浅析磁流变阻尼减震器的工作原理Word文档下载推荐.docx

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本文同时研究了磁流变阻尼器的工作原理，先对磁流变液和磁流变阻尼器的发展及应用趋势及其在汽车悬架控制技术中的应用发展情况进行研究。

分析了磁流变阻尼器的发展前景及其应用的范围，介绍了磁流变阻尼器的基本概念和特性表现，总结了影响磁流变液特性的因素、分析了磁流变阻尼器的力学特性和剪切、流动、挤压三种模式，以及汽车对磁流变液的特殊性能要求。

关键词：

磁流变、阻尼力、减震器

第一章绪论

1.1课题背景

新世纪的今天，各种运输方式相对应的交通运输工具（列车、汽车、飞机、管道、船舶）与其诞生时相比己经发生了重大变化，除飞机外，作为主要交通运输工具的铁路车辆（列车）和公路车辆（汽车）变化尤其明显。

车辆自诞生以来，就始终朝着高速化迈进，但从第一条轮轨铁路出现（1825年），经过140年努力，其运营速度才突破200km/h，由200km/h到300km/h又花了近30年。

而现代意义的汽车从其诞生时的18km/h，经过100多年，其运营速度才达到1OOkm/h以上。

这说明车辆提速会涉及到诸多问题，需克服许多技术难点，攻克许多尖端科学技术关键，不能直接对轨道或路面上行驶的确定结构的车辆提速超过其设计极限。

车辆直接提速会引发许多问题，最主要原因是会导致车体振动加剧，破坏其平稳性，使乘客感到不舒适，甚至危及行车安全。

假若车体和道路之间采用绝对刚性的支承系统，那么在崎岖的道路上，当车辆以较低的速度或保持低于某个最大值的速度行驶时，乘客才能感觉较舒适，但是当行驶速度超过这个最大值时，车辆振动就会加剧，破坏车辆构件和货物，影响乘客舒适感。

假若车体和道路之间采用完全弹性支承系统，便可以缓冲道路激励所引起的车辆振动，允许行驶速度增加到一个新的最大值。

但是仅仅具有弹性的支承只能缓冲车辆振动，并不能衰减由道路激励所引起的振动，为此需在车体和道路之间引入阻尼元件（减振器），并将其与弹性支承并联安装达到衰减振动的目的。

通常将车架（或承载式车身）与车桥（车轮）之间的一切传力联结装置称为车辆悬架，而弹性支承系统（弹簧装置）和阻尼元件（减振器）是车辆悬架系统的主要组成部件，其作用是：

支撑车体重量；

通过隔离车体对路面的激励及控制车轮与车体的共振，提供足够平顺性；

使车辆能够尽量地跟随路面性能，因而避免车轮与路面附着力的损失，提供良好的路面操纵性能（稳定性）；

抵消空气动力、负荷、制动力及转向力的变化，同时减少动载荷引起的零部件损坏。

在车辆高速化的进程中，伴随着人们对车辆的安全性和舒适性的要求也在不断提高，车辆悬架的性能也在不断得到改善。

特别是近几十年来，随着固体力学和液压流体力学、微型电子、自动控制、新材料等诸领域的新技术和新成果不断涌现，车辆悬架虽然己初步体现了现代科技的诸多成果，但继续广泛应用各种高新技术进一步提高其总体性能仍然是大有潜力。

