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磁流变阻尼器的动力学模型及其在车辆悬架中的应用研究一、本文概述随着现代科技的不断进步和汽车工业的飞速发展，车辆悬架系统作为影响车辆行驶平稳性和安全性的关键部分，其性能优化越来越受到人们的关注。
其中，磁流变阻尼器作为一种新型智能材料阻尼器件，以其独特的性能调控能力和快速响应特性，在车辆悬架系统中展现出广阔的应用前景。
本文旨在深入研究磁流变阻尼器的动力学模型，探索其在车辆悬架系统中的应用效果，为提升车辆行驶性能提供理论支持和技术指导。
本文将系统介绍磁流变阻尼器的基本原理和特性，包括其工作机理、力学特性和调控方式等。
在此基础上，建立磁流变阻尼器的动力学模型，通过理论分析和数值仿真，探讨其动力学特性及影响因素。
本文将研究磁流变阻尼器在车辆悬架系统中的应用，分析其对车辆振动特性和行驶稳定性的影响。
通过构建车辆悬架系统模型，结合仿真实验和实车测试，评估磁流变阻尼器在改善车辆行驶性能方面的实际效果。
本文还将对磁流变阻尼器在车辆悬架应用中的关键技术问题进行探讨，提出相应的解决方案和优化策略，为其在实际工程中的应用提供参考。
通过本文的研究，旨在推动磁流变阻尼器在车辆悬架系统中的应用发展，为提升车辆行驶性能、增强驾驶舒适性和安全性提供有力支持。
也为相关领域的研究人员和技术人员提供有益的参考和借鉴。
二、磁流变阻尼器概述磁流变阻尼器（Magnetorheological Dampers，简称MRDs）是一种基于磁流变液（Magnetorheological Fluid，简称MRF）的智能材料制成的被动或半主动控制元件，因其具有优良的阻尼特性和响应速度快等特性，近年来在车辆悬架系统、建筑振动控制以及军事领域等得到了广泛的应用。
磁流变液是一种由微米级铁磁颗粒和非导磁性载液混合而成的悬浮液，其粘度在磁场的作用下可以迅速并可逆地改变。
磁流变阻尼器正是利用了这一独特的物理特性，通过调整磁场强度，实现对阻尼力的连续、快速和可逆的控制。
基于磁流变阻尼器的汽车座椅悬架系统天棚阻尼控制器_论文重庆大学本科学生毕业设计(论文) 基于磁流变阻尼器的车辆座椅悬架系统天棚阻尼控制器设计学生:李章洲学号:20083467指导教师:浮洁专业:电子科学与技术重庆大学光电工程学院二O一二年六月Graduation DesignThesis of Chongqing UniversitySkyhook controller design of vehicle seat suspension system based on magnetorheological damperUndergraduate: Li ZhangzhouSupervisor: Lec. Fu JieMajor: Electronic science and technologyCollege of Opto-electronic EngineeringChongqing UniversityJune 2012摘要座椅悬架作为汽车的重要组成部分,其作用是缓和不平路面传传递给乘客或司机的振动,提高乘坐和驾驶的舒适性。
现有座椅悬架多采用被动悬架,其参数不能根据路面的状况实时变化,减振效果不理想。
磁流变座椅悬架是一种半主动悬架,具有阻尼力可调范围大、响应快等优点。
因此,研究基于磁流变减振器的半主动悬架系统对改善座椅悬架的动态性能、提高汽车安全性和舒适性有着重要意义。
本文以磁流变座椅悬架系统为对象,在对悬架系统动力模型分析的基础上,设计天棚控制策略,实现振动衰减。
主要工作如下:(1)对目前座椅悬架系统的发展进行综述,阐述了研究半主动座椅悬架系统的意义,并分析磁流变阻尼器的常用控制策略,提出本文将要开展的工作,了解磁流变阻尼器和半主动悬架系统的国内外研究现状。
(2)了解磁流变液的特性和相关应用,掌握半主动悬架系统的研究方法,建立磁流变座椅悬架系统的动力学模型。
(3)对天棚控制算法进行研究,利用Matlab对悬架模型的传递函数进行幅频特性分析,求解出满足要求的天棚阻尼系数。
磁流变MR阻尼器的磁路设计优化及仿真摘要：磁流变现象应用广泛，其中利用其原理制作而成的磁流变MR阻尼器是一种性能优良的半主动控制装置，其结构简单、响应快、动态范围大、耐久性好，具有很强的可靠性。
要使磁流变MR阻尼器的性能最佳，需要考虑诸多方面的因素，这其中阻尼器的磁路设计尤为关键。
1.MR阻尼器的磁路设计磁流变（MR）阻尼器种类多样，根据MRF在MR阻尼器内受力方式的不同，通常将MR阻尼器按结构型式划分为剪切式MR阻尼器、阀式MR阻尼器、剪切阀式MR阻尼器和挤压式MR阻尼器，剪切阀式综合了阀式和剪切式的双重特点，其综合性能好，易加工制造，且其磁路设计也比较简单。
鉴于此，在本次研究中，我们选用剪切阀式作为本文研究的微型MR阻尼器的结构型式，受力形式和活塞运动方式上，选择双出杆直动型。
当MR阻尼器的励磁线圈有电流通过时，产生的磁场会使缸筒内部的磁流变液状态瞬间发生改变，从而在活塞运动过程中产生阻尼力。
考虑到本次所设计的MR阻尼器尺寸很小，线圈内绕极其困难，不便操作。
