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（图纸+论文）自供能式磁流变液减震器的结构设计及实验方案设计（全套完整）

能挤压压电材料使其产生表面电位差，然后通过适当的处理和传送装置可以讲压电材料上的电位差成为稳定的电能输出，并运用于电磁场的产生，这是减震器采用自供能式的最基本原理。磁流变液则具有稳定的磁控和在磁场中运动可控的阻尼力，其流变特性可由外加磁场连续控制。在不加磁场时，它表现为牛顿流体在外加磁场作用下，磁流变液能够在内快速可逆地由流动性良好的牛顿流体转变为高粘度低流动性的宾汉塑性固体，具有定的抗剪屈服应力，且其屈服应力随外界磁场的增加而增加。汽车自供能式磁流变减振器是利用压电材料的机电耦合性能来实现机械能向电能的转变加以利用，结合磁流变液的流变特性所产生的阻尼力和机械设计方法相结合而设计开发的新型减振器。这种减振器的力学特性可由外加磁场连续控制。为了开发这种磁流变减振器，本文将磁流变液的力学特性和机械设计的方法结合起来，分析了磁流变液在减振器间隙中的流动情况求较容易实现，而磁导性般要求液压缸的壁厚较大，所以壁厚般都取的较大，尽管如此，强度校核也是必要的。液压缸的内径与其壁厚的比值的圆筒称为薄壁圆筒，磁流变减振器的液压缸属于薄壁圆筒，其厚度按下式计算式中为液压缸壁厚，为液压缸内径，为缸筒材料的许用应力，为液压缸的最大工作压力，其数值应按照减振器所需要的阻尼力的数值确定。参考上述微型汽车的外形，加上约束条件这里取缸筒材料选择钢，就可以满足要求。图.缸筒结构图活塞的有效面积决定了减震器阻尼力的大小，而活塞杆的大小决定了活塞有效面积的大小，活塞杆直径越大，活塞杆有效面积就越小，所提供的阻尼力也就越小，这里我取活塞杆的半径为。间隙的确定可控阻尼力和动态范围是衡量磁流变减振器性能的两项重要指标，磁流变减振器的回复力可分解为可控阻尼力和不可控阻尼力，不可控阻尼力包括粘性阻尼力和机械摩擦力。动态范围定义为减振器回复力和不可控阻尼力的比值想要增大减振器的最大阻尼力，阻尼通道间隙应尽可能的小，随着间隙的减小，粘性阻尼力的增加比可控阻尼力快两倍，又由于机械摩擦力是常量，所以动态范围也随着减小，在选择阻尼间隙时应综合减振器阻尼力以及动态范围的要求选择合理的数值。根据磁流变减振器设计经验和考虑原减振器的构造及装配所需精度，磁流变减振器阻尼通道间隙通常是，这里我取.。所以可得。活塞有效长度的确定阻尼通道的长度要使得磁流变减振器工作间隙的磁场均匀，且漏磁较小，就要满足.,故初选。活塞有效长度部分不仅用于剪切磁流变液产生的阻尼力，另外也是磁路的部分，其数值的选择要综合考虑阻尼力刺桐特性以及动态范围的要求。从磁流变减振器的阻尼力模型可以看出，活塞有效长度越大，阻尼力也就越大由磁路欧姆定律可知，越大，磁路的截面积也就越大，磁阻就越小，磁通性越好。所以应在不改变减振器的调节范围并且在空间允许的范围内尽量增大的数值。为了保证被控对象对减振器的行程要求，本文先确定活塞长度。图.活塞杆结构图磁路参数磁流变减振器结构参数尺寸和工作原理设计画出磁路结构简图。根据减振器的结构特点，将磁路分为个部分进行分析，如图所示。减振器的线圈电流是由励磁电流和铁损电流构成，由于汽车悬架的振动频率较低，可以将线圈电流看成励磁电流，磁路各部分的磁阻为区域区域区域组成导磁体，与工作间隙组成闭合磁路。