磁流变式汽车减振器设计.docx
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磁流变式汽车减振器设计
磁流变式汽车减振器设计
任务书
学生姓名指导教师姓名题目名称一、设计目的、意义分析磁流变减振器的工作模式,结合现有汽车液压筒式减振器的结构和工作特点,对磁流变减振器进行结构设计,对磁流变减振器的磁路进行设计。
系部职称从事专业专业、班级是否外聘□是■否二、设计内容、技术要求主要设计内容磁流变减振器的磁路设计;减振器的结构设计;对减振器的性能进行分析。
主要技术指标、要求零场粘度低,在相同剪切屈服应力的条件下,使磁流变的阻尼器调节范围更大;.在外加磁场作用下,磁流变体的剪切屈服强度至少达30-50kpa;在相当宽的温度范围(-40--100'C)具有良好的稳定性;磁流变响应时间短(毫秒级),使磁流变阻尼器能跟上控制系统的响应速度;三、设计完成后应提交的成果1、设计说明书一份,万字以上;2、磁流变减振器装配图一张、零件图若干张,折合三张A0图纸。
对所设计的磁流变减振器进行性能仿真,分析仿真结果,小论文一篇。
四、设计进度安排1、进行文献检索查,查看相关资料,对课题的基本内容有一定的认识和了解。
完成开题报告。
第1-2周2、初步确定设计的总体方案,讨论确定方案;对磁流变减振器进行初步设计和选取。
第3-6周3、提交设计草稿,进行讨论,修定。
第7周4、详细设计液压系统,设计非标件,绘制减振器装配图及零件图。
第8-12周5、提交正式设计,教师审核。
第13-14周6、按照审核意见进行修改。
第15周7、整理所有材料,装订成册,准备答辩。
第16周五、主要参考资料[1]贺建民等,磁流变减振器的分析与设计,第五届全国磁流变液及其应用学术会议,[2]徐伟,汽车悬架阻尼匹配研究机减振器设计,农也装备与车辆工程,[3]李连进,磁流变阻尼器的参数优化与特征仿真,兰州理工大学学报,六、备注指导教师签字:
年 月 日
教研室主任签字:
年 月 日
开题报告
学生姓名指导教师姓名系部职称专业、班级是否外聘□是√否从事专业磁流变式汽车减振器的设计题目名称一、课题研究现状、选题目的和意义课题研究现状磁流变阻尼器因其具有结构简单、控制方便、响应速度快、消耗功率小、抗污染能力强和输出力大、阻尼力连续可调等优点,它利用了磁流变液在磁场作用下能在毫秒级的时间内从牛顿流体转变成具有一定屈服强度的黏塑性体的智能特性,仅需要很小的能量输入就能产生较大的阻尼力,尤其适合在土木结构的抗风抗震中应用。
在汽车、机械、土木建筑等的振动领域得到了广泛的应用和发展。
现有的磁流变阻尼器的工作模式有阀式、剪切式、挤压式、剪切阀式。
磁流变阻尼器已成为汽车半主动悬架系统中的研究热点。
近几年,对于磁流变阻尼器研究主要关于两个方面,对磁流变阻尼器优化方面的研究和对磁流变阻尼器控制策略的研究。
对于磁流变阻尼器研究关于优化方面的内容主要集中于结构参数的优化以及磁路优化等方面。
现在就这两方面内容对其进行介绍。
1)磁流变阻尼器结构参数优化为了提高磁流变阻尼器的可调范围和可控力值,需要对磁流变阻尼器的结构参数进行优化,以使其阻尼性能达到最佳。
在早期的磁流变阻尼器的研究中,主要对单一目标函数进行优化,以得到最佳的结构关键尺寸,如间隙大小,有效长度及线圈匝数等。
西北工业大学的邓长华等人对双出杆磁流变阻尼器结构参数进行优化,其仅选择可调范围作为目标函数,利用MATLAB优化出线圈匝数、阻尼通道厚度以及阻尼通道长度。
西安交通大学的吴龙等人从磁流变阻尼器设计原理入手,采用Bingham轴对称理论模型对小型单出杆式磁流变阻尼器进行了结构参数的优化研究。
其选取推导出的有效长度公式为目标函数,利用MATLAB优化工具箱进行优化,确定相关参数值代回原阻尼力及可调范围公式反复比对,已达到最佳效果。
对于阻尼力或可调范围的这种单目标优化,涉及到的设计参数比较少,在计算过程上仅从磁学角度考虑结构参数对阻尼力的影响,优化的效果上讲,具有一定的局限性。