1.2磁流变技术的研究与发展

1.2.1磁流变材料的研究与发展

1948年Rabinow最早发明了磁流变液及应用装置（离合器）。

有趣的是这几乎是与Winslow发明的电流变液同时出现的，然而只有在此后的几年里出现的磁流变液的专利和论文比电流变液多，之后大部分的研究则集中于电流变液。

由于电流变液的屈服应力较低，且存在高压安全性问题，因而自1990年以来磁流变液重新引起了研究者们的兴趣。

尤其是近几年来，国际上召开了3届电流变液与磁流变液研讨会，促进了磁流变液的研究与开发。

各主要工业国家都在竞相发展这一技术。

美国TRW公司的Shtarkman在1991年就研制了磁流变液旋转式吸震器，并将其应用于汽车悬架主动控制系统。

美国Lord公司的Carlson和Weiss等人自1993年以来在磁流变液及其应用研究方面取得了突出成就。

Lord公司已有多种商品化产品面市。

美国NotreDame大学的Dyke和Spencer等人将磁流变阻尼器用于大型结构地震响应的控制也是非常有趣的磁流变液的应用之一。

美国福特汽车公司的Ginder等人对磁流变液屈服应力的有限元分析及性能的提高进行了研究。

美国通用汽车公司Fois-ter和Gopalswamy等人研制了磁流变液及磁流变离合器。

美国加州州立大学的Zhu和Liu等人对磁流变液的流变学，特别是微观结进行了较多研究。

白俄罗斯传热传质研究所Kordonski等人在磁流变液的性能以及磁流变抛光、密封等应用研究方面取得了重大进展。

法国Nice大学的Bossis和Cutillas等人在磁流变液的机理研究，特别是在微观结构分析方面作了很多工作。

德国BASFAG的Kormann等人已研制出了稳定的纳米级磁流变液。

我国对磁流变液的研究起步较晚，自1996年之后才有相关文献发表。

中国科学技术大学唐新鲁对磁流变液的机理及阻尼器的性能进行了研究；

金昀研制了两套磁流变液屈服应力测试系统；

陈祖耀等人用新方法制备了超细磁性粉末和磁流变液；

复旦大学潘胜、Jiang等人研制了磁流变液及测量仪器。

国内研究磁流变液的单位还有电子科技大学、哈尔滨建筑大学、西北工业大学、重庆大学、上海交通大学、中国科学院长春光机所等。

总体看来，我国目前在磁流变液的研制与性能研究方面仍与国外有一定差距，应用产品尚属空白。

1.2.2磁流变器件的研究与发展状况

磁流变材料主要用于制作机械手的抓持机构、机床夹具、离合器、制动器、磁流变阀等磁流变器件，磁流变材料还可用于玻璃、陶瓷和半导体材料的抛光以及代替铁磁流体用于轴承密封等。

在磁流变器件的研发方面，美国Lord公司和TRW研究所的工作较为出色。

其中Pinkos等设计了转盘式磁流变主动悬架系统，并完成了汽车半主动悬架的控制实验，这种悬架系统大大地提高了汽车的安全性和舒适性，其性能远优于传统的减振器。

美国Lord的工技术人员已开发了一种车辆座椅悬架阻尼器。

韩国学者Seung-BokChoi开发了客车悬架系统磁流变阻尼器，该阻尼器是双筒结构，实验室测试表明利用磁流变阻尼器可以大幅度提高车辆的安全性和舒适性，目前正进行路道试验。

车减振系统而言是革命性的进步，该产品获得了1999年度世界一百大科技成果奖。

现在德尔夫公司已经开始与通用汽车公司合作，在Cadilac高档轿车上使用。

美国维吉尼亚大学利用Lord公司的磁流变阻尼器分别在VolvoVN重型卡车和Futurecar轿车的悬架上进行控制实验，取得了明显的控制效果。

内华达大学的研究人员开发了山地自行车和摩托车磁流变阻尼器，研究人员建立了一种理论模型来设计和制作了磁流变阻尼器并在实验室进行了测试，测试结果表明：

在不加电流的情况下，该阻尼器阻尼力比原始的被动阻尼力小，在加电流的情况下，该阻尼器阻尼力比原始的被动阻尼力大，实现了阻尼力无级可调，设计理论能够成功地预测阻尼器的阻尼力。

内华达大学机械工程系复合智能材料实验室的研究人员和CSA工程公司的工程技术人员开发了军用高机动多用途轮式车（HighMobilityMulti-PurposeWheeledVehicle）磁流变阻尼器。

研究人员利用三维有限元方法来分析磁场的分布，采用Bingham模型来摸拟磁流变材料的特性，理论分析的结果与实验测试的结果吻合得非常好，在振动频率为2Hz，振幅为25mm的条件下做正弦振动，其最大阻尼力变化范围为480N～2100N，这种磁流变阻尼器比传统的军用高机动多用途轮式车阻尼器性能大幅度提高。

