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车磁流变减振器流变力学特性的研究精
第23卷第6期2002年11月
江苏大学学报(自然科学版
JournalofJiangsuUniversity(NaturalScience
Vol.23No.6Nov.2002
汽车磁流变减振器流变力学特性的研究
谢俊1,刘军2,马履中1
(1.江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013;2.江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013
[摘要]磁流变液是一种新型的功能材料,属于可控流体.它能在强磁场作用下从牛顿流体变为有较高屈服应力的粘塑流体,这种变化连续可逆且迅速,用其制成的阻尼器具有结构简单、体积小、能耗低和阻尼可连续调节等优点.利用非牛顿粘性流体模型和宾汉流体模型,设计基于流动模式的汽车用磁流变减振器,利用ANSYS有限元分析软件计算其力学性能并进行试验验证.结果表明磁流变减振器可实现阻尼无级可调,将其用于汽车悬架系统,可改善行驶的平顺性,获得良好的振动特性.
[关键词]磁流变液;减振器;汽车悬架
[中图分类号]TB383[文献标识码]A[文章编号]1671-7775(200206-0026-04
为加速车架与车身振动的衰减,以改善汽车的行驶平顺性,在大多数汽车的悬架系统内都装有减振器.减振器和弹性元件是并联安装的.试验研究证明,悬架系统中理想的阻尼特性应该是随着使用因素(如道路条件、载荷的变化而改变,即减振器的阻尼力应和悬架系统的参数有恰当的匹配关系:
在悬架压缩行程内,减振器阻尼力应较小,以便充分利用弹性元件的弹性,以缓和冲击;在悬架伸张行程内,减振器的阻尼力应大,以求迅速减振;当车桥(或车轮与车架的相对速度过大时,减振器应能使阻尼力始终保持在一定限度内,以避免承受过大的冲击载荷.即悬架系统的某一参数发生变化时,减振器的阻尼力也应随之而改变,从而可保证悬架系统有良好的振动特性[2].
磁流变液(MagnetorheologicalFluid,简称MRF属于可控流体,由高磁导率、低磁滞性的微小软颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体,是智能材料研究领域中较为活跃的一种.MRF在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性;而在强磁场作用下,则呈现出高粘度、低流动性的宾汉流体特性.由于MRF在磁场作用下的流变是瞬间、可逆的,而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有
稳定的对应关系,因此是一种用途广泛、性能优良的智能材料,用其制成的阻尼器具有结构简单、体积小,能耗低、可连续调节等优点,是结构实施主动控制的理想装置[3].MR阻尼器是—种通过调整磁流变阀中的磁场强度,来达到调节阻尼参数目的的智能装置,将其用于汽车悬架系统,可改善行驶的平顺性,获得良好的振动特性.
!
汽车磁流变减振器工作模式的分析
磁流变液装置的工作模式有流动模式、剪切模式和挤压模式,三种基本模式的工作情况如图1所示[4].
在流动模式下,磁流变液被限制在静止的磁极之间,在压力差作用下产生流动,流动阻力通过磁场强度来控制.汽车用磁流变减振器就是一种典型的流动模式阻尼器.
根据汽车减振器工作特点,设计了基于流动模式的减振器,图2所示其结构与双向作用筒式减振器相似.从筒壁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MRF的粘度,进而改变阻尼力的大小,这种调节是连续的.
[收稿日期]2002-05-21
[基金项目]江苏省汽车工程重点实验室开放基金资助项目(K2091[作者简介]谢俊(1968-,女,江苏镇江人,江苏大学讲师、博士生!
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.
图1磁流变液装置的基本工作模式Fig.1BasicmodesofoperationforMRF
devices
图2汽车磁流变液减振器
Fig.2AltomotiveMRFshockabsorber
由于磁流变液在阻尼通道中的流动是沿着减振器轴向流动的,在周向和径向的流动速度为零,为了简化,假设磁流变液在阻尼通道内沿轴向是线性变化的,流体不可压缩,则由流体力学得圆管内流体均
匀流动方程式为
[1]
!
=
2L
(1
式中
!
—
——磁流变液的剪切应力!
1—
——阻尼通道两端的压力差L—
——阻尼通道的长度管壁处
!
W=
!
R2L
(2
磁流变液属于非牛顿流体中非时变粘性流
体———宾汉流体,其本构方程为
[1]
-dT="p
!
-!
0
(3
式中
u—
——流体轴向流速分量!
0
———屈服值"
p———塑性粘度!
0,"1在一定的温度和压力下是常数.由式(1可知,切应力在管轴线处为零,在管壁处最大,在断面上切应力成直线分布.根据宾汉流体的特性,在切应力小于屈服值!