近几年的结果优化中出现了一些针对阻尼力和可调范围等从力学和磁学双重角度考虑的多目标优化方法。
比较早的是烟台大学的陈义宝等人采用灰色系统理论的关联度计算方法,对磁流变阻尼器的结构参数进行优化设计,其选定阻尼力可调范围、粘性阻尼力和可调阻尼力作为优化目标,利用优化软件库OPB2对设计主要参数进行多目标参数优化。
哈尔滨工业大学的关新春等人以阻尼力和可调信数为优化目标,以磁流变阻尼器关键结构参数为变量,;利用多目标遗传算法,在优化软件modeFRONTIER中对磁流变阻尼器进行优化设计和分析。
以及南京理工大学的张莉等人,安徽科技学院的易勇等人运用相应的软件工具和方法,对磁流变阻尼器进行了相应的多目标优化方面的研究。
2)磁流变阻尼器磁路优化磁流变阻尼器设计磁路的目的是将磁通量引导并集中到环形间隙中的活性磁流变液区,最大限度地降低磁芯材料及非工作磁流变液区中的能量损失,保证足够的横截面积降低磁芯材料中的磁阻。
在磁路的设计过程中,所得到的结构参数结果是多样化的,而且每种结果使磁流变减振器发挥的效能并不一样,所以必须对结构参数进行优化,使磁路系统发挥最佳的功能。
目前,多数采用ANSYS
有限元软件进行分析,得到优化前后的磁感应强度图,优化后的磁路系统在阻尼环内的磁场强度基本都垂直于磁流变液流动的方向,有效地减少漏磁,提高了磁场利用率。
除此之外,西安石油大学的王治国等人用正交试验方法对磁流变阻尼磁路进行了优化方面的研究,重庆工学院的富丽娟等人对电控信号变化的响应快、控制范围大为设计目标用最小二乘法对磁流变阻尼器磁路进行了优化方面的研究等等。
近年来,国内外学者应用控制理论提供的方法在汽车半主动悬架控制系统的研究反面做了大量的研究工作。
汽车半主动悬架是一个非线性系统,动力学模型参数具有不确定性,考虑到半主动悬架控制的实时性,提高系统的响应时间是非常关键的,不宜采用过于复杂的算法。
目前,在汽车半主动悬架中应用的悬架主要有以下几种:
1)天棚阻尼控制方法天棚阻尼控制方法是1974年美国Karnopp教授提出的一种半主动悬架基本控制方法。
该方法的原理是在车身上施加一个正比于车身绝对速度的阻尼力,通过合理选择相关参数,可彻底清除系统共振现象。
天棚阻尼控制法简单、易行,但于粘度特性的限制,理想的天棚控制效果是无法实现的,且阻尼系数的频繁、小连续切换要求阻尼器具有较宽的频率。
2)自适应控制方法自适应控制研究始于80年代初,于车辆悬架模型有误差,存在非线性和受控车辆结构参数变化,许多学者认识到自适应控制的必要性。
基于线性时不变控制方法能使系统当参数发生变化时,其性能趋于理性的系统。
它主要用于受控对象及其参数存在严重不确定性的情况。
3)最优控制方法最优控制是半主动悬架控制中应用比较广泛的一种方法。
通过建立半主动悬架系统的状态方程,考虑不同的性能指标并提出控制目标函数,来分析当汽车受到路面随机激励时,半主动悬架性能指标的最优控制方案。
应用于车辆悬架系统的最优控制可以分为线性最优控制,最优预报控制等等。
4)智能控制方法智能控制是一个新兴的研究领域,善于解决那些传统方法难解决的复杂系统的控制问题,并具有较强的容错能力、学习能力、自适应能力和自组织能力,是一类无需人为干预就能独立地驱动智能机器,实现其目标的自动控制。
它研究的对象不是被控对象而是控制器本身。
智能控制主要包括模糊控制、神经网络控制以及遗传算法控制等。
选题目的和意义汽车在行驶过程中,于路面的不平坦,导致作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力起伏波动,通过悬架传递到车身,从而产生振动与冲击。
这些振动与冲击传到车架与车身时可能引起汽车机件的早期损坏,传给乘员和货物时,将使乘员感到极不舒适,货物也可能受损伤,严重影响车辆的平顺性和操纵稳定性以及车辆零部件的疲劳寿命。
为了缓解冲击,在汽车悬架中装有弹性元件,但弹性系统在冲击时产生振动。
持续的振动易使乘员感到不舒适和疲劳,因此汽车悬架中装有阻尼器。
