磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)及理論磁路設(shè)計(jì)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u19890磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)及理論磁路設(shè)計(jì)綜述 1281201.1磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)，工作模式和原理 1322551.1.1磁流變阻尼器的工作模式 1288501.1.2磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu) 241821.2阻尼器阻尼力理論推導(dǎo) 5262761.2.1磁流變液組成、效應(yīng)及要求 5119621.2.2磁流變理論介紹及推導(dǎo) 6300591.3磁路設(shè)計(jì) 10磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)，工作模式和原理磁流變阻尼器的工作模式由于不同結(jié)構(gòu)的磁流變液在阻尼器內(nèi)流動(dòng)時(shí)所受磁場影響產(chǎn)生的阻尼力不同，主要流動(dòng)、剪切和擠壓模式三種工作模式。流動(dòng)模式如圖2.1所示，外加磁場與兩個(gè)固定磁極垂直，磁流變液在兩磁極之間，在外加磁場作用下，磁流變液具有不同的流動(dòng)性，從而控制活塞所受阻尼力，最后通過調(diào)整電流達(dá)到半主動(dòng)控制目的。其它條件相同情況下流動(dòng)模式所產(chǎn)生的阻尼力相比其它兩種模式是最大的。流動(dòng)模式圖剪切模式如圖2.2所示，與流動(dòng)模式不同的是，其中一塊固定磁極具有移動(dòng)性，其他特性不變。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易加工。但由于整體結(jié)構(gòu)的限制，所提供的阻尼力絕對值較小。剪切模式圖擠壓模式如圖2.3所示，因受移動(dòng)磁極影響，磁極內(nèi)部的磁流變液會向兩側(cè)流動(dòng)，磁極移動(dòng)方向與外加磁場方向平行，使活塞所受阻尼力發(fā)生變化，達(dá)到半主動(dòng)控制目的。因磁流變液流動(dòng)磁極位移小，產(chǎn)生的阻尼力較大，可生產(chǎn)對于結(jié)構(gòu)和阻尼力要求都較高的大型機(jī)械的減振器產(chǎn)品。擠壓模式圖綜合三種磁流變減振器的工作模式，接合題目要求，因在商務(wù)車作用的座椅阻尼器對阻尼器的具體結(jié)構(gòu)有著較高的要求，在保證阻尼力的同時(shí)，還需要盡可能地縮小結(jié)構(gòu)，以保證其它座椅原件的空間，綜上所述，本題目選取流動(dòng)模式和剪切模式混合的工作模式。磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)磁流變減振器的結(jié)構(gòu)由阻尼通道的形狀與磁路共同作用?，F(xiàn)有的通道形狀一般為環(huán)形或孔狀。磁場方向垂直或與磁流變液的流動(dòng)方向平行。常用的結(jié)構(gòu)有以下三種：阻尼通道位于活塞內(nèi)部該種阻尼器如圖2.4所示。阻尼通道和線圈被設(shè)置在活塞內(nèi)部的對稱兩側(cè),線圈緊鄰阻尼通道以方便獲得更理想的阻尼力,同時(shí)可以通過對線圈中的電流控制磁場的強(qiáng)弱進(jìn)而達(dá)到控制阻尼力的目的。工作模式為混合模式。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造相對困難。LORD公司設(shè)計(jì)的用于座椅的磁流變減振器就是采用的此種結(jié)構(gòu)。阻尼通道位于活塞內(nèi)部的阻尼器旁路阻尼通道如圖2.5所示是一種旁路式的磁流變減振器。阻尼通道是旁路的環(huán)形間隙。這種結(jié)構(gòu)可輸出阻尼力較高，由于阻尼通道的相對位置靠下，可改善由磁流變液沉降所帶來的減振器反應(yīng)遲緩的問題。缺點(diǎn)是體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。一般用于對阻尼力要求較高的工程機(jī)械上。阻尼通道位于旁路的阻尼器阻尼通道位于工作缸與活塞之間如圖2.6所示的磁流變減振器。