EveretO.Ericksen和FaramarzGordaninejad采用了流动工作模式对摩托车磁流变阻尼器进行理论研究，利用三维有限元方法来分析磁场的分布，采用Bingham模型来摸拟磁流变材料的特性，理论分析的结果与实验测试的结果吻合得非常好。

浙江海洋学院的徐静和董艳制作了剪切式的磁流变制动器，并且给出了磁流变制动器的制动力矩计算模型以及设计计算的理论公式等。

华北工学院的高跃飞基于Bingham模型，设计了带有旁路结构的磁流变缓冲器，并进行了实验研究，给出了在冲击情况下的阻尼力计算公式。

哈尔滨工业大学的欧进萍、关新春等设计制作了多种结构的磁流变阻尼器，对描述其阻尼力的Bouc-Wen模型进行了修正，提出了新的修正后的Bouc-Wen模型，经过实验验证：

该模型的理论曲线与实验曲线吻合得比较好。

上海交通大学的汪建晓和孟光设计出了单出杆活塞缸结构的磁流变阻尼器，并设计了振动试验装置，对整个系统进行了实验研究，建立了系统的运动方程，应用龙格—库塔积分法求出了位移和速度响应等关系。

并且利用各种阻尼力模型分别计算出了各种响应的关系曲线，进行了比较，得出了各种模型的优缺点。

重庆大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、南京航空航天大学、第一汽车集团公司等多家科研院所，正在积极研究开发汽车悬架系统磁流变阻、结构抗振等应用领域的磁流变阻尼器，设计制作了一些磁流变阻尼器并对阻尼器的特性进行了测试研究，提出和改进了一些磁流变阻尼器的参数模型，在磁流变阻尼器的设计和控制方面取得了一定的成果。

1.2.3磁流变技术目前存在的不足

目前磁流变材料的研制技术进步较快，国内外已有商业化的磁流变体研制成功，但它们的温度稳定性、沉降稳定性等性能还不能令人满意，磁流变效应的机理解释和流变学性能测试方法等有待进一步研究。

在阻尼器设计和开发方面，尽管国外的很多公司和大学做了一些开创性的工作，已经研制用于建筑结构、汽车座椅悬架、汽车主悬架系统等的磁流变阻尼器，但是他们的磁流变阻尼器也没有全部商业化，由于商业原因文献中报道的技术只是限于一般原理，开发过程中的关键技术还处于保密阶段。

在国内，只有少数的研究机构在磁流变阻尼器开发方面做了一些探索性的工作，但距离实际应用尚有差距。

第二章磁流变阻尼器工作原理及结构模式

2.1磁流变阻尼器的工作模式

磁流变阻尼器是基于磁流变体的可控特性的一种新型阻尼器。

目前，直线运动的磁流变阻尼器都是基于流动模式（阀式）、剪切模式和挤压模式三种工作模式进行设计，如图2-1所示。

2.1.1流动模式

流动工作模式如图2-1（a）所示，在两固定不动的极板间充满磁流变体，外加磁场穿过极板垂直作用于两极板之间的磁流变体，使磁流变体的流动性能发生变化，从而使推动磁流变体流动的活塞所受的阻力发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。

2.1.2剪切模式

剪切工作模式如图2-1（b）所示，在两相对运动的极板间充满磁流变体，外加磁场穿过极板垂直作用于两极板之间的磁流变体，使磁流变体的流动性能发生变化，从而使推动磁流变体流动的活塞所受的阻力发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。

2.1.3挤压模式

挤压工作模式如图2-1（c）所示，两极板间充满磁流变体，磁流变体受极板挤压向四周流动，外加磁场穿过极板垂直作用于两极板之间的磁流变体，极板的运动方向与外加磁场方向平行，使磁流变体的流动性能发生变化，从而使推动磁流变体流动的活塞所受的阻力发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。