传统被动悬架不能适应复杂的道路激励和不断变化的行驶工况,因此开发一种能够根据路面情况和车辆运行状态的变化、实时调节其特性,既能保证汽车的操纵稳定性,又能使汽车的乘坐舒适性达到最佳状态的智能悬架系统势在必行。
今年来,半主动悬架系统,能够大幅度提高车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性,非常适合用于车辆悬架系统的特点,使对它的研究有了较大发展。
磁流变阻尼器作为半主动悬架的执行元件,以磁流变液为介质,通过对输入电流的控制,使其外加磁场强度发生变化,进而可在毫秒级使磁流变液的磁流性能发生变化,实现流体和半固体之间的转变,从而能够提供可控阻尼力,因此,对双筒式磁流变阻尼器的设计以及结构优化的理论研究十分的必要。
分析磁流变减振器的工作模式,结合现有汽车液压筒式减振器的结构和工作特点,对磁流变减
振器进行结构设计,对磁流变减振器的磁路进行设计。
二、设计的基本内容、拟解决的主要问题1、主要设计内容磁流变减振器的磁路设计;减振器的结构设计;对减振器的性能进行分析,磁流变减振器进行性能仿真,分析仿真结果。
2、拟解决的主要问题设计是在利用简化模型设计出磁路结构的基础上,对减振器进行磁饱和分析。
确定减振器几个主要结构尺寸对磁饱和现象的影响,在此基础上对磁路结构尺寸进行优化,以避免磁饱和现象过早发生,提高减振器的阻尼力可调范围。
磁流变减振器结构材料的选择。
磁流变阻尼器的动态范围的确定。
阻尼间隙的选取对减振器性能的影响,阻尼通道有效长度的选取对减振器性能的影响。
三、技术路线调查研究 减振器工作要求、主要技术指标的分析数据计算、分析、处理 磁流变减振器结构设计、磁路设计 基于Bingham模型的平板结构模型
工作缸外径、内径以及活塞杆直径基本尺寸确定。
阻尼间隙、活塞有效长度、线圈匝数确定磁流变减振器性能进行性能优化仿真一定振幅和频率正弦激励下的阻尼力-位移曲线、阻尼力-速度曲线确定最终设计结果四、进度安排1、进行文献检索,查看相关资料,对课题的基本内容有一定的认识了解。
完成开题报告。
第1-2周2、初步确定设计的总体方案,讨论确定方案;对磁流变减振器进行初步设计和选取。
第3-6周3、提交设计草稿,进行讨论,修正。
第7周4、详细设计液压系统,设计非标件,绘制减振器装配图及零件图。
第8-12周5、提交正式设计,教师审核。
第13-14周6、按照审核意见进行修改。
第15周7、整理所有材料,装订成册,准备答辩。
第16周五、
磁流变减振器磁路的设计.....................................................................................16
有关参数的初步确定..................................................................................16已有参数的确定..........................................................................................17磁路相关参数的计算.............................................................................................19
磁路的计算.................................................................................................19工作缸的计算........................................................................................................20本章小结................................................................................................................22
