基于磁流變技術(shù)的振動壓路機的減振器設(shè)計題目：基于磁流變技術(shù)的振動壓路機的減振器設(shè)計學生：

摘要橡膠減振器是目前市面上大多數(shù)振動壓路機使用的減振器，其原理是利用橡膠剪切運動過程提供阻尼力達到壓路機的減振作用，但是傳統(tǒng)橡膠減振器缺乏有效的控制結(jié)構(gòu)，且響應(yīng)速度慢等缺點一直沒辦法得到很好的解決。上世紀40年代起，一種新型智能材料磁流變液的提出為減振器的發(fā)展帶來契機，到90年代磁流變技術(shù)陸續(xù)有相關(guān)應(yīng)用面世。磁流變液是一種隨加載磁場強度變化而變化的流體，在無磁場環(huán)境下表現(xiàn)為流體狀態(tài)，而在強磁場作用下轉(zhuǎn)換為固態(tài)，且這一過程是可逆的。本文介紹了新型智能材料磁流變液在磁場作用下的磁流變效應(yīng)，并介紹相關(guān)磁流變減振器的工作原理。將磁流變液的這種特性應(yīng)用在振動壓路機的減振器上，結(jié)合通用振動壓路機的橡膠減振器結(jié)構(gòu)來設(shè)計一種磁流變橡膠減振器。對振動壓路機的不同工作路面條件，通過控制勵磁場對磁流變橡膠減振器的阻尼力實現(xiàn)可調(diào)控制，最大限度降低振動輪對壓路機機架的振動傳遞，為振動壓路機操作者提供更加穩(wěn)定舒適的駕駛環(huán)境。通過分析磁流變減振器主要影響參數(shù)，對減振器結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化設(shè)計。再結(jié)合有限元分析軟件，分析減振器內(nèi)部磁場分布，通過模擬數(shù)值仿真得出影響阻尼力調(diào)控的主要參數(shù)，并進行相關(guān)參數(shù)優(yōu)化分析。關(guān)鍵詞：磁流變液，振動壓路機，橡膠減振器，磁場，有限元分析。

AbstrackForalongtimetheshockabsorbervibrationrollerisusedbymostrubberstructure,usingtherubberpropertiesprovidedampingforcetothedampingeffect,butthelackoftraditionalrubberdampercontrolstructureeffectively,andtheresponsespeedisslowhasnotobtainedtheverygoodsolution.Thelastcentury40's,developedanewintelligentmaterialofmagnetologicalfluiddamperbringsopportunityfordevelopment,tothemagnetologicaltechnology90insuccessionrelatedapplicationsavailable.Magnetologicalfluidisakindofchangeswiththeloadchangeofthemagneticfieldstrengthofthefluid,intheabsenceofmagneticfieldisafluidstate,andinstrongmagneticfieldintoasolid,andthisprocessisreversible.Inthispaper,thecharacteristicsofmagnetlogicalfluid,combinedwithrubbershockabsorberdesignofamagnetlogicalrubbershockabsorber,andintroducesmagnetlogicaleffectandtheworkingprincipleofmagnetologicaldamper.Fordifferentroadconditionsofvibratoryroller,thecontrolofmagnetlogicalrubbershockabsorberdampingforcecontrolexcitationfield,tominimizethetransmissionofvibrationwheelrollerframe,improvethevibratorycompactorcabridecomfort.Throughtheanalysisofthemaineffectsofmagnetologicaldamperparameters,designoftheshockabsorberstructure,designstructuretomeettheshockabsorberworkrequirements.Combinedwiththefiniteelementanalysissoftware,analysisoftheinternalmagneticfielddistributionofdamper,themainparametersthroughthenumericalsimulationoftheeffectofdampingforcecontrol,andrelatedparameteroptimizationanalysis.Keywords:magnetlogicalfluid,vibratoryroller,rubbershockabsorber,theeffectofmagneticfield,finiteelementanalysis.