利用挤压工作模式可以设计行程较小的阻尼器等磁流变器件。

Stanway领导的小组在1996年设计出一种挤压式MR减振器，如图2-2所示。

（a）阀模式（b）剪切模式（c）挤压模式

图2-1磁流变阻尼器工作模式

图2-2挤压式磁流变阻尼器

2.1.4混合模式

以上是磁流变阻尼器三种基本的工作模式，通常也将这几种基本模式混合应用。

剪切工作模式的磁流变阻尼器的粘滞阻尼力所占比例较小，而由磁场引起得到的屈服力较大，因此阻尼力的可调范围比较大，但是所提供的总阻尼力相对较小；

流动工作模式的磁流变阻尼器的粘滞阻尼力所占比例较大，阻尼力可调倍数小，但是提供的总阻尼力相对较大。

因此在实际的应用中，常常将剪切工作模式和流动工作模式混合起来形成混合工作模式（剪切阀式）。

混合工作模式采用类似活塞缸式的结构，活塞与缸体内壁间存在环形间隙，按结构可分为单出杆活塞缸结构和双出杆活塞缸结构，分别如图2-3（a）、（b）所示。

电磁线圈可绕活塞上或缸体外侧。

（a）

（b）

图2-3混合工作模式

采用单出杆活塞缸结构，因活塞杆在缸体内所占容积有变化，需要考虑活塞杆的体积补偿，可在缸体内安装充有氮气的蓄能器，或在无杆端采用皮囊作端盖；

另外活塞杆在缸体中处于悬臂状态，稳定性差，因而需要设计良好的活塞杆支承和导向结构，并有限制外载作用方向的措施。

采用双出杆活塞缸结构，则不需要考虑活塞杆体积补偿问题，且活塞杆的稳定性也好。

2.2磁流变阻尼器的基本结构

2.2.1磁流变阻尼器的结构分析

磁流变阻尼器是通过改变控制装置的参数来实现对结构的可调控制,其主要特点是所需外加能量很少、装置简单、不易失稳，摒弃了被动控制和主动控制的缺点，兼顾了它们的优点。

磁流变阻尼器可在一定的范围内通过调整磁场强度来调整减振器的阻尼系数，实现振动的半主动控制。

阻尼器与减振器在极大程度上是相似的，譬如阻尼力、阻尼比等，然而，阻尼器与减振器还是有本质的区别。

阻尼器主要考虑用阻尼力来耗散动能、冲击，不用考虑回复力，当然一部分阻尼器是自身具有回复力的，这本身就是一种柔性的可回复阻尼或减振器，如弹簧、橡胶垫等。

而磁流变阻尼器兼顾以上因素，同时还具有一定的连续工作能力，同时磁流变阻尼器还并联一部分橡胶使得在工作状态下发生剪切位移时，产生一个回复力来使磁流变阻尼器回复到中心位置。

并且，油缸底部还串联一部分橡胶作为缓冲其冲击载荷。

本文试验中所选用的磁流变阻尼器，由活塞、缸筒和磁流变液构成的阻尼－弹性部分和橡胶复位元件组成，根据其工作原理可以将它视为一个Maxwell模型元件与另一弹簧并联而成的标准线