第4章磁流变减振器基于Matlab的仿真分析..................................................23
减振器的阻尼力计算模型.....................................................................................24磁流变减振器的仿真分析.....................................................................................28本章小结.................................................................................................................29
结 论............................................................................................................................31
第2章磁流变阻尼器的力学模型
磁流变液效应及流变机理
20世纪40年代Rabinow首次发现磁流变现象。
在零磁场作用下,磁流变液表现为牛顿流体的特征,其剪切应力等于粘度与剪切率的乘积,在外加磁场的作用下,磁流变液表现为宾汉姆流体的特征,其剪切应力液体的粘滞力和屈服应力两部分组成,其流变特性的改变表现为屈服应力随磁场强度的增加而单调增加,而液体的粘度不变,当外加磁场达到某临界值时,磁流变液停止流动达到固化,当去掉外加磁场时,它又恢复到原来的状态,其响应时间仅为几毫秒。
磁流变液的这种随外加磁场强度变化而改变流变特性的现象被称为磁流变效应。
磁流变效应是磁流变技术和磁流变液走向工程应用的基础,它具有下列特性:
在外加磁场的作用下,磁流变液的表观粘度发生变化的过程是连续的、无级的,但这一变化过程是非线性的。
在外加磁场的作用下,某磁场强度下,流体停止流动达到固化,当去掉外加磁场时,流体又恢复到原来的状态,磁流变体的液态转换成固态是可逆的,若这一转化过程是不可逆的话,他的工程应用价值将会受到极大的影响。
磁流变效应对杂质不敏感。
可以采用低压,大电流的信号来控制磁场强度的强弱,从而控制磁流变效应,这种控制是安全且容易实现的。
在外加磁场的作用下,磁流变体产生磁流变效应的响应时间为毫秒级,这一特性能够满足车辆悬架振动控制的要求。
磁流变效应所需的能耗较低,即使发生液体与固体之间的转换也不会吸收或者放出大量的能量,这为磁流变液在车辆工程中的应用提供了方便。
在外加磁场的作用下磁流变液体的表观粘度发生的变化时可控制的,这一特性为人们提供了工程应用的基础。
在显微镜下观察可以发现,在零磁场下,磁流变液的颗粒分散是杂乱的,而在磁场作用下分布却是有规律的,且沿磁场方向成链束状排列,其作用原理如图所示。
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图磁流变颗粒零磁场下的作用原理图
这种颗粒在磁场下成链的原因存在很多的假说,但具有代表性的为场致偶极矩理论。
该理论认为在外加磁场的作用下,磁流变体的磁极化是产生磁流变效应的原因。
而磁流变流体的变稠和产生抗剪屈服现象,也是于磁场引起的作用力形成的。
整个磁流变效应的发生过程是:
磁场作用下分散颗粒发生磁极化,形成偶极子现象,带有偶极矩的颗粒产生定向运动,颗粒在磁力的作用下定向排列,颗粒从无序随机状态到有序化、成链、成束或形成某种结构,对外呈现明显的表观粘度增大、凝固以及剪切屈服应力,即磁流变效应。
在磁场作用下固体颗粒的磁极化是产生磁流变效应的主要因素。