对于区域，其磁阻为同理，区域和区域的磁阻分别近似为磁流变液的磁阻近似为其中，分别为活塞材料和工作缸材料的相对磁导率，总磁势为根据总磁势，再根据阻尼器的功率和散热状态确定最大激励电流，可以确定所需的线圈匝数由上分析可知在磁流变减振器的磁路设计中，是在选定了磁路中的各个材料后，确定了线圈的匝数。本文根据工业纯铁和钢材料的工作点，确定了材料的磁导率，其它减振器的参数取初选的结构参数。将所选的参数带入式得到减振器在时的线圈匝数匝左右。表.低碳钢的磁学性能起始磁导率最大磁导率饱和磁感应强度矫顽力电阻率.参数下的阻尼力计算磁流变减振器阻尼通道的宽度远大于阻尼间隙,可以将其简化为如图的模型,该模型即间隙为长度为宽度为的两平行板,且相对运动的速度,磁流变液在压力差如的作用下在两平板间流动。温度越高，颗粒的布朗运动越剧烈，颗粒在外加磁场作用下的成链越困难，磁流变效应就会减弱。屈服应力在温度范围内变化很小。可磁极化颗粒和稳定剂优良的磁流变液在零磁场条件下的粘度较小，具有良好的流动性，这就要求颗粒在磁流变液中的比例不能太大而另方面，磁流变液在定的磁场下应具备良好的磁流变效应，这就要求可磁极化颗粒在磁流变液中的比例应尽可能大。磁学特性当外加磁场强度很小时,磁流变液近似表现出线性介质的磁特性,在这区域，磁化强度与磁场强度成正比，其关系可以表示为式中，为磁化强度，是磁流变液的磁化率，它是个无量纲的纯数，与温度有关，常随温度的升高而减小，为磁场强度。随着外加磁场强度的增加，磁感应强度也迅速增加，磁流变液逐步达到磁饱和，在这区域，磁化强度可以表示为式中，是磁感应强度，这里是磁流变液的真空磁导率，是相对磁导率，它是磁场强度和体积分数的函数,可以从磁流变液的实验磁化曲线中查到。随着外加磁场强度的进步增加，磁流变液达到完全磁饱和。磁流变液的磁化曲线表现为当磁场强度增加时，磁化强度先是迅速增加，然后是缓慢增加，最终达到饱和磁化强度。磁流变液的粘度零磁场时，假设磁流变液表现出牛顿流体的行为，粘度与剪应变率无关在低浓度时，磁流变液的粘度可用著名的爱因斯坦公式描述为式中，为磁流变液零磁场时的粘度，为基础液的粘度，为颗粒的体积百分数。在高浓度时，磁流变液的粘度可用公式描述为当颗粒的体积百分数小于时，颗粒的体积百分数对粘度的影响不大当颗粒的体积百分数大于时，颗粒的体积百分数对粘度的影响很大。磁流变液的密度磁流变液的密度是磁流变液应用中的重要数据，可以用它来计算出磁流变液中磁性颗粒的含量。磁流变液由磁性颗粒基础液添加剂组成，认为磁流变液的重量是由其各组成部分重量之和，由此可得磁流变液的密度为式中，分别是磁性颗粒基础液添加剂的密度和体积百分数。对以油为添加剂的磁流变液，密度，上式可以表达为在已知磁流变液磁性颗粒和基础液的密度时，可以通过测量磁流变液的密度来确定磁性颗粒的体积百分数。常用磁流变液种类磁性材料中，只有氧化稳定性较好。因铁资源较为丰富，钴镍要少很多，故磁流变液在外磁场作用下，产生的磁滞回线狭窄，近似与基本磁化曲线重合，所以对于磁流变液的材料制作出半，另半近似中心对称，也很容易得出磁性物质所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限增强。当外磁场增大到定值的时候，全部磁畴的磁场方向都转向与外磁场的方向致，这时磁化磁场的磁感应强度达到饱和值。这种材料主要指。.减震器的结构参数确定根据微型汽车前减振器如下表所示压缩及复原阻尼力，因此磁流变减振器的阻尼力范围也应满足此微型汽车对减振器阻尼力的要求，本文所设计的磁流变减振器外形尺寸与原减振器相同。