2006年5月
农业机械学报
第37卷第5期
一种磁流变减振器的设计与试验3
舒红宇 王立勇 吴碧华 向 平
【摘要】 对摩托车磁流变减振器中的磁流变液在挤压和剪切两种工作模式下的阻尼力进行了理论分析和计算, 设计出一种可控阻尼力的摩托车磁流变前减振器, 并计算了其磁回路的磁阻; 通过样品试验, 验证了理论分析计算方法和磁流变结构设计的有效性。
关键词:摩托车 减振器 磁流变液 试验中图分类号:TB 383; U 463133+511
文献标识码: 引言
磁流变液(m flu ids , 简称M R F ) 是由悬浮于载体液中的大量可磁化微粒构成的一种悬浮液体[1], 流变特性随外加磁场的变化而变化。
目前利用磁流变液开发汽车磁流变减振器已有报道[2～6], 但在摩托车减振器上的应用研究未见报道。本文结合摩托车前减振器的结构特征, 设计摩托车磁流变前减振器。
∃p =
ΠD h
3
+
h
(1)
式中 Λ——动力粘度 v 0——剪切速率
Σy ——屈服应力 A ——活塞面积进而可以得到阻尼力计算公式
F fl ow =
2
ΠD h
3
v 0+
h
Σy
(2)
对于剪切工作模式, 剪切速率可简单地认为是定值, 由磁流变液工作的本构模型[7]可得
Σ=Σy +Λ
h
(3)
1 力学模型
磁流变液的工作模式分为流动、剪切和挤压3种。摩托车磁流变减振器磁流变液工作模式为流
应力乘以面积即得剪切应力
F cut =L ΠD Σy +
v 0h
(4)
动模式与剪切模式的混合, 如图1所示。
所以, 混合工作模式的阻尼力数学模型为
F =
2
ΠD h
3
+
v 0+h
F 1+F 2
h
+L ΠD Σy =
(5)
该阻尼力可以分成两部分:一部分是不依赖于所加磁场, 仅与流体流速、流场粘度和减振器的几何参数有关的粘性阻尼力F 1; 另一部分是由流体流变而产生的, 随所加磁场变化而变化的阻尼力, 是磁流
图1 工作模式图
1. 定位管 2. 前叉管 3. 励磁线圈 4. 阻尼孔隙
变减振器的可调部分, 称为库仑阻尼力F 2。分析可得, 磁流变减振器工作时, 如果磁流变材料的性能足够好, 阻尼力将主要由磁场产生的库仑阻尼力提供。
根据设计的磁流变结构特点, 可以将磁路划分为4部分进行分析计算, 如图2所示。
对于流动模式, 基于B ingham 模型的本构方程
和流体力学连续性原理, 流经阻尼孔隙的磁流变液等于活塞所占的体积, 可以得到
收稿日期:20050120
3重庆市科委重点基金资助项目(项目编号:78239)
舒红宇 重庆大学机械工程学院 副教授, 400030 重庆市王立勇 重庆大学机械工程学院 硕士生吴碧华 重庆大学机械工程学院 硕士生
向 平 重庆中意减振器厂 工程师, 400025 重庆市
第5期舒红宇等:一种磁流变减振器的设计与试验167
际使用性和生产可能性, 在原有减振器结构的基础上, 对定位管结构进行了少许改进, 使之达到工作要求。改进后的摩托车磁流变减振器结构如图4所示
。
图2 磁回路工作模式图
1. 励磁线圈的铁芯 2. 线圈绕座两端部铁芯 3. 阻尼间隙处的
磁流变液 4. 前叉管
为了简化, 在求阻尼间隙的磁感应强度与线圈电流的关系过程中, 不均匀性。
示为
(6) R m 1=2
Λ1Π(r 20-r ) 其中
r 0=
图4 结构示意图
1. 下腔 2. 工作腔 3. 前插腔 4. 上腔 5. 定位管 6. 线圈 7. 弹簧座 8. 阀片弹簧 9. 单向阀片 10. 阀孔 11. 底筒
2
r =
2
式中 Λ1——铁芯磁导率
线圈绕座两端部铁芯为圆环状, 如图3所示, 所以磁力线由圆环轴线径向穿过圆环时的磁阻为
(7) R m 2=
2ΠΛ1L
图3 线圈基座端部磁阻计算示意图
具体做法是:将原有的定位管改为励磁线圈绕