在外加磁场作用下,颗粒发生上述所述的磁极化现象,于是定向移动形成偶极子链。
当外加磁场强度较弱时,链数量少、长度短、直径也较细,剪断它们所需外力也较小。
随着外加磁场强度的不断增加,取向与外加磁场成较大角度的磁畴全部消失,留存的磁畴开始向外磁场方向旋转,磁流变液中链的数量增加,长度增加,直径变粗,磁流变液对所表现的剪切应力增强,再继续增加磁场,所有磁畴沿外加磁场方向整齐排列,磁极化达到饱和,磁流变液的剪切应力也达到饱和。
磁流变液的屈服应力值随外加磁场的增加而增加。
但当达到某一饱和值时,如果再增加磁场强度,磁流变液的力学性质便会基本上不会改变,即达到了饱和磁场下的动态屈服应力。
磁流变阻尼器工作模式
磁流变阻尼器是一种以磁流变液为介质的半主动控制阻尼器,通过对输入电流的控制,使其外加磁场强度发生变化,进而可在毫秒级使磁流变液的流变性能发生变化,实现流体和半固体之间的转变,从而能够提供可控阻尼力的目的。
当磁流变液流过活塞流过阻尼器上下两腔时,于磁流变阻尼器活塞与工作缸之间的间隙很小,因此磁
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流变液流过的区域可以近似看似为流过一个无限大的平行金属板,于流体力学特性,可将磁流变阻尼器工作模式分为四种类型,他们分别是阀式、剪切式、挤压式以及剪切阀式,如图所示。
图磁流变阻尼器工作模式示意图
阀式,磁流变液在压力的作用下流过固定不动的两极板之间,外加磁场垂直穿过极板作用于磁流变液,从而使磁流变液的流动特性发生变化而产生阻尼力的变化。
剪切式,磁流变液流过相对运动的两极板之间,外加磁场垂直穿过极板作用于磁流变液,这种运动使磁流变液产生剪切力,从而使磁流变液的流动特性发生变化而产生阻尼力的变化,流动阻力的变化通过外加磁场控制。
挤压式,磁流变液在上下运动极板的作用下向四周流动,极板移动反向与磁场方向相同,磁场方向与磁流变液流动方向垂直,从而使磁流变液的流动特征发生变化而产生阻尼力的变化,流动阻尼力的变化通过外加磁场控制。
剪切阀式,也称混合式,磁流变液即像阀式那样在压力作用下通过两极板,又像剪切式那样受到两极板相对运动时产生剪切作用,从而使磁流变液的流动特性发生变化而产生阻尼力的变化,流动阻尼力的变化通过外加磁场控制。
参数计算模型
剪切阀式磁流变阻尼器工作于剪切和流动的组合模式,具有结构简单、磁路设计
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方便、出力大等优良特性,其工作原理为阻尼器内腔充满了磁流变液,活塞在工作缸内作往复直线运动,活塞与缸体发生相对运动,挤压磁流变液迫使其流过缸体与活塞间的间隙,在没有外加磁场作用下,磁流变液以牛顿流体作粘性流动,符合牛顿流体的本构关系;当加上磁场后,磁流变液就会瞬间牛顿流体转变为粘塑体,粘度呈数量级地提高,流体的流动阻力增加,表现为具有一定屈服力的类似固体的本构关系。
此时磁场对磁流变液的作用可用Bingham本构关系进行描述,如图,其本构关系方程为:
图Bingham模型
224LAp2Lb2cLApv2bL F0y 3bhhh式中参数c变化范围2-3,c=2,因此剪切阀式磁流变阻尼器阻尼力为:
224LAp2Lb4LApFv2bL0y3bhhh公式可以改为:
FFFCev0Fr
224LAp2Lb Fv0Cev0 3bhh4LAp F2bLysgn(v0)
h从上式可以看出磁流变阻尼器的阻尼力两部分组成,一部分液体流动时液体粘性产生的粘滞阻尼力,而另一部分磁流变效应产生的库伦阻尼力组成。
当阻尼器几何尺寸确定后,假设磁流变液的粘度系数为常数,粘滞阻尼力只是活塞运动速度的函数,而库伦阻尼力只是磁流变液屈服应力的函数,屈服应力受磁场强度控制,因而
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可以认为库伦阻尼力只是励磁电流的函数。
本章小结