表.微型汽车前减震器压缩及复原阻力速度微型汽车前减震器总成复原阻力压缩阻力.磁流变减振器结构参数的设计应综合考虑到磁流变液的性能特点和所需要设计的磁流变减振器的性能要求，参数设计的主要任务是在初定些基本参数如减振器的外形尺寸，活塞的速度范围等的情况下，设计决定减振器性能的其他些关键因素，达到设计要求，减振器的结构参数的确定需要首先考虑到以下些因素缸筒及活塞杆尺寸的确定磁流变减震器的缸筒及活塞杆选择应首先参考般液力减振器的选择标准对于常用的混合模式磁流变减振器来说，液压缸的壁厚不仅要满足具有定的安全系数的强度要求，还需要满足磁路导磁性能的要求，通常强度要本身的机电耦合系数的乘积等于压电陶瓷输出的电能可得压力作用下压电陶瓷产生的电压同时由于输出电阻远远大于损耗电阻，所以压电陶瓷的实际输出电压可以约等于压电陶瓷的等效电压值，即输出电压与外界作用力的大小成正比，外界振动力越大，输出电能就越大。同时输出电压的大小与压电陶瓷的外形尺寸也有关系，与压电陶瓷的高成正比截面积成反比，因此在设计压电堆结构过程中，需要根据不同的设计目标，选择合适的高度与截面积的比例。.电能调理电路电能调理结构用来将压电能量捕获结构收集的高压交流电能转换成适合磁流变减振器使用的低压直流电能由于压电材料呈现容抗性阻抗，外界振动载荷的频率和大小也是随机变化的，所以压电振动能量捕获结构收集的电能是不稳定的交流电，不能直接加载到磁流变减振器上激励磁流变液。在压电能量捕获结构和磁流变减振器之间需设置个电能调理模块，将压电能量捕获结构产生的不稳定的电转变成适合磁流变减振器使用的低压直流电，电能调理模块内部的等效电路如图.所示。图.电能调理电路电能调理电路包括个直流整流电路个存储电容和个低压整流电路。直流整流电路用来将压电能量捕获结构产生的高压交流电能变成大小不断变化的直流电能存储电容通过充放电功能将直流整流电路输出的电转换成直流稳压电能整流电路用来将存储电容两端的高压直流电转换成适合磁流变减振器使用的低压直流电能，并加载到磁流变减振器上，控制磁流变阻尼器输出不同的阻尼力。通过压电能量捕获结构对存储电容持续充电和电容的不断发电，将压电陶瓷产生的电能传输到减振器上。假设存储电容对外放电时两端电压为，则根据电能守恒定理可知存储电容上的电能为.连接弹簧部分连接弹簧端与弹簧盖相连，弹簧盖与磁流变减振器的活塞杆固定连接，随着活塞杆起往复运动，通过弹簧将外界振动作用力施加到安装在弹簧座的压电能量捕获结构上。第章磁流变液减震器.磁流变液磁流变液的组成磁流变液主要由磁性颗粒基础液和添加剂三部分组成。磁性颗粒般呈球状，直径尺寸在左右，般选择羟基铁粉，羟基铁通过分解而得到，这样可以使生产出的球型微粒不致减少，且效果不错。该微粒性能稳定可以压缩。在外加磁场作用下，磁流变液中的磁性颗粒产生链化作用，是磁流变液产生磁流变效应的核心。根据磁流变效应机理研究结论，磁性颗粒具有以下特点通常磁性颗粒的所用的磁性材料都属于铁钴镍等材料磁性颗粒的材料的饱和磁化为磁性颗粒的形状为球形，直径般为磁性颗粒的体积分数般为。基础液磁流变液中磁性颗粒的载体，其作用是将颗粒均匀地分散在液体中，以使磁流变液在零磁场时，具有牛顿流体的特性，而在外加磁场时又具有粘塑性流体的特性。选择基础液要根据它的流变特性摩擦特性和温度变化时的稳定性，常用的基础液有矿物油硅油合成油和水等。添加剂为改善磁流变液的性能而加入的，如增强磁流变效应的表面活性剂，防止零磁场时颗粒凝聚的分