座, 去掉原有密封环, 线圈绕座与前叉管之间留有0175mm 的工作间隙, 导线由定位管内部经前叉管
顶部引出。为了保证油液处于单循环工作状态, 在前插管底部设计了一个单向阀片, 此阀只在压缩行程打开, 保证压缩行程的阻尼力不致过大, 达到缓冲的目的; 在伸张行程单向阀关闭, 使工作腔中的油液只能通过阻尼间隙流向上腔。
同理可得阻尼间隙处磁流变液的磁阻为
R m 3=
2ΠΛ2L 前叉管处的磁阻为
R m 4=
Λ2Π[(R +h +t ) 2-(R +h ) 2]
3 试验结果
(8)
为了验证设计的摩托车磁流变减振器结构, 对该磁流变减振器做了台架测试试验。试验用磁流变液为重庆仪表材料研究所生产的商用磁流变液, 线圈匝数为900匝, 线径为016mm , 测试出的不同电流作用下的伸张阻尼力和压缩阻尼力特性图如图5所示。
由图可得, 复原阻尼力和压缩阻尼力与前插管的运动速度v 成正比; 在相同速度下, 随着电流的增大, 复原阻尼力增大, 而压缩阻尼力变化不大。试验结果表明设计的摩托车磁流变前减振器的结构及其相关计算方法是有效的。
减振器在012m s 的速度条件下, 对励磁线圈通以不同的电流, 测得的减振器复原阻尼力如图6所示。从图中可以看出, 试验所得的减振器阻尼力特性数值与阻尼力推导公式计算结果曲线基本吻合, 其误差主要来自于运动件之间的摩擦、磁流变液性能的测试误差和磁路的损失等。
(9)
式中 Λ2——间隙处磁导系数
该磁回路中的总磁阻为
R m =R m 1+2R m 2+2R m 3+R m 4
(10)
由电磁学中的相关定律, 可以得到磁流变液工作处磁场强度的表达式为
H =
ΛR m S
Β
(11)
根据试验测得的磁流变液材料特性关系为
Σy =kH
(12)
[8]
其中k 、Β与材料性能有关, 大小由试验测得。
2 摩托车磁流变减振器结构设计
经过设计计算可知, 影响阻尼力、可调系数和示功特性的因素很多, 但是考虑到摩托车减振器的实
168农 业 机 械 学 报2006年
图6 复原阻尼力与励磁电流关系曲线
4 结束语
, , 在前插管, 使内部油液单向循环流动, 可以将其改变为一种可控的磁流变式摩托车减振器, 通过改变励磁电流来实现对阻尼力的调节。该摩托车磁流变减振器结构简单, 试验测试结果与理论分析结果基本相吻合, 样品试验数据证明了所设计的摩托车磁流变前减振器的结构及其相关计算方法的有效性。
图5 试验测试特性图
(a ) 复原行程 (b ) 压缩行程
参考文献
1 Butz T , von Stryk O . M odelling and si ～20. m ulati on of ER and M R fluid dampers [J ]. Z AMM , 2002, 82(1) :32 To sh iko N akagaw a , N o rinobu Sagara . A p ropo sal of a nonlinear H 2contro l m ethod fo r a sem iactive damper w ith a
～4. m agnetic fluid base [J ]. IEEE T ransacti ons on M agnetics , 1997, 33(5) :1
3 R ibakov Y , Gluck J . Selective contro lled base iso lati on system w ith m agneto rheo logical dampers [J ]. Earthquake
～1324. Engineering and Structural D ynam ics , 2002, 31:1301
4 廖昌荣, 陈伟民, 余淼, 等. 基于混合模式的汽车磁流变减振器阻尼特性分析与测试[J ]. 机械工程学报, 2001, 16(5) :
44～47.