本章主要论述了磁流变阻尼器的力学模型,说明了磁流变阻尼器中磁流变液在工作过程中的机理,介绍了Bingham数学模型,简要说明了磁流变阻尼器的机构和工作原理。
分析了现有的几种工作模式,并最后选择了混合式的工作模式。
阐述了阻尼力的求导原则。
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第3章磁流变阻尼器的设计
磁流变阻尼器是一种以磁流变液为介质的半主动控制阻尼器,其具有结构简单、控制方便、响应迅速、消耗功率小、抗污染能力强和输出力大等优点。
对基于剪切阀工作模式的双筒式磁流变阻尼器进行设计。
磁流变阻尼器设计应该满足以下设计准则:
外加垂直于磁流变液流动方向的磁场对产生磁流变效应的贡献应最大,而平行于磁流变液流动方向的磁场则对产生磁流变效应的贡献最小。
在采用剪切模式、流动模式和挤压模式的阻尼器式,磁力线的方向必须垂直于阻尼通道内磁流变液的流动方向,才能产生磁流变效应,这样阻尼器才能产生所需的阻尼力。
故在设计磁流变阻尼器使,应使阻尼通道中的磁流变液的流动方向垂直于磁场方向,以便充分利用磁流变效应来改变阻尼器的阻尼力。
于汽车悬架阻尼器的行程较大,且在结构尺寸和结构强度上有严格的要求,利用磁流变液来开发汽车磁流变阻尼器不能踩用挤压模式,而只能采用流动模式、混合模式。
采用的是混合模式。
于磁芯中磁感应强度和磁场强度的关系是非线性的,因而,磁路中磁通和磁势的关系也是非线性的。
当磁芯受到交变的磁激励时,磁芯处于反复磁化过程中,磁芯中会产生功率损失。
另外,磁路的磁通与磁势的关系除了满足磁路的克希霍夫定律外,还要满足电磁感应定律。
通过电流将导致涡流的产生,涡流的出现使磁芯中磁通与线圈中电流的波形发生变化。
同时,我们还要注意在阻尼器的应用阶段存在一些问题需要进一步研究:
稳定问题,其中包括磁流变流体的稳定性以及阻尼器性能的稳定性;还原问题;误差问题,包括阻尼力、磁路磁场强度的计算值和实际值的误差;补偿问题,包括磁流变液流体的渗漏补偿以及控制系统的变量补偿;使用寿命问题,包括磁流变液、磁路线圈、密封系统的使用寿命;文维修问题,主要是维修保养的方便性。
磁路设计的影响因素
磁流变阻尼器的性能主要决定于其几何尺寸、磁路以及磁流变液的性能等。
在给定磁流变液性能参数的情况下,设计一个优良的阻尼器的关键在于阻尼器的构造设计和磁路设计。
此外,还包括防尘、漏液、隔磁、密封、散热以及连接等反面的考虑。
在设计时要考虑以下几个因素:
磁性材料的选择、漏磁的分析、退磁和线圈的设计等。
密封件的选择
密封件的作用和意义
在减振器设计中,密封装置用来防止磁流变液的泄露以及外界灰尘和异物的侵入。
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磁流变液外漏不仅会造成浪费,污染机械和工作环境,甚至会引起机械操作失灵及设备和人身事故。
若导线与磁流变液直接接触,可能产生漏磁,导致导线发热,影响磁流变液的性能。
侵入减振器中的微小灰尘微粒,会引起加剧液压元件的磨损和摩擦,增大阻尼力,减小减振器的功效,并且还有可能进一步导致泄露。
因此,密封件是减振器的一个重要的组成部分。
它的工作可靠性和使用寿命,是衡量液压系统好坏的一个重要标准。
密封的分类
被密封的部位在两个需要密封的偶合面之间,通常根据这些偶合面在机械运行时有无相对运动,可把密封分为动密封和静密封两类。
密封形式的选择
设计或选择密封件以及装置的基本要求是:
1)密封件长期在流体介质中工作,必须保证其材料物理性能的稳定。
2)在工作压力下,应具有良好的密封性能,并随着压力的增加能自动提高其密封性能,即泄露在高压下没有明显的增加。
3)动密封装置的动摩擦阻力要小,摩擦系数要稳定,不能出现运动偶件卡住或运动不均匀等现象。
4)磨损小,使用寿命长。
5)制造简单,拆卸方便,成本低廉。
密封件的选择方法,首先根据密封设备的使用条件和要求,例如负载情况、工作压力以及速度大小和
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