目錄摘要Abstrack第1章緒論 多學者在相繼的幾十年里開展了大量的研究工作，但由于其存在的耐久性、強度和使用溫度的問題，電流變技術(shù)的發(fā)展受到了一定的限制[7]。美國在這門技術(shù)上的研究一直處于領(lǐng)先地位，特別是美國的Lord材料公司[5]。我國先后于1995、1998以及2001年召開3屆電磁變會議，全國各大高校及科研所對這門技術(shù)展開深入研究，但與國外技術(shù)還有一定距離。1994年Carlson發(fā)布了世界上第一個商用磁流變液體材料的專利，此后美國Lord材料公司研制出了磁流變制動器、卡車磁流變座椅減振器等，這標志著磁流變技術(shù)開始走向工程應(yīng)用[6]。美國在磁流變技術(shù)上發(fā)展最為迅猛，其中以Lord材料公司最為突出，截至目前美國Lord公司已研制出多款磁流變技術(shù)產(chǎn)品。各大研發(fā)公司爭先發(fā)展磁流變技術(shù)，如圖1.1所示為美國德爾福設(shè)計的磁流變減振器。我國目前對磁流變技術(shù)的很多成果仍處于理論研究階段。例如：中國科學技術(shù)大學的金昀研制了兩套磁流變液屈服應(yīng)力測試系統(tǒng)；國家儀表功能材料工程研究中心研制的磁流變液，其剪切屈服應(yīng)力基本達到美國Lord公司的產(chǎn)品水平[9]。目前磁流變液主要表現(xiàn)為賓漢姆流體和牛頓流體。B．F.Spencer等利用美國Lord公司的磁流變阻尼器做了大量的研究．建立修正Boucc．Wen力學模型，香港科技大學、ByeonghqaKim和中國科技大學采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法建立磁流變阻尼器的動力學模型[8]。圖1.1美國德爾福公司制造的磁流變減振器1.3磁流變減振器發(fā)展的基本情況振動壓路機，通過振動輪內(nèi)部偏心輪振動產(chǎn)生振動波，從而達到壓實路面，其振動與抗振成為振動壓路機設(shè)計上的矛盾體。通過設(shè)計減振器可有效抵消部分無效振動，而以磁流變技術(shù)為方向的減振器設(shè)計，其減振性能較傳統(tǒng)橡膠減振器有質(zhì)的飛躍，因此成為減振器設(shè)計的發(fā)展方向。在國外，美國LORD公司在1997年生產(chǎn)出商業(yè)化的應(yīng)用于汽車座椅的磁流變減振器，可以提供20噸阻尼力的三級磁路磁流變減振器[7]。很多研究機構(gòu)設(shè)立自己的磁流變技術(shù)部門，專門研究磁流變技術(shù)。眾多學者駐足磁流變技術(shù)，目前國際發(fā)表在國外各項期刊、會議及專利公報上的文獻在逐年增多。我國于2001年9月在北京召開第九屆國際電磁流變流體（包括電流變液、磁流變液）及其應(yīng)用的學術(shù)會議。在國際俱樂部競相研究磁流變技術(shù)的舞臺，我國的技術(shù)存在一定的差距。中國科學技術(shù)大學江萬權(quán)、金昀分別對磁流變效應(yīng)和性能以及磁流變流體屈服應(yīng)力測試系統(tǒng)進行了研究；南京工業(yè)大學翁建生研究的磁流變阻尼器半主動控制等等。國內(nèi)研究磁流變技術(shù)的單位有華僑大學、哈爾濱工業(yè)大學、復旦大學、華中科技大學等[3]。我國目前對磁流變減振器的設(shè)計處于研究階段，特別是在磁路設(shè)計方面的理論還不夠成熟，比如一些設(shè)計參數(shù)對磁場分布的影響、有效磁場的分布等。目前我們國尚無相對成熟的磁流變產(chǎn)品面試。利用有限元分析軟件ANSYS可以分析磁流變減振器內(nèi)部的磁場分布情況，有效反映不同磁場分布對減振器的影響。分析判斷磁場分布情況得出工作間隙、活塞有效面積等主要設(shè)計參數(shù)對磁流變減振器的影響。學者蒙廷佩等對磁路的磁飽和進行了研究，指出間隙處總是先于活塞區(qū)域達到飽和狀態(tài)，并給出兩種間隙時最大磁感應(yīng)強度隨電流變化的曲線[7]。1.4本課題的主要研究內(nèi)容本課題主要任務(wù)是應(yīng)用磁流變技術(shù)設(shè)計振動壓路機的減振器，要求減振器的阻尼力可調(diào)控，并且可調(diào)控阻尼力達到振動壓路機的工作要求。本文作者結(jié)合磁流變技術(shù)以及橡膠減器技術(shù)，設(shè)計出符合要求的可調(diào)控阻尼力范圍寬、性能更加優(yōu)異的新型磁流變橡膠減振器。主要研究工作如下：（1）、閱讀相關(guān)資料，認識磁流變液與磁流變技術(shù)，熟知現(xiàn)有振動壓路機的減振器設(shè)計概況；（2）、參照振動壓路機橡膠減振器的結(jié)構(gòu)，根據(jù)任務(wù)書要求結(jié)合實際設(shè)計磁流變橡膠減振器，設(shè)計結(jié)果需滿足18噸振動壓路機的工作要求；（3）、參考文獻計算減振器主要參數(shù)，如工作缸筒內(nèi)外徑、活塞大小徑等。磁路設(shè)計方面確定工作間隙及工作有效長度等。并通過獲得的參數(shù)進行ProE三維實體建模。（4）、ANSYS有限元分析不同磁場強度（電流密度）下磁流變液的特性，分析所產(chǎn)生的阻尼力大小，并結(jié)合實際進行優(yōu)化設(shè)計。1.5本章小結(jié)由于磁流變技術(shù)的優(yōu)越性能，使其成為全球科學家的爭相研究的對象，本章闡述了磁流變的優(yōu)異特性，同時也對本課題的主要任務(wù)作出一定說明。本章介紹磁流變技術(shù)和磁流變減振器的發(fā)展概況。