形固体模型[11]。

Maxwell模型是将一个弹簧和一个牛顿阻尼器串联起来，如图2.1.1所示：

图2.1.1Maxwell模型

Fig2.1.1ModelofMaxwell

弹簧的伸长为

，由虎克定律

确定；

阻尼器的速率

由牛顿阻尼定律

决定，这里

为牛顿阻尼系数。

显然有

（2-1）

对式（2-1）微分,并应用虎克定律和牛顿阻尼定律得到：

（2-2）

或可改写成

（2-3）

式（2-3）中

称为Maxwell模型的松弛时间。

因此，本文试验中所采用的磁流变阻尼器力学模型就可以近似看成如图2.2所示，对Maxwell模型元件有式表示的下述关系：

（2-4）

由平衡方程及变形协调条件显然有

（2-5）

微分式（3-5）代入式（3-4），得到

（2-6）

式中

、

称为标准线形固体的松弛时间。

图2.2.2磁流变阻尼器的动力学模型

Fig2.2.2DynamicmodelofMRdamper

2.2.2磁流变阻尼器的结构

图3.3磁流变阻尼器三维结构图

Fig3.3Three-dimensionaldrawingofMRvibrationdamper

磁流变阻尼器的结构如下图所示，图3.3为三维结构图；

图3.4为二维结构图；

图3.5为磁流变阻尼器实物图。

1.圆螺母2.弹簧垫圈3.铜套4.端盖5.活塞杆6.线圈7.V型密封圈

图3.4磁流变阻尼器结构图

Fig3.4DrawingofMRvibrationdamper

8.下支撑板组合9.橡胶10.导柱11.工作缸12.o型橡胶密封圈13.上支撑板组合

由图3.3~图3.5可看出：

磁流变阻尼器主要采用橡胶减振与磁流变减振相结合的复合减振模式，它由磁流变减振和橡胶减振两部分构成，磁流变装置和橡胶装置以并联的方式达到总体的减振效果。

橡胶减振部分属于剪切式工作方式。

整个装置的结构主要由上支撑板组合（13）、下支撑板组合（8）、活塞杆（5）、工作缸（11）、橡胶（9）以及附属零件组成，其中活塞杆（5）与上支撑板组合（13）固定，工作缸（11）通过橡胶（9）与下支撑板组合（8）固定，橡胶一方面用来产生阻尼，另一方面起剪切复位的作用；

减振器的两个支撑板组合分别与待减振装置的两个部分联接，当减振器工作时，两个支撑板组合沿工作缸轴线方向平行移动，这样活塞杆和工作缸之间会产生相对运动，通过改变活塞杆上激励线圈的工作电流，来改变磁场回路的磁场强度，从而达到改变减振器阻尼力大小的目的。

当磁流变阻尼器具体实施到待减振系统中时，磁流变阻尼器分别通过两侧板和待减振装置相连，当待减振装置工作振动时，带动磁流变阻尼器的两个侧板沿缸体轴线方向平行剪切移动，由于侧板

（1）与活塞杆（5）相连，侧板

（2）与工作缸（14）相连，这样活塞杆（5）和工作缸（14）之间会产生相对运动，当活塞杆（5）上激励线圈通以电流时，磁流变阻尼器的磁路部分将产生磁场，在磁场的作用下，工作缸（14）内的磁流变液的粘度增大，从而增大其刚度，达到减振的目的。

对于不同工况，由待减振装置的振动使装在其上的传感器产生信号，然后通过模数转换器A/D对传感器的信号进行采集，控制器对A/D所采集的振动信号分析计算出减振器所需输出的最佳阻尼力，随后根据减振器的阻尼力模型可以方便的计算出励磁线圈所需的电流大小，控制器根据所得参数输出相应的控制信号至数模转换电路D/A，D/A将数字信号转换成模拟信号，然后使该控制信号通过功率放大器，最后使励磁线圈的电流获得最佳值。

当励磁线圈的电流改变后，由线圈产生的磁场强度随之发生改变，从而导致阻尼孔的磁流变液的粘度相应变化，最终导致了减振器输出阻尼力的改变，实现智能减振的效果。

2.3.2磁流变液的选用

（a）磁流变液的流变效应是一种可逆变化，它具有磁化和退磁两种可能性，所以选择的磁流变液的磁滞回线必须狭窄，从而使内聚力较小，磁导率较大，尤其须使磁导率的初始值和极大值尽量地大;

（b）磁流变液应具有较大的磁饱和，以使得尽可能大的“磁流”通过悬浮液体的横截面，为颗粒间的相互作用提供更多能量;

（c）悬浮液中强磁性颗粒的分布必须均匀，且应保持分布率不变，以使磁流变液具有很好的磁化特性;

2.3磁流变减振器的构造及工作示意图

与传统的筒式减振器相比，磁流变减振器的特点是其阻尼力不只取决于活塞运动速度，而主要通过控制在内外筒间所施加的电压来控制阻尼力的大小。

由于磁流变减振器中不设置节流面积可变的节流阀其抗机械磨损的性能大大提高。

图（1.8）是L0rd公司生产的用于车辆座椅振动控制的典型的磁流变减振器的结构简图，其结构与单筒式充气减振器极为相似。

从空心的活塞杆中引入导线控制磁场变化，磁场变化可以改变从工作活塞轴向孔隙中流过的磁流变液的粘度，进而改变阻尼力的大小。

由于活塞杆的行程较小，采用由膜片封闭的具有一定初始压力的氮气补充工作腔体积的变化。

目前磁流变阻尼器在汽车智能悬架系统中应用越来越广泛和深入。

通过用磁流变阻尼器替换原来的被动阻尼器，从而实现汽车悬架系统的智能化和半主动控制。

汽车磁流变半主动悬架系统的主要原理:

采用传感器装置（如加速度传感器）实时感知路面激励及汽车簧上和簧下质量的振动信号，对这些信号进行分析和处理，并把有用信号传递给处理器，处理器根据采用的控制策略和控制算法，分析处理这些信息，并发出控制信号，对悬架系统进行控制，驱动磁流变阻尼器产生控制力，达到实时减振要求和目的。

图1.8磁流变减振器结构示意图

1-上吊环；

2-连接电缆；

3-导向座；

4-密封圈；

5-工作缸；

7-活塞杆；

8-垫圈；

9-活塞；

10-线圈；

11-线圈外套；

12-垫圈；

13-螺母；

14-0型密封圈；

15-浮动活塞；

16-密封气室；

17-下吊环；

2.4磁流变减振器的工作原理

磁流变阻尼器是基于磁流变液的可控特性的一种新型阻尼器，其工作原理是在外加磁场的作用下，磁流变液中随机分布的磁极化粒子沿磁场方向运动，磁场运动使粒子首尾相联，形成链状或网状结构，从而使磁流变液的流动特性发生变化，进而使阻尼器阻尼通道两端的压力差发生变化，达到改变阻尼力的目的。

如图2-4所示。

1.蓄能器2.挡板3.活塞4.线圈5.活塞环6.阻尼通道7.缸体8.活塞杠

图2-4磁流变阻尼器的工作原理示意图

第三章磁流变阻尼器的设计

3.1磁流变阻尼器设计准则

磁流变阻尼器的设计准则为：

因为平行于磁流变体流动方向的磁力线分量对磁流变效应的贡献较小，垂直于磁流变体流动方向的磁力线分量对磁流变效应的贡献较大，在设计磁流变阻尼器时应使阻尼通道内的磁流变体的流动方向垂直于磁场方向，以便充分利用磁流变效应来控制阻尼力的大小。

3.2磁流变阻尼器的结构参数的计算

磁流变阻尼器通常包括活塞组件、缸体、补偿层、密封件及紧固件等。

活塞将工作油缸分为上、下两腔，电磁线圈绕制在线圈架上，通过活塞杆引出电源线，采用不同的电流产生不同的磁场，进而调节环形通道之间磁流变液的流动特性，实现阻尼力大小的控制，其结构参数简图见图3-1。

图3-1阻尼器结构参数简图

磁流变阻尼器是基于磁流变液流变特性的一种阻尼可控器件，它的最大阻尼力主要依赖于磁流变液的性能、阻尼器工作模式以及阻尼器的结构尺寸。

磁流变阻尼器的阻尼力F由3部分组成，一部分为液体流动时粘性产生的粘滞阻尼力Fη，一部分为磁流变效应产生的最大剪切阻尼力Fτ，另一部分是由活塞杆与缸体之间的摩擦力Ff组成。

利用轴对称模型，其表达式为

（3-1）

（3-2）

（3-3）

式中:

（dp/dx）τ0=0为未加磁场时的剪切压力梯度；

（dp/dx）τ0为施加磁场时的剪切压力梯度；

L为活塞磁滞作用有效长度（m）；

Ap为活塞有效截面积（m2），Ap=π（R12-R2pr），Rpr为活塞杆半径。

上述阻尼力中的粘滞力和摩擦力在阻尼器工作过程中基本保持不变，而由流变效应产生的剪切阻尼力随外加磁场的大小而不同，因此整个阻尼力变化幅度定义为调力系数D，则

（3-4）

在Bingham模型下，由于流通间隙非常小，可认为流通间隙内剪切应力τ0处处相等

（3-5）

（3-6）

在活塞与缸体的流通间隙内满足如下两个关系：

（3-7）

（3-8）

（3-9）

（3