5 潘双夏, 杨礼康, 冯培恩, 等. 磁流变液减振器控制应用的研究动态[J ]. 汽车工程, 2002, 25(3) :254～259.
6 谢俊, 刘军, 马履中, 等. 汽车磁流变减振器流变力学特性的研究[J ]. 江苏大学学报:自然科学版, 2002, 23(6) :26～29.
7 黄金, 王化培, 林剑, 等. 磁流变液传力特性的链化模型研究[J ]. 机械设计与制造工程, 2001, 30(2) :3～7. 8 廖昌荣, 余淼. 汽车磁流变减振器设计原理与试验测试[J ]. 中国机械工程, 2002, 13(16) :1391～1394.
(上接第170页)
4 Canaw ay R M , Hohnson B J . T urfgrass w ear as affected by go lf car tire design and traffic patterns [J ]. J . of the
～246. Am erican Society of Ho rticultural Science , 1989, 114(2) :240
5 周保鑫, 孙吉雄. 草坪践踏器的原理及其研制[J ]. 甘肃农业大学学报, 1994, 29:93～95.
6 李德颖, W arren F H . 混播草坪上足球运动践踏模拟效果的研究[J ]. 农业工程学报, 1997, 13(2) :164～168. 7 时学黄, 郑季媛, 冯莲丽, 等. 运动生物力学:译文集 [M ]. 北京:清华大学出版社, 1985. 8 纪士斌. 施工机械[M ]. 北京:中国建筑工业出版社, 1997.
9 W ilk inson J F , D uff D T . Roo ting of P oa annua L . , P oa p ratensis L . , and A g rostis p alustris H ud s . at th ree so il
～68. bulk densities [J ]. A gronom y Journal , 1972, 64:66
10 Bake S W . Perfo r m ance standards fo r p rofessi onal soccer on artificial turf surfaces [J ]. J . Spo rts T urf . R es . Ins . ,
1988, 66:42～68.
2006年5月
农业机械学报
第37卷第5期
一种磁流变减振器的设计与试验3
舒红宇 王立勇 吴碧华 向 平
【摘要】 对摩托车磁流变减振器中的磁流变液在挤压和剪切两种工作模式下的阻尼力进行了理论分析和计算, 设计出一种可控阻尼力的摩托车磁流变前减振器, 并计算了其磁回路的磁阻; 通过样品试验, 验证了理论分析计算方法和磁流变结构设计的有效性。
关键词:摩托车 减振器 磁流变液 试验中图分类号:TB 383; U 463133+511
文献标识码: 引言
磁流变液(m flu ids , 简称M R F ) 是由悬浮于载体液中的大量可磁化微粒构成的一种悬浮液体[1], 流变特性随外加磁场的变化而变化。
目前利用磁流变液开发汽车磁流变减振器已有报道[2～6], 但在摩托车减振器上的应用研究未见报道。本文结合摩托车前减振器的结构特征, 设计摩托车磁流变前减振器。
∃p =
ΠD h
3
+
h
(1)
式中 Λ——动力粘度 v 0——剪切速率
Σy ——屈服应力 A ——活塞面积进而可以得到阻尼力计算公式
F fl ow =
2
ΠD h
3
v 0+
h
Σy
(2)
对于剪切工作模式, 剪切速率可简单地认为是定值, 由磁流变液工作的本构模型[7]可得
Σ=Σy +Λ
h
(3)
1 力学模型
磁流变液的工作模式分为流动、剪切和挤压3种。摩托车磁流变减振器磁流变液工作模式为流
应力乘以面积即得剪切应力
F cut =L ΠD Σy +
v 0h
(4)
动模式与剪切模式的混合, 如图1所示。
所以, 混合工作模式的阻尼力数学模型为
F =
2
ΠD h
3
+
v 0+h
F 1+F 2
h
+L ΠD Σy =
(5)