第2章磁流變流體及振動壓路機減振器2.1磁流變流體及其應(yīng)用磁流變流體是一種新型智能材料，它的發(fā)展始于上世紀40年代，直到90年代起才得到大力發(fā)展，目前已有多種相關(guān)應(yīng)用，尤其是在減振器上的應(yīng)用。2.1.1磁流變流體1、磁流變液的發(fā)展磁流變液是一種帶有鐵磁微粒的可控懸浮體，具有高磁導率、低磁滯性的優(yōu)點。其特性是在零磁場下表現(xiàn)為流動性能良好的液體,其表觀粘度很??；在強磁場作用下可在短時間內(nèi)表觀粘度增加兩個數(shù)量級以上,并呈現(xiàn)類固體特性[8]。變換不同磁場的時，磁流變液的這種特性是可逆的且連續(xù)的。2、磁流變液組成和特性（1）、特性磁流變液的特性是靠鐵磁微粒來實現(xiàn)的。如圖2.1（a）所示無磁場作用下粒子自由分布，磁流變液自由流動；如圖2.1（b）所示磁場作用下，粒子排列成有序鏈狀，形成粒子橋，流動時產(chǎn)生抗剪應(yīng)力[2]。在強磁場作用下時，這些分散粒子產(chǎn)生抗剪應(yīng)力，其力的大小隨著磁場而改變，磁場越大，粒子橋產(chǎn)生的剪切應(yīng)力越大。HH圖2.1（a）圖2.1（b）（2）、組成磁流變液的組成：由鐵磁微粒、載液、添加劑構(gòu)成。又稱磁性液體，可對周圍磁場作出響應(yīng)。具體組成部分如下：A、基液基液可以是硅油、水、合成油和乙二醇等，目前較為常用的基液是硅油，它是一種無色、無味、無毒、不易燃、不揮發(fā)的透明油狀液體[9]。B鐵磁微粒鐵磁微粒是得產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的主要成分，具有高飽和磁化強度、高磁導率、低磁滯率等特點。C添加劑添加劑作為一種輔助溶劑能有效提高磁流變液的穩(wěn)定性，促使磁流變液不結(jié)團、不沉降等。3、磁流變液主要特點如下：（1）零磁場粘度低。（2）強磁場下剪切屈服強度高，可達到20～30Kpa[6]。（3）響應(yīng)速度快，達到毫秒級，不存在延時問題。（4）耗能低，在較弱的磁場下產(chǎn)生較大的剪切屈服應(yīng)力。（5）不揮發(fā)、無毒、無異味。2.1.2磁流變減振器將新型材料磁流變液應(yīng)用在減振器上，通過控制電流大小調(diào)節(jié)磁場強度。由于磁流變液在不同磁場強度下表現(xiàn)出不同的粘度，因此在減振器的剪切運動過程中提供不同大小的阻尼力。圖2.2所示為已研究的磁流變減振器結(jié)構(gòu)[7]。圖2.2磁流變減振器的結(jié)構(gòu)磁流變減振器最大的優(yōu)點是可實現(xiàn)對阻尼力的控制，通過改變外加磁場使磁流變液的表現(xiàn)出不同的剪切屈服應(yīng)力和粘度；磁場消失后，磁流變流體又恢復流體狀態(tài)。磁流變液在磁流變減振器的幾種工作方式如圖2.3所示，分別為流動模式、剪切模式、混合模式和擠壓模式[11]。圖2.3磁流變減振器的工作模式1、流動模式如圖2.3（a）所示，固定不動的兩極板間充滿磁流變液，磁場經(jīng)過兩極板，在磁場作用下推動磁流變液流動的活塞阻尼力發(fā)生變化。2、剪切模式如圖2.3（b）所示兩極板之間存在相對移動，而磁場方向與磁極移動方向垂直。磁流變液處于剪切狀態(tài)，可通過改變磁場強度連續(xù)改變剪切應(yīng)力。3、混合模式如圖2.3（c）所示采用流動、剪切、擠壓三種模式中任意兩種或三種的組合稱為混合模式。本文設(shè)計的減振器采用流動和剪切模式的組合，大體結(jié)構(gòu)為活塞與缸體之間存在間隙，磁流變流體充滿缸體，活塞在缸體內(nèi)的移動帶動不同狀態(tài)的磁流變液通過間隙產(chǎn)生阻尼力。4、擠壓模式如圖2.3（d）所示磁流變流體在磁極壓力的作用下向四周流動，磁場方向與磁極方向相同，而磁流變液流動方向與磁場方向垂直，能產(chǎn)生較大阻尼力。磁流變液減振器的特點如下：（1）響應(yīng)快；（2）連續(xù)可逆變化的阻尼力；（3）低電壓低功耗；（4）簡潔的機電結(jié)構(gòu)；（5）使用壽命長。2.2常用橡膠減振器振動壓路機的減振分為三級，振動輪與機架之間、機架與駕駛室之間以及駕駛員座椅[8]，如圖2.4所示。本課題主要研究如何在振動輪和機架之間設(shè)計減振裝置。振動輪振動輪駕駛員駕駛室三級減振器二級減振器機架驅(qū)動輪胎輪胎剛度一級減振器圖2.4振動壓路機減振設(shè)計示意圖現(xiàn)行振動輪與機架間的減振器設(shè)計以橡膠為基體。橡膠的材料有兩種，天然橡膠和丁晴橡膠，目前大多數(shù)振動壓路機的減振器都用該材料[17]。橡膠減振器在振動輪上的安裝如圖2.5所示。圖2.5橡膠減振器在振動輪上的安裝結(jié)構(gòu)簡圖振動方向圖2.5橡膠減振器在振動輪上的安裝結(jié)構(gòu)簡圖振動方向橡膠減振器振動輪機架橡膠減振器已經(jīng)無法滿足人們的需求，因為橡膠減振器提供的阻尼力是不可調(diào)控的，針對壓路機的不同工作路況無法提供相對應(yīng)的阻尼力。另一方面橡膠減振器材質(zhì)受溫度影響，工作溫度不能超過-30℃～80℃，具有溫度局限性。由于磁流變液減振器的優(yōu)良特性，許多科學家開始研究將磁流變技術(shù)應(yīng)用在橡膠減振器上，研制具有可控阻尼力的新型減振器[9]2.3新型磁流變橡膠減振器本文所設(shè)計的磁流變橡膠減振器保留橡膠減振器的優(yōu)點，應(yīng)用磁流變減振器剪切擠壓的工作模式，在橡膠內(nèi)部加入磁流變減振器。設(shè)計的減振器即有橡膠減振器提供的部分阻尼力，又有磁流變減振器較大的可調(diào)控阻尼力范圍的特征。在剪切過程中橡膠還能為磁流變減振器的活塞復位提供回復力，該結(jié)構(gòu)符合新技術(shù)的要求，有效提高減振性能。