通電線圈繞在套筒上且活塞和套筒是可拆卸的，活塞在工作缸內(nèi)做活塞運(yùn)動(dòng)，阻尼通道為活塞與缸筒內(nèi)壁間的環(huán)形間隙。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，體積小，阻尼力大，并應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)是存在漏磁，且由于上下阻尼通道的存在會出現(xiàn)間隙，導(dǎo)致做功過程中活塞桿的晃動(dòng)。本課題采取本種結(jié)構(gòu)通過結(jié)構(gòu)的參數(shù)計(jì)算優(yōu)化阻尼器設(shè)計(jì)。由于漏磁導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差對整體的影響不大，因此忽略。阻尼通道位于工作缸與活塞之間磁流變減振器按腔室結(jié)構(gòu)可分為單筒單出桿、單筒雙出桿、雙筒單出桿三種形式。單筒單出桿形式，以所在腔室有無活塞桿為區(qū)別分為有桿腔和無桿腔。由于活塞桿需要螺栓固定，因此造成了無桿腔出現(xiàn)空隙，必須對其進(jìn)行氣體補(bǔ)償。LORD公司設(shè)計(jì)的用于座椅的磁流變減振器就是釆用該結(jié)構(gòu)，應(yīng)用氣體補(bǔ)償進(jìn)行空隙填補(bǔ)。本課題使用此結(jié)構(gòu)。LORD公司的單筒單出桿形式的減振器單筒雙出桿形式，有兩個(gè)活塞桿，無需進(jìn)行氣體補(bǔ)償。圖2.8為LORD公司為建筑開發(fā)的輸出阻尼力達(dá)20T的單筒雙出桿式磁流變減振器。上方球狀物為補(bǔ)償裝置，設(shè)置原因是由于輸出做功了大量的熱量，磁流變液受熱膨脹，冷卻時(shí)體積減小，不能充滿整個(gè)腔室。這種結(jié)構(gòu)雖然輸出阻尼力比較大，但是結(jié)構(gòu)笨重，無法滿足車輛應(yīng)用。LORD公司的單筒雙出桿形式的減振器雙筒單出桿形式，減振器出去拉伸狀態(tài)時(shí)，活塞、活塞桿帶動(dòng)磁流變液流動(dòng)并在力的作用下進(jìn)入阻尼通道及補(bǔ)償腔再通過下端的阻尼通道進(jìn)入壓縮腔。除以壓縮行程則磁流變液流動(dòng)方向剛好相反。這種結(jié)構(gòu)的有點(diǎn)是輸出力的范圍較廣，缺點(diǎn)是容易造成堵塞，節(jié)奏復(fù)雜，對后續(xù)的維修不利。雙筒單出桿形式的減振器阻尼器阻尼力理論推導(dǎo)磁流變液組成、效應(yīng)及要求組成磁流變液主要由分散質(zhì)，基液和穩(wěn)定劑組成。一般分散質(zhì)由羰基鐵粉或其它復(fù)合材料組成，其特性是在外加磁場的干預(yù)下可使分散質(zhì)磁化并產(chǎn)生定向移動(dòng)而產(chǎn)生剪切應(yīng)力；基液可由不同的流體作為載體，比如油、水等都可以；穩(wěn)定劑主要由環(huán)烷酸鹽等構(gòu)成，防沉降劑則由高分子聚合物等構(gòu)成。目的是防止分散質(zhì)降沉影響阻尼器的功能性。磁流變效應(yīng)未加磁場，磁流變液為牛頓流體的特性；外加磁場的作用下后，磁流變液為非牛頓流體特性，稱之為Bingham流體。且磁場越大，剪切應(yīng)力越大，阻尼力越大。當(dāng)?shù)竭_(dá)磁流變液的臨界磁場時(shí)，磁流變液就會發(fā)生固化，當(dāng)去掉外加磁場，它又恢復(fù)到牛頓流體狀態(tài)。磁流變液的這種隨外加磁場強(qiáng)度變化而改變特性的現(xiàn)象稱為磁流變效應(yīng)。磁流變液選取要求因磁流變減振器放置位置的特殊性，其要求便是無毒、無害、無腐蝕性作用；磁流變液自身要穩(wěn)定可靠。磁流變理論介紹及推導(dǎo)流動(dòng)機(jī)制假設(shè)磁流變液在阻尼通道內(nèi)沿軸線是線性變化的，由流體力學(xué)可得平板間流動(dòng)既流動(dòng)模式其流動(dòng)方程為：（2.1）為磁流變液剪切應(yīng)力，y為垂直液體流動(dòng)方向的坐標(biāo)，L為阻尼通道長，為阻尼通道兩端壓力差。未加磁場時(shí)其剪切應(yīng)力表達(dá)式為：（2.2）為磁流變液粘度系數(shù)，u為液體流速外加磁場作用下為Bingham流體，有關(guān)系式（2.3）為磁流變液屈服應(yīng)力，sgn為活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)函數(shù)。Bingham流動(dòng)模式的阻尼力施加磁場后，阻尼通道內(nèi)磁流變液的狀態(tài)可由平面表示。