该阻尼力可以分成两部分:一部分是不依赖于所加磁场, 仅与流体流速、流场粘度和减振器的几何参数有关的粘性阻尼力F 1; 另一部分是由流体流变而产生的, 随所加磁场变化而变化的阻尼力, 是磁流
图1 工作模式图
1. 定位管 2. 前叉管 3. 励磁线圈 4. 阻尼孔隙
变减振器的可调部分, 称为库仑阻尼力F 2。分析可得, 磁流变减振器工作时, 如果磁流变材料的性能足够好, 阻尼力将主要由磁场产生的库仑阻尼力提供。
根据设计的磁流变结构特点, 可以将磁路划分为4部分进行分析计算, 如图2所示。
对于流动模式, 基于B ingham 模型的本构方程
和流体力学连续性原理, 流经阻尼孔隙的磁流变液等于活塞所占的体积, 可以得到
收稿日期:20050120
3重庆市科委重点基金资助项目(项目编号:78239)
舒红宇 重庆大学机械工程学院 副教授, 400030 重庆市王立勇 重庆大学机械工程学院 硕士生吴碧华 重庆大学机械工程学院 硕士生
向 平 重庆中意减振器厂 工程师, 400025 重庆市
第5期舒红宇等:一种磁流变减振器的设计与试验167
际使用性和生产可能性, 在原有减振器结构的基础上, 对定位管结构进行了少许改进, 使之达到工作要求。改进后的摩托车磁流变减振器结构如图4所示
。
图2 磁回路工作模式图
1. 励磁线圈的铁芯 2. 线圈绕座两端部铁芯 3. 阻尼间隙处的
磁流变液 4. 前叉管
为了简化, 在求阻尼间隙的磁感应强度与线圈电流的关系过程中, 不均匀性。
示为
(6) R m 1=2
Λ1Π(r 20-r ) 其中
r 0=
图4 结构示意图
1. 下腔 2. 工作腔 3. 前插腔 4. 上腔 5. 定位管 6. 线圈 7. 弹簧座 8. 阀片弹簧 9. 单向阀片 10. 阀孔 11. 底筒
2
r =
2
式中 Λ1——铁芯磁导率
线圈绕座两端部铁芯为圆环状, 如图3所示, 所以磁力线由圆环轴线径向穿过圆环时的磁阻为
(7) R m 2=
2ΠΛ1L
图3 线圈基座端部磁阻计算示意图
具体做法是:将原有的定位管改为励磁线圈绕
座, 去掉原有密封环, 线圈绕座与前叉管之间留有0175mm 的工作间隙, 导线由定位管内部经前叉管
顶部引出。为了保证油液处于单循环工作状态, 在前插管底部设计了一个单向阀片, 此阀只在压缩行程打开, 保证压缩行程的阻尼力不致过大, 达到缓冲的目的; 在伸张行程单向阀关闭, 使工作腔中的油液只能通过阻尼间隙流向上腔。
同理可得阻尼间隙处磁流变液的磁阻为
R m 3=
2ΠΛ2L 前叉管处的磁阻为
R m 4=
Λ2Π[(R +h +t ) 2-(R +h ) 2]
3 试验结果
(8)
为了验证设计的摩托车磁流变减振器结构, 对该磁流变减振器做了台架测试试验。试验用磁流变液为重庆仪表材料研究所生产的商用磁流变液, 线圈匝数为900匝, 线径为016mm , 测试出的不同电流作用下的伸张阻尼力和压缩阻尼力特性图如图5所示。
由图可得, 复原阻尼力和压缩阻尼力与前插管的运动速度v 成正比; 在相同速度下, 随着电流的增大, 复原阻尼力增大, 而压缩阻尼力变化不大。试验结果表明设计的摩托车磁流变前减振器的结构及其相关计算方法是有效的。
减振器在012m s 的速度条件下, 对励磁线圈通以不同的电流, 测得的减振器复原阻尼力如图6所示。从图中可以看出, 试验所得的减振器阻尼力特性数值与阻尼力推导公式计算结果曲线基本吻合, 其误差主要来自于运动件之间的摩擦、磁流变液性能的测试误差和磁路的损失等。
(9)
式中 Λ2——间隙处磁导系数
该磁回路中的总磁阻为
R m =R m 1+2R m 2+2R m 3+R m 4
(10)
由电磁学中的相关定律, 可以得到磁流变液工作处磁场强度的表达式为
H =
ΛR m S
Β
(11)
根据试验测得的磁流变液材料特性关系为
Σy =kH
(12)
[8]
其中k 、Β与材料性能有关, 大小由试验测得。
2 摩托车磁流变减振器结构设计
经过设计计算可知, 影响阻尼力、可调系数和示功特性的因素很多, 但是考虑到摩托车减振器的实
168农 业 机 械 学 报2006年
图6 复原阻尼力与励磁电流关系曲线
4 结束语