第3章磁流變橡膠減振器的設(shè)計本文基于磁流變技術(shù)的振動壓路機減振器的設(shè)計，結(jié)合任務(wù)書要求設(shè)計磁流變橡膠減振器。給出條件如下：振動壓路機工作要求為18t，上一章提到的減振器在振動輪安裝圖可知，減振器被安裝在振動輪兩側(cè)與機架連接處，每一側(cè)各安裝8個減振器，合計16個。由條件求出所設(shè)計的單個減振器需要提供的阻尼力大小。又已知振動壓路機振動頻率f=20Hz，振幅a=2mm，根據(jù)公式，解得壓路機振動速度v=0.2512m/s。3.1磁流變橡膠減振器的設(shè)計原理磁流變橡膠減振器的設(shè)計原理起源于橡膠減振器，結(jié)合橡膠減振器與磁流變減振器各自的優(yōu)點，設(shè)計磁流變橡膠減振器。裝配式先安裝磁流變減振器，再在磁流變減振器表面注塑橡膠形成磁流變橡膠減振器，使磁流變減振器和橡膠粘合。所得結(jié)構(gòu)的橡膠彈力能夠產(chǎn)生一定阻尼力，同時橡膠復位時還能帶動減振器的復位，提高減振器的穩(wěn)定性。其中磁流變減振器結(jié)構(gòu)采用混合工作模式（剪切和流動模式的混合），活塞桿推動活塞在工作缸筒內(nèi)往復運動，工作缸筒中加入磁流變液，在活塞和工作缸筒之間留出一定間隙范圍供磁流變液流動。3.2磁流變橡膠減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖3.1所示為本文所設(shè)計的磁流變橡膠減振器的三維模型圖，圖3.2（a）、3.2（b）對應(yīng)它的剖面圖，圖3.3為單筒磁流變減振器總成。從圖中可以看出設(shè)計的減振器包含橡膠和磁流變技術(shù)兩部分，其中橡膠通過剪切運動產(chǎn)生阻尼力的作用；另一方面應(yīng)用磁流變技術(shù)，針對振動壓路機工作時的不同路面情況通過控制電流大小調(diào)節(jié)磁場大小，改變磁流變液特性，為減振器提供不同大小的阻尼力，實現(xiàn)阻尼力可調(diào)控的效果。工作工程大致為：工作時振動輪的振動傳遞給上下剪切板，剪切板沿工作缸體軸線平行方向移動，這樣活塞桿和缸體之間就會產(chǎn)生相對運動。整個裝置的結(jié)構(gòu)主要有：上、下剪切板、活塞桿、工作缸體、橡膠及其附屬部件。為達到經(jīng)濟實惠的效果，在設(shè)計時盡可能選用標準件。圖3.1磁流變橡膠減振器的三維模型圖3.2（a）磁流變橡膠減振器剖面圖1圖3.2（b）磁流變橡膠減振器剖面圖2圖3.3磁流變減振器總成圖3.3磁流變減振器的主要參數(shù)設(shè)計與分析磁流變橡膠減振器的主要參數(shù)包括：阻尼力F、活塞大徑D、活塞小徑d、活塞與缸體之間的工作間隙、活塞的工作有效長度、線圈匝數(shù)N等。3.3.1磁流變減振器阻尼力F本文設(shè)計的磁流變減振器采用混合工作模式，如圖3.4所示混合模式結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)設(shè)計要求所需要提供的阻尼力大小為5625N，本文設(shè)計的磁流變橡膠減振器，其阻尼力由橡膠和磁流變效應(yīng)各自產(chǎn)生的阻尼力組成。橡膠部分：根據(jù)橡膠阻尼系數(shù)方程，其中Fy為阻尼力大小，Sy為位移。根據(jù)設(shè)計已知條件振幅a=2mm，即Sy=2a=4mm代入計算得Fy=Ky*Sy=202.6*4=810.4N。以下主要分析磁流變減振器阻尼力計算，由所得橡膠阻尼力Fy=810.4N可知磁流變減振器需提供的阻尼力大小，在計算阻尼力時，由于橡膠部分提供的阻尼力較小，為達到最佳設(shè)計效果，本文阻尼力取最大要求值。一般在磁場作用下，工作缸筒內(nèi)的磁流變液表現(xiàn)出Bingham塑性流體的特征，本文磁流變減振器阻尼力的計算模型主要參照Bingham塑性流體本構(gòu)方程。根據(jù)Bingham塑性流體的本構(gòu)方程(3.3.1)式（3.3.1）中，是磁流變體的剪切應(yīng)力；是與磁場有關(guān)的臨界剪切屈服應(yīng)力；是磁流變體的塑性粘度；，v是磁流變液的流動速度，y是徑向坐標[13]。圖3.4流動、剪切的混合工作模式通過Bingham本構(gòu)方程推導磁流變減振器的阻尼力計算模型，經(jīng)過公式推導可得到在混合工作模式下的磁流變減振器阻尼力表現(xiàn)為：（3.3.2）3.3.2式中第一項為粘滯阻尼力，是不可調(diào)控的，由選用的磁流變液決定；第二項為庫倫阻尼力，該部分是可調(diào)控阻尼力，主要通過控制磁場大小來調(diào)節(jié)。其中，表示活塞有效面積表示工作間隙（mm）為磁流變液在零磁場下的表觀粘度（）為極板有效周長（mm）L為阻尼通道的長度（mm）為與磁感應(yīng)強度有關(guān)的剪切屈服應(yīng)力為符號函數(shù)，用以考慮活塞的往復運動由阻尼力計算公式可看出減少間隙大小，增大阻尼通道的長度，增大磁流變液的零磁場表觀粘度，均能夠增大磁流變減振器的阻尼力大小。3.3.2活塞、活塞桿和缸體及其附屬零件1、活塞、活塞桿減振器工作過程時活塞桿推動活塞移動，因此活塞有效面積越大，活塞移動過程中所產(chǎn)生的阻尼力F就越大，故設(shè)計過程中應(yīng)當盡量取最大的活塞有效面積。