0的区域内,流体将不发生相对运动.如果管壁处切应力小于屈服值,则整个断面上流速都等于零.则宾汉流体在管内流动的条件为!
W!
!
0
即!
R2L!
!
0
或!
L!
2!
0R
(4
在半径为T0
处的切应力等于宾汉流体的屈服值!
0,这样在T"T0区域内,其切应力大于屈服值!
0,能产生流动;而在T#T0
区域内,切应力小于屈服值!
0,因而不能产生相对运动,只能像固体一样随着半径为T0
处的液体向前滑动.这样管内固液两态并存,流动分为两个区域,流体质点间无相对运动的部分流体称流核区,流核区以外的称速梯区,如
图3所示[1].
7
2第6期
谢俊等:
汽车磁流变减振器流变力学特性的研究
图3宾汉流体流速分布
Fig.3Flowingvelocityofbingham
屈服应力发生在两区的交界面上,当T=T0时,T=T
代入式(1,可得
T0=2T0L
!
P
(5
将宾汉流体一元流动本构方程式(3与均匀流动方程式(1联立,即可得圆管层流的参数[1].
流速分布
M=
!
4LTp
R2-T2-
T0
Tp
R-T
流量
G="!
R4
8LTp
1-
3
T
R+3
T0(R]4
当流量较大,T
0!
R
时,上式可简化为
G="!
R4
8LTp
1-
3T0R
平均流速
U=
R2
8LTp
!
P-
3
T0LR
压降
!
P=
R2
+3R
上式中等号右侧的第一项就是当塑性粘度和牛顿粘度相等时的牛顿流体的压降,第二项是由于宾
汉流体存在屈服值T
所引起的压降.
阻尼力
F=!
PA
式中A———活塞的截面面积
2ANSYS数值模拟
某磁流变液的性能曲线如图4所示,该曲线表征了磁感应强度B、磁流变液剪切率Y和剪切应力T之间的关系.其中母液的运动粘度为100>10-6m2#S,牛顿流体的表观动力粘度TP=0.1Pa・S,流体的密度P=1200kg#m3,剪切屈服值T0=4000Pa.减振器的阻尼孔结构参数为D=3mm,L=5mm.根据减振器活塞的相对运动速度O及减振器的有关结构尺寸,即可求出压降!
P和阻尼力F
.
图4MRF性能曲线
Fig.4MRFpropertycurve
但上述!
P的计算公式仅适用于L"D的情况,且没有考虑流体进出口处的收缩和扩散损失,故计算结果偏小.在给定磁流变减振器的结构参数D、L和磁流变液的特性参数的情况下,利用ANSYS有限元分析软件对汽车用磁流变减振器的力学性能进行数值模拟.其压力分布等值图及流速分布等值图如图5、图6(活塞运动速度0.75m#S、MRF动力粘度0.1Pa・S所示
.
图5压力分布等值图
Fig.5ISopieSticSdiagra
m
图6流速分布等值图
Fig.6ISovelocitydiagram
对不同的活塞运动速度和MRF动力粘度进行数值模拟,并与试验数据进行对比,其阻尼力F与活塞运动速度U及磁流变液的粘度T之间的关系如
82江苏大学学报(自然科学版第23卷
图7所示.图中可以看出:
利用ANSYS数值模拟的阻尼力较实际阻尼力要小,这主要因为数值模拟时没有考虑活塞与缸体之间的摩擦阻尼[5]
.
图7
阻尼力随活塞运动速度和MRF粘度的变化曲线
Fig.7
Dampingforcecurvewithvelocityofpistonandvis-cosityofMRF
3
结论
根据磁流变减振器的工作原理,设计基于流动模式的汽车磁流变减振器,利用ANSYS有限元分析软件对其MRF的流变力学特性进行数值模拟,
并进行试验验证.结果表明:
磁流变减振器与传统的可控减振器相比,结构简单;通过调节励磁电流可实现阻尼力无级可调,以满足不同路况对汽车悬架的要求,具有广泛的应用前景.
[参
考
文
献]
[1]沈崇棠,刘鹤年.非牛顿流体力学及其应用[M].北
京:
高等教育出版社,1989.[2]陈家瑞.汽车构造[M].第三版.北京:
人民交通出版社,1994.[3]董平,唐家祥.MR智能材料在结构振动控制中的应用[J].工程抗震,2000(2:
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[5]单春贤,张冰蔚,陆勇.摩托车前减震器阻尼特性
数学模型的建立[J].江苏理工大学学报
(自然科学版,2001,22(5:
25-28.
StudyonRheologicalpropertiesofVehicleMRFShockAbsorber
XIEJMn1,LIUJMn2,MAL-zhong
1
(1.SchoolofMechanicalengineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang,Jiangsu212013,China;2.SchoolofAuto
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- 流变 减振器 力学 特性 研究