說(shuō)，但具有代表性的為場(chǎng)致偶極矩理論。該理論認(rèn)為在外加磁場(chǎng)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(chǎng)引起的作用力形成的。整個(gè)磁流變效應(yīng)的發(fā)生過(guò)程是：磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)，顆粒在磁力的作用下定向排列，顆粒從無(wú)序隨機(jī)狀態(tài)到有序化、成鏈、成束或形成某種結(jié)構(gòu)，對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(dòng)形成偶極子鏈。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱時(shí)，鏈數(shù)量少、長(zhǎng)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(chǎng)強(qiáng)度的不斷增加，取向與外加磁場(chǎng)成較大角度的磁疇全部消失，留存的磁疇開(kāi)始向外磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，磁流變液中鏈的數(shù)量增加，長(zhǎng)度增加，直徑變粗，磁流變液對(duì)所表現(xiàn)的剪切應(yīng)力增強(qiáng)，再繼續(xù)增加磁場(chǎng)，所有磁疇沿外加磁場(chǎng)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(chǎng)的增加而增加。但當(dāng) 達(dá)到某一飽和值時(shí)，如果再增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁流變液的力學(xué)性質(zhì)便會(huì)基本上不會(huì)改變，即達(dá)到了飽和磁場(chǎng)下的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。 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(dòng)控制阻尼器，通過(guò)對(duì)輸入電流的控制，使其外加磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，進(jìn)而可在毫秒級(jí)使磁流變液的流變性能發(fā)生變化，實(shí)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(guò)活塞流過(guò)阻尼器上下兩腔時(shí)，由于磁流變阻尼器活塞與工作缸之間的間隙很小，因此磁 7 流變液流過(guò)的區(qū)域可以近似看似為流過(guò)一個(gè)無(wú)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 所示。 圖 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(guò)固定不動(dòng)的兩極板之間，外加磁場(chǎng)垂直穿過(guò)極板作用于磁流變液，從而使磁流變液的流動(dòng)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(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩極板之間，外加磁場(chǎng)垂直穿過(guò)極板作用于磁流變液，這種運(yùn)動(dòng)使磁流變液產(chǎn)生剪切力，從而使磁流變液的流動(dòng)特性發(fā)生變化而產(chǎn)生阻尼力的變 化，流動(dòng)阻力的變化通過(guò)外加磁場(chǎng)控制。 （ 3）擠壓式（ squeezed mode），磁流變液在上下運(yùn)動(dòng)極板的作用下向四周流動(dòng)，極板移動(dòng)反向與磁場(chǎng)方向相同，磁場(chǎng)方向與磁流變液流動(dòng)方向垂直，從而使磁流變液的流動(dòng)特征發(fā)生變化而產(chǎn)生阻尼力的變化，流動(dòng)阻尼力的變化通過(guò)外加磁場(chǎng)控制。 （ 4）剪切閥式（ shearingvalve mode） ,也稱混合式，磁流變液即像閥