對于雙筒減振器活塞小徑為工作缸筒內(nèi)徑的0.4～0.5倍（0.4～0.5）[7]。本文初定，取值0.5得活塞小徑d=20mm。為保證活塞桿安全可靠地正常工作，須進行強度校核：為許用應(yīng)力，，為屈服極限，。以上可知所得到的活塞桿直徑滿足剛度要求。活塞桿是磁流變減振器中最主要的零部件之一，起導向和形成磁場回路的作用，其結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。由于活塞桿起導向作用，因此活塞兩端必須具備一定同軸度，表面要求具有一定的表面光潔度，本文在活塞兩端設(shè)計4個導柱增強其導向作用?；钊牧硪粋€作用是形成磁場回路，因此在活塞選材時選材除了要考慮它的韌性和強度外，還要注意它的磁導率，本文選擇活塞材料為。線圈作為提供磁場的載體卷繞在活塞中間部分，故在工作狀態(tài)下，線圈被磁流變液包圍，因此需考慮線圈引出口及磁流變液的注射口、回流口[14]。為保證活塞導向精度，在裝配時在活塞上加裝軸套進行軸向定位。圖3.5活塞桿三維結(jié)構(gòu)圖2、缸體如圖3.6所示為缸體結(jié)構(gòu)圖。磁流變減振器在工作過程中由活塞桿推動磁流變液在缸體內(nèi)沿軸向移動，因此缸體在減振器結(jié)構(gòu)中起到的作用和活塞類似，即導向和形成磁場回路。同時缸體作為整個減振器的主要受力機構(gòu)，應(yīng)當考慮材料的強度和剛度問題，保證在工作狀態(tài)下不發(fā)生破壞以及過大變形，綜上所述本文缸體的材料選擇和活塞一樣選用。工作缸直徑可以根據(jù)缸內(nèi)最大強度和最大阻力近似估算[P]缸內(nèi)最大許用應(yīng)力，一般為3～4；為減振器活塞桿直徑與工作缸直徑之比。其中單筒約為0.3～0.35，雙筒約為0.4～0.5[8]。為減振器拉伸行程的最大卸荷（N）；通過計算。結(jié)合前文對活塞的分析，確定取值40mm。對于缸體而言，壁厚的取值不僅要滿足一定的安全系數(shù)強度要求，還要在磁路結(jié)構(gòu)中發(fā)揮良好的導磁性能。磁流變減振器的缸體屬于薄壁圓筒，缸體內(nèi)徑與壁厚的比值，由上述=40得出，綜合考慮導磁性能和強度要求，本文取值5mm。另外由于缸體外部與橡膠無縫粘結(jié)，故在加工過程中在缸體外部車出螺紋槽，加強橡膠和缸體的粘結(jié)。圖3.6缸體三維結(jié)構(gòu)圖3、附屬零件（詳見零件圖紙）（1）、剪切板剪切板分上下兩個互為剪切作用的板，它是磁流變橡膠減振器的支撐機構(gòu)，起到連接減振器與振動壓路機的橋梁作用。剪切板采用200*200*60的尺寸結(jié)構(gòu)，其中上剪切板還起到連接磁流變減振器的作用。（2）、擋板擋板是連接活塞的主要零件。（3）、端蓋、軸套端蓋的作用密封缸體，防止缸體內(nèi)部磁流變液外漏；軸套的作用是保持活塞沿缸體軸線移動。如圖3.7a所示為缸蓋三維圖、3.7b所示為軸套三維圖。圖3.7a缸蓋圖3.7b軸套（4）、標準件本文采用的標準件有擋板與上剪切板、缸體與端蓋的螺釘連接，采用M4內(nèi)六角圓柱頭螺釘（GB/T6175-2000）和M4開槽圓柱頭螺釘（GB/T65-2000），為防止液體泄漏選用密封圈和毛氈圈作用在缸臂上。3.3.3工作間隙及工作有效長度工作間隙即活塞與工作缸筒之間的間隙，實驗表明活塞中線圈產(chǎn)生的磁場強度隨工作間隙的增加而急劇下降[10]；由前面提到的阻尼力計算模型中可調(diào)控庫倫阻尼力公式，可知取值越小，磁流變減振器提供的庫倫阻尼力越大，因此在設(shè)計過程中應(yīng)選擇盡量小的間隙。目前磁流變阻尼器的工作間隙取值一般為0.8～2mm，本文設(shè)計取值1mm，根據(jù)工作缸筒內(nèi)徑為可得計算活塞大徑。工作間隙有效長度：為了使磁流變減振器工作間隙中的磁場分布均勻且磁漏較小，需滿足，而mm，則，工作間隙取定情況下，工作間隙有效長度的取值決定工作有效截面積，有效截面積越大，磁場通過間隙的利用率越大，因此本文設(shè)計取值10mm。

第4章磁流變減振器的磁路設(shè)計與計算磁通量所通過的磁介質(zhì)的路徑被稱為磁路，磁路設(shè)計是磁流變減振器設(shè)計中最重要的一部分，直接決定磁流變減振器的減振性能。4.1磁路設(shè)計主要任務(wù)磁路設(shè)計的關(guān)鍵在于如何盡可能多的獲取作用于磁流變液的有效磁場。磁場作用于磁流變液時，由于磁流變效應(yīng)產(chǎn)生阻尼力的效果。研究表明平行于磁流變液剪切方向的磁場對磁流變液產(chǎn)生阻尼力的效果比垂直于磁流變液剪切方向的磁場差[10]。因此磁路設(shè)計的主要任務(wù)為：選用合理的磁芯結(jié)構(gòu)以保證磁流變液工作間隙和磁力線垂直，并且使磁場強度集中在磁流變液間隙處。4.2磁路設(shè)計過程中影響因素的分析磁力線在磁場中總是閉合的，它的磁通和電流一樣總是在低磁阻的通路上流通，而在高磁阻的通路上磁通較少，可將磁場回路類似于電流回路。在磁路設(shè)計過程要考慮的影響因素很多，下面分述幾個主要因素：1、磁芯選擇磁芯材料的選擇直接影響磁流變減振器的性能，因此磁芯材料要考慮以下兩點：（1）、高磁導率，即確定線圈匝數(shù)時，可以通過小電流調(diào)節(jié)產(chǎn)生較大的磁感應(yīng)強度；（2）、退磁性能好，為了能更加有效的控制減振性能，要求磁芯在斷電后迅速退磁，不能殘留過多磁感應(yīng)強度。