剪切應(yīng)力沿橫向分布，兩側(cè)剪切應(yīng)力最大，中間部分最小。當(dāng)阻尼通道兩端的剪切應(yīng)力大于工作缸和活塞附近磁流變液的臨界剪切屈服應(yīng)力時(shí)，靠近平板的磁流變液開始流動(dòng)，否則不動(dòng)。中間對稱面上的磁流變液處于固體狀態(tài)，由兩側(cè)液體推動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，因此可將磁流變液的流動(dòng)分為三個(gè)區(qū)域，如圖2.10所示。阻尼間隙流速分布圖區(qū)域1：屈服流動(dòng)0≤y≤u(0)=0,(2.4)區(qū)域2：剛性流動(dòng)≤y≤，u=c(常數(shù))(2.5)區(qū)域3：屈服流動(dòng)≤y≤hu(h)=0，(2.6)將帶入式（2.1）得區(qū)域1：(2.7)區(qū)域2：u=c(2.8)區(qū)域3：(2.9)由邊界條件解方程得區(qū)域1：(2.10)區(qū)域2：(2.11)區(qū)域3：(2.12)由流體力學(xué)連續(xù)性可知，流經(jīng)阻尼通道的液體等于活塞表面積，有(2.13)b=(2.14)=D+h(2.15)A=(2.16)式中，D為活塞直徑，為環(huán)形阻尼間隙均值，h為阻尼間隙長度，為活塞相對運(yùn)動(dòng)速度，A為活塞端面面積。由于中間處=0，由(2.1)得(2.17)流體產(chǎn)生極限壓差為：(2.18)由圖2.9：(2.19)對式子(2.13)求積分得：(2.20)解方程得：(2.21)在阻尼通道處，有:,則流動(dòng)模式表達(dá)式為：(2.22)Bingham剪切模式阻尼力該模式下，磁流變液屈服應(yīng)力和剪切應(yīng)力的關(guān)系為：(2.23)(2.24)(2.25)將式(2.25)乘以面積得：(2.26)因此混合模式阻尼力為剪切模式和流動(dòng)模式得疊加，既：(2.27)由式(2.27)可以看出，第一項(xiàng)僅與減振器結(jié)構(gòu)和磁流變液流動(dòng)速度有關(guān)，稱其為粘滯阻尼力；(2.28)第二項(xiàng)與磁場變化有關(guān)，既屈服應(yīng)力隨磁場變化，稱其為庫倫阻尼力。(2.29)因?yàn)榧羟心Ｊ剿a(chǎn)生的阻尼力通常遠(yuǎn)小于流動(dòng)模式所產(chǎn)生的阻尼力，因此在計(jì)算中常常忽略剪切模式所產(chǎn)生的阻尼力。相對速度最大時(shí),稱產(chǎn)生的庫倫阻尼力與粘滯阻尼力的比值為阻尼力可調(diào)系數(shù)K，當(dāng)忽略剪切阻尼力時(shí)，得：(2.30)磁路設(shè)計(jì)在忽略漏磁的情況下，通電線圈產(chǎn)生磁場走向如圖2.11所示。先通過半徑為得活塞桿芯到達(dá)活塞大端面，然后穿過空氣間隙到達(dá)缸壁，而后貫穿缸壁轉(zhuǎn)向空氣間隙到達(dá)活塞的另一端面，最后回到活塞桿芯形成閉合回路。磁路設(shè)計(jì)圖由2.2可知，混合模式的磁流變減振器中，磁流變液的流動(dòng)方向應(yīng)與磁場方向盡量保持垂直。環(huán)形磁路由磁路的歐姆定律和安培環(huán)路定律可知，當(dāng)鐵芯中磁場處處均勻，在完全封閉的環(huán)形封閉電路中可得：(2.31)其中Hl為磁壓降，NI為磁動(dòng)勢。將磁感應(yīng)強(qiáng)度公式B=和磁通公式帶入式(2.31)中得：(2.32)其中為鐵芯磁導(dǎo)率，L為磁路長，S為鐵芯截面積。先令鐵芯磁阻(2.33)可推導(dǎo)出：(2.34)但是在實(shí)際情況中，許多磁路都會涉及磁路氣隙問題。但由于氣隙較小，通常在鐵芯內(nèi)磁場未飽和時(shí)可認(rèn)為二者產(chǎn)生的磁通是相通的。以代表氣隙長度，則有磁場壓降之和為：(2.35)式中為空隙處磁場強(qiáng)度。由磁感應(yīng)強(qiáng)度公式推導(dǎo)出:(2.36)將磁通公式帶入上式可得(2.37)為空氣磁導(dǎo)率，為空氣磁阻。不考慮漏磁時(shí)，閉合磁路由活塞桿，間隙，活塞兩個(gè)端面和缸壁組成。磁場強(qiáng)度為：(2.38)其中為真空磁導(dǎo)率,為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率，為各處截面積。因間隙處磁導(dǎo)率相比其它部位要小很多，所以間隙處的磁場強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于其它部位。磁路中總磁阻為：(2.39)式中磁阻依次為間隙，端面，活塞桿和缸壁的