, , 在前插管, 使内部油液单向循环流动, 可以将其改变为一种可控的磁流变式摩托车减振器, 通过改变励磁电流来实现对阻尼力的调节。该摩托车磁流变减振器结构简单, 试验测试结果与理论分析结果基本相吻合, 样品试验数据证明了所设计的摩托车磁流变前减振器的结构及其相关计算方法的有效性。
图5 试验测试特性图
(a ) 复原行程 (b ) 压缩行程
参考文献
1 Butz T , von Stryk O . M odelling and si ～20. m ulati on of ER and M R fluid dampers [J ]. Z AMM , 2002, 82(1) :32 To sh iko N akagaw a , N o rinobu Sagara . A p ropo sal of a nonlinear H 2contro l m ethod fo r a sem iactive damper w ith a
～4. m agnetic fluid base [J ]. IEEE T ransacti ons on M agnetics , 1997, 33(5) :1
3 R ibakov Y , Gluck J . Selective contro lled base iso lati on system w ith m agneto rheo logical dampers [J ]. Earthquake
～1324. Engineering and Structural D ynam ics , 2002, 31:1301
4 廖昌荣, 陈伟民, 余淼, 等. 基于混合模式的汽车磁流变减振器阻尼特性分析与测试[J ]. 机械工程学报, 2001, 16(5) :
44～47.
5 潘双夏, 杨礼康, 冯培恩, 等. 磁流变液减振器控制应用的研究动态[J ]. 汽车工程, 2002, 25(3) :254～259.
6 谢俊, 刘军, 马履中, 等. 汽车磁流变减振器流变力学特性的研究[J ]. 江苏大学学报:自然科学版, 2002, 23(6) :26～29.
7 黄金, 王化培, 林剑, 等. 磁流变液传力特性的链化模型研究[J ]. 机械设计与制造工程, 2001, 30(2) :3～7. 8 廖昌荣, 余淼. 汽车磁流变减振器设计原理与试验测试[J ]. 中国机械工程, 2002, 13(16) :1391～1394.
(上接第170页)
4 Canaw ay R M , Hohnson B J . T urfgrass w ear as affected by go lf car tire design and traffic patterns [J ]. J . of the
～246. Am erican Society of Ho rticultural Science , 1989, 114(2) :240
5 周保鑫, 孙吉雄. 草坪践踏器的原理及其研制[J ]. 甘肃农业大学学报, 1994, 29:93～95.
6 李德颖, W arren F H . 混播草坪上足球运动践踏模拟效果的研究[J ]. 农业工程学报, 1997, 13(2) :164～168. 7 时学黄, 郑季媛, 冯莲丽, 等. 运动生物力学:译文集 [M ]. 北京:清华大学出版社, 1985. 8 纪士斌. 施工机械[M ]. 北京:中国建筑工业出版社, 1997.
9 W ilk inson J F , D uff D T . Roo ting of P oa annua L . , P oa p ratensis L . , and A g rostis p alustris H ud s . at th ree so il
～68. bulk densities [J ]. A gronom y Journal , 1972, 64:66
10 Bake S W . Perfo r m ance standards fo r p rofessi onal soccer on artificial turf surfaces [J ]. J . Spo rts T urf . R es . Ins . ,
1988, 66:42～68.