2、磁漏現(xiàn)象由于磁場回路各段中均存在磁漏，因此通常間隙的磁通量要小于計算值。磁漏為磁體表面的磁漏和間隙端面的磁漏。故磁路設(shè)計時可以采取以下措施降低磁漏：（1）、磁路設(shè)計時盡可能使磁體側(cè)表面積取最小值。一般磁體側(cè)表面積越大，磁漏越大[9]。（2）、縮短間隙的距離也能有效改善磁漏現(xiàn)象。（3）、提高工作間隙有效長度可以加大間隙的截面積，較大的工作間隙截面積也能防止磁力線向外膨脹，降低磁漏。3、磁路結(jié)構(gòu)為了減少活塞體積，同時保障磁流變減振器性能不變，可以采用增大線圈齒槽容積，減少活塞軸長和外徑的辦法[9]。本文主要采用雙筒磁流變減振器共同作用的形式來減少活塞體積，即兩個工作缸筒同時工作。綜上考慮，本文采用如圖4.1所示磁路結(jié)構(gòu)。圖4.1磁路結(jié)構(gòu)圖4、線圈設(shè)計線圈設(shè)計要滿足工作參數(shù)要求，還需滿足以下3點：（1）、線圈尺寸和卷繞線圈的活塞桿尺寸配合；（2）、線圈通電后能夠產(chǎn)生規(guī)定的磁場；（3）、耐高溫，工作條件下不易因溫度過高而毀壞。4.3磁路設(shè)計過程磁路設(shè)計主要任務(wù)為考慮磁路中磁場分布的合理性。估算各部分磁場強度，驗算所能產(chǎn)生的阻尼力大小是否符合振動壓路機惡劣工作環(huán)境下要求。領(lǐng)一方面作用在間隙處的磁場才是有效磁場，因此設(shè)計時盡量使磁場要主要集中在工作間隙處。4.3.1主要參數(shù)設(shè)定1、采用磁阻法來對磁流變減振器進行設(shè)計，根據(jù)設(shè)計方案以及前文得出的主要參數(shù)畫出磁流變減振器的磁路結(jié)構(gòu)，選定磁流變液，再依據(jù)磁流變液Bingham模型所計算出的阻尼力大小確定磁路回路所需要的磁場強度B大小。一般步驟：（1）、根據(jù)已經(jīng)條件選擇磁路結(jié)構(gòu)，磁路結(jié)構(gòu)要結(jié)合磁流變減振器主要部件的材料性能。（2）、估計磁損系數(shù)和磁漏系數(shù)。磁漏系數(shù)無上限，下限為2.0，設(shè)計取值；磁阻系數(shù)與設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，一般范圍，本文設(shè)計取值。利用磁路基本方程和計算磁芯橫截面積，磁芯總長度。式中為磁芯的磁通密度，為磁芯磁場強度，為工作間隙磁通密度，為工作間隙橫截面積，為工作間隙磁場強度，為工作間隙總長度。再根據(jù)，計算磁路的總磁導G。根據(jù)課題設(shè)計任務(wù)要求中振動壓路機所要需要提供的可調(diào)阻尼力大小，確定間隙處的磁通密度，磁場強度。此計算過程是磁路設(shè)計較為繁雜的過程，通過ANSYS有限元電磁分析可以查看包括間隙的各部分磁場強度。2、磁流變液的相對磁導率，根據(jù)經(jīng)驗。活塞桿和缸體材料選用，相對磁導率，間隙處磁導率。3、工作間隙=1，工作有效長度=10（其中l(wèi)g的取值越大越好）。前面章節(jié)我們已經(jīng)對這兩個主要參數(shù)進行設(shè)計。4、勵磁材料1）線圈將被浸在磁流變液中，選用漆包線解決絕緣問題；另一方面還要考慮振動壓路機工作條件的溫度要求。2）線圈材料選定的情況下，根據(jù)電阻計算公式，耗電功率公式，其中l(wèi)為導體長度，S為導體橫截面積。由此可知線圈電阻與線長成正比，與橫截面積成反比，線圈電阻越大，耗能越大。因此為降低線圈電阻，減少耗能，線圈線徑取大值；本文選用漆包線。線圈的另一個重要參數(shù)匝數(shù)N的計算如下：電流為2A時，最大調(diào)控阻尼力，則有：；根據(jù)經(jīng)驗，剪切應(yīng)力與磁感應(yīng)強度的關(guān)系可以近視表示為：[8]；由間隙處磁場強度公式，其中磁通量，得。由于回路中各部位的磁阻相對間隙處來說很小，計算時可忽略不計，可近視成：。綜上所述計算得線圈匝數(shù)N=345。5、磁流變液選擇：本文選用SG-MRF2035，其表觀粘度0.3Pa·s，屈服強度為50kPa。密度3.08。4.3.2磁路簡化與計算分析1、磁力線回路如圖4.2所示。圖4.2磁力線回路圖2、圖4.2所示磁力線回路圖可等效轉(zhuǎn)化為圖4.3所示磁路簡化圖。根據(jù)磁路克?；舴虻谝欢桑捍怕分腥我夤?jié)點的磁通之和等于零，即：（4.1）根據(jù)磁路克?；舴虻诙桑耗骋环较虻娜我饣芈返拇艅荽鷶?shù)之和等于磁壓降代數(shù)之和：（4.2）磁阻計算公式：（4.3）磁路歐姆定律：（4.4）磁感應(yīng)強度公式：（4.5）其中，為總磁阻；為磁通；F為總磁勢；為相對磁導率；S為橫截面積。結(jié)合以上公式計算各部分磁阻如下：活塞部分磁阻（4.6）活塞大徑磁阻（4.7）缸體部分磁阻（4.8）阻尼通道部位的磁流變液的磁阻（4.9）磁路結(jié)構(gòu)總磁阻（4.10）圖4.3磁路簡化結(jié)構(gòu)圖通過計算磁路各部分磁阻可以估算對應(yīng)磁場強度，從而得出內(nèi)部磁場分布情況，此過程可借助ANSYS有限元軟件更加有效的表達。第5章ANSYS有限元分析電磁場5.1電磁場有限元分析概述5.1.1電磁場理論電磁場理論由一套麥克斯韋方程組描述，分析和研究電磁場的出發(fā)點是麥克斯韋方程組的研究，包括這個方面的求解和實驗驗證。麥克斯韋方程組由4個定律組成，分別是安培環(huán)路定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、高斯電通定律和高斯磁通定律[15]。其微分形式麥克斯韋方程組表示為：（1）、安培環(huán)路定律：（2）、法拉第電磁感應(yīng)定律：（3）、高斯電通定律：（4）、高斯磁通定律：其中，J為傳導電流密度矢量（）；為位移電流密度；D為電通密度（）；E為電場強度（）；B為磁感應(yīng)強度（T或）；為電荷體密度（）。經(jīng)過麥克斯韋方程組的求解可得到電磁場的各種物理量，如磁感應(yīng)強度。這就是ANSYS有限元分析軟件的理論依據(jù)。5.1.2ANSYS有限元軟件介紹ANSYS有限元分析軟件是由美國ANSYS開發(fā)的一款融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元軟件，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中高級CAE工具之一，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享與交換，如與Pro/Engineer、AutoCAD、I-DEAS等軟件接口[19]?？蓮V泛應(yīng)用于航空航天、交通工程、機械、電子等科學研究領(lǐng)域。本文主要使用ANSYS有限元分析磁流變減振器內(nèi)部磁場情況，如磁通量密度、磁力線等。通過ANSYS對磁流變減振器的分析，能夠清楚觀察減振器內(nèi)部的磁場分布，然后根據(jù)分析所得信息對磁流變減振器進行優(yōu)化設(shè)計。ANSYS有限元分析包括以下步驟：（1）建立模型；（2）單元屬性定義；（3）材料定義與劃分網(wǎng)格；（4）施加載荷與邊界條件并求解；（5）后處理。5.2磁流變減振器的磁場有限元分析本文利用ANSYS二維靜態(tài)磁場分析（詳見附錄1：ANSYS命令流）。分析過程大致如下：建模建模前首先過濾圖形界面（圖5.1所示），ANSYS提供結(jié)構(gòu)靜力學、、熱藕合、模態(tài)等的分析，我們主要分析的是電磁場，所以在ANSYS上選擇Magnetic-Nodal，過濾掉其他類型。ANSYSGUI操作：MainMenu->Preferences彈出如圖5.1所示對話框，然后勾選Magnetic-Nodal。圖5.1過濾圖形界面通過前面章節(jié)設(shè)計過程中得到主要數(shù)據(jù)對磁流變減振器進行實體建模。選用以下主要參數(shù)對磁路進行建模：D=38mm，d=20mm，，L=45mm，，，。ANSYSGUI操作：MainMenu->Preprocessor->Modeling->Creat創(chuàng)建命令建立模型，如圖5.2所示。圖5.2ANSYS實體建模2、單元屬性定義本文主要研究磁流變減振器內(nèi)部典型的軸對稱磁路結(jié)構(gòu)，單元類型選用PLANE13。ANSYSGUI操作：MainMenu->Preprocessor->ElementType->Add/Edit/Delete。彈出對話框如圖5.3所示，單擊Add，然后添加類型。圖5.3定義單元類型3、材料定義與劃分網(wǎng)格圖5.4定義材料屬性主要材料屬性：磁流變液磁導率，活塞和工作缸筒均選用材料，故磁導率均為，間隙磁導率，匝數(shù)N=325，加載電流I=2A。根據(jù)以上數(shù)據(jù)建立4種材料屬性并賦予對應(yīng)面組材料屬性（圖5.4所示為定義的所有材料屬性）。然后采用自由劃分網(wǎng)格模式對模型進行網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格結(jié)果如圖5.5所示。圖5.5網(wǎng)格劃分結(jié)果4、施加載荷與邊界條件并求解電磁場問題求過程中有各種各樣的邊界條件，總結(jié)起來概括為3種：Dirichle邊界條件、Neumann邊界條件以及它們的組合[15]。本文采用施加磁力線平行的邊界條件，假設(shè)磁力線無磁漏的平行于外圍節(jié)點，再給線圈加載電流載荷，最后求解。如圖5.6a、b所示為施加約束命令和約束后的結(jié)果。約束ANSYSGUI：Solution->DefineLoads->Apply->Magnetic->Boundary->VectorPoten->FluxPar’l->OnNodes。彈出對話框如圖5.6a所示，然后選擇模型中的所有外圍節(jié)點，選定完點擊OK模型如圖5.6b所示，可以看到外圍所有節(jié)點已經(jīng)施加磁力線平行條件的約束。載荷ANSYSGUI：MainMenu->Solution->DefineLoads->Apply->Excitation->onAreas。彈出對話框后選擇卷繞線圈的面A2，然后輸入電流密度。圖5.6a施加約束命令圖5.6b施加約束后的結(jié)果以上為ANSYS有限元軟件分析的前處理過程，在整個分析過程的耗時達到70%左右。5、后處理通過以上前處理操作過程，我們完成對磁流變減振器內(nèi)部磁場的求解過程。根據(jù)ANSYS軟件的功能，我們可以在結(jié)果查看器上查看磁流變減振器內(nèi)部的磁力線走向、磁感應(yīng)強度等結(jié)果并對結(jié)果進行分析，對磁流變減振器進行一定的參數(shù)優(yōu)化。（1）磁力線分布圖(如圖5.7)。假設(shè)無磁漏情況下，由于磁芯和缸體選擇材料一樣具有相同磁導率，可以看出磁力線在磁路結(jié)構(gòu)中均勻分布。ANSYSGUI：MainMenu->GenerralPostproc->PlotResult->CoutourPlot->2DFluxLines.圖5.7磁力線分布圖（2）磁感應(yīng)強度等值線圖與磁場強度等值線圖(如圖5.8)。從圖中容易看出磁芯部分最達到磁飽和狀態(tài)，在設(shè)計時磁芯側(cè)表面積盡可能取小值可以促使更多的磁場強度經(jīng)過磁芯傳遞到到間隙處作用于磁流變液，而不會過多的滯留在磁芯。圖5.8a、b、c、d分別從二維、三維以及磁場等值線圖的形式展示了磁路內(nèi)部磁場強度的分布情況，三維視圖更為直觀。ANSYSGUI：MainMenu->GeneralPostproc->PlotResult->NodalSolu.磁場云圖MainMenu->GeneralPostproc->VectorPlot->Predefined.磁力線圖5.8a二維磁感應(yīng)強度等值線圖圖5.8b1/4磁感應(yīng)強度三維等值線圖1圖5.8c3/4磁感應(yīng)強度三維等值線圖2圖5.8d二維磁感應(yīng)強度矢量圖（3）工作間隙處磁感應(yīng)強度分布圖(如圖5.5)。可以看出磁場強度集中分布有效工作長度內(nèi)，磁場強度達到19.5102（Gs），符合阻尼力調(diào)節(jié)所需磁場大小設(shè)計要求。進行優(yōu)化設(shè)計，為使更多磁場強度作用在磁流變液上，在允許范圍內(nèi)可以加大工作有效距離。圖5.9工作間隙處磁場分布綜合ANSYS分析結(jié)果，直觀表達磁流變減振器內(nèi)部磁場的分布情況。其主要磁場集中在活塞桿部分，說明活塞桿的最先達到磁飽和狀態(tài)，磁流變減振器的原理是通過將磁場作用在磁流變液上產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，獲得可調(diào)節(jié)阻尼力，因此作用在磁流變液上的磁場為有效磁場，故在優(yōu)化設(shè)計時需解決活塞桿處磁飽和狀態(tài)，在活塞桿的選材考慮其磁導率問題，選用具有高磁導率的材料以使更多有效磁場作用在磁流變液上，獲得更大可調(diào)阻尼力效果。從工作間隙出磁場分布情況容易看出，有效工作長度范圍內(nèi)的磁場強度較高，符合設(shè)計要求，選用的間隙通道是合理的，也可通過加長工作有效長度獲取更多磁場。ANSYS軟件具有的功能為我們展示磁路結(jié)構(gòu)各部分磁場分布情況，相比計算得出的結(jié)果較為準確，且去除復雜的計算過程，減少工作量。所以在計算機設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。

第6章全文總結(jié)本設(shè)計旨在設(shè)計一款結(jié)合磁流變技術(shù)的振動壓路機的減振器，以傳統(tǒng)振動壓路機橡膠減振器為出發(fā)點，分析其結(jié)構(gòu)模型及工作原理來設(shè)計磁流變減振器結(jié)構(gòu)。開篇第一章主要介紹選題背景，闡述國內(nèi)外現(xiàn)狀及本文主要設(shè)計任務(wù)，對課題內(nèi)容進行整體描述。第二章主要介紹磁流變液及其磁流變效應(yīng)，加深讀者對磁流變液的了解，為本課題基于磁流變技術(shù)的振動壓路機的減振器設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。同時簡單介紹振動壓路機的減振器結(jié)構(gòu)以及通用的橡膠減振器，并由此提出本文減振器的設(shè)計思路。第三、四章為本文核心部分，主要介紹設(shè)計過程。其中第三章側(cè)重闡述結(jié)構(gòu)尺寸方面的設(shè)計，第四章側(cè)重磁路結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計。通過三、四章的設(shè)計工作得出本文的設(shè)計內(nèi)容。第五章主要運用ANSYS有限元軟件對磁路結(jié)構(gòu)進行分析，得出減振器內(nèi)部的磁場分布情況，查看結(jié)果，并提出對應(yīng)改進措施。全文主要部分分布在三、四、五章。第六章作為總結(jié)章節(jié)部分對全文進行綜述。本次設(shè)計提出一款全新的雙筒剪切式磁流變橡膠減振器，其作用在振動壓路機振動輪上，代替目前較為常用的橡膠減振器，可以為振動壓路機提供可調(diào)控阻尼力，增強減振器的性能。磁路設(shè)計上工作方式采用剪切閥式，并且只使用單桿作用于磁流變液的形式，結(jié)構(gòu)上更為簡單。對于單桿形式軸向定位不精確的問題，本文考慮通過加裝軸套定位及活塞上加工導柱的形式解決。

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附錄1/FILNAME,Yarphy,0/TITLE,2DMagneticNodalAnalysis!定義工作文件名YarphyKEYW,MAGNOD,1!指定磁場分析/PREP7ET,1,PLANE13!指定單元類型KEYOPT,1,3,1!指定類型為軸對稱K,1,,,,!創(chuàng)建關(guān)鍵點K,2,19,,,K,3,19,10,,K,4,10,10,,K,5,10,35,,K,6,19,35,,K,7,19,45,,K,8,0,45,,K,9,20,0,,K,10,25,0,,K,11,25,45,,K,12,20,45,,K,13,18,35,,K,