因此本文研究的MR阻尼器采用线圈外绕的方法，现详细说明其磁路的设计。
首先绘出磁路计算简图如图1-1所示：图1-1线圈外绕磁路计算简图根据磁路欧姆定律可得：（1-1）式中，N是缠绕在缸筒表面的铜线匝数；I是通过前面铜线的电流；为整个回路的磁通；和h分别为MR阻尼器磁路的平均长度和阻尼间隙；和分别为磁芯和空气的磁导率。
MR阻尼器中心轴段部分的磁阻为：（1-2）侧翼磁阻为：（1-3）MR阻尼器间隙内的磁阻为：（1-4）MR阻尼器缸筒内的磁阻为：（1-5）在式（2-8）到（2-9）中，为磁流变液的相对磁导率，为缸筒材料（即铝合金）的相对磁导率，为活塞杆材料（即硅钢）的相对磁导率。
该阻尼器磁路的总磁阻可表示为：（1-6）根据磁路欧姆定律[3]，该MR阻尼器所需要的磁动势为：（1-7）上式中，为MR阻尼器的活塞与缸筒内部的磁感应强度，为该处磁通面积。
2004168汽车悬架磁流变阻尼器的试验建模*高国生杨绍普 陈恩利 邢海军(北京交通大学,北京 100044)(石家庄铁道学院,石家庄 050043)[摘要] 依据汽车悬架用磁流变阻尼器的阻尼特性试验结果,提出了一种描述阻尼器动态特性的力学模型,即修正的Bouc -Wen 模型。
并用优化的方法确定了模型的参数。
该模型能够较精确地描述磁流变阻尼器在改变电流强度时的动态特性。
叙词:磁流变阻尼器,悬架,半主动控制A Study on the M odeling of M agnetorheological Dampersfor V ehicle Suspension Based on Ex perimentsGao GuoshengYang Shaopu,Chen Enli &Xing HaijunBeij ing Jiaotong Univ ersity ,Beij ing 100044S hijiazhuang Railw ay Institute ,Shij iaz huang 050043[Abstract] Using the results of magnetorheological(M R)damper performance testing ,a mathematical model,modified Bouc -Wen model,for M R damper is proposed 1With optim ization method,parameters of the model are determined 1It show s that the model can rather accurately describe the dynam ic characteristics of MR damper under fluctuating current 1Keywords:Magnetorheological damper,Suspension system,Sem-i active control*国家自然科学基金资助项目(10172060)。
第二章磁流变阻尼器的基本原理和结构2.1磁流变阻尼器的工作模式磁流变技术研究的一个重要目标是利用磁流变液在外磁场作用下改变流变 特性这一特点，开发各种用途的磁流变阻尼器，MR 阻尼器的工作模式有下列几 种：（1） 压力驱动模式或流动模式。
如图 2.1（a 所示，这是目前应用最多的一种工作模式。
其原理，磁流变液在压力作用下通过固定的磁极， 磁流变液流动 的方向与磁场方向垂直，可通过改变励磁线圈的电流控制磁场的变化， 使得磁流 变液的流动性能发生变化，从而使磁流变阻尼器的阻尼力发生变化。
该系统可用 于伺服控制阀，阻尼器和减震器。
（2） 直接剪切模式。
如图2.1 （b ）所示，只有一个磁极固定，另一个磁极 作平行于固定磁极的运动或绕固定磁极旋转， 磁流变液在可移动磁极的作用下通 过可控磁场，同样磁场方向垂直于磁流变流体流动，适合于磁极运动的使用场合。
这种系统可用于离合器，制动器，锁紧装置和阻尼器等磁流变器件。
（3） 挤压模式。
如图2.1 （ c ）所示，磁极移动方向与磁场方向相同，磁场方向与磁流变液的流动方向垂直，磁流变液在磁极运动时同时受到挤压和剪切作 用。
磁流变液在磁极压力的作用下向四周流动磁极移动位移较小， 磁流变液产生 的阻尼力较大，可应用于低速小位移（一般少于lmm ）大阻尼力的磁流变阻尼器 和减振设备等。
这一模式中不均匀磁场导致悬浮颗粒聚集， 阻尼力随时间不断增 长，无法实现对振动的稳定控制［10］。
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Fig.2.1 Basic working modes for MR fluid（c ）.挤压模式的缺点，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。
磁流变材料阻尼器的结构设计与性能研究磁流变材料阻尼器是一种先进的阻尼器，在波浪荡漾、地震或机械振动等方面有广泛的应用。
它能够通过施加磁场来改变其内部阻尼阻力，以达到减振和减震的效果。
在本文中，我们将探讨磁流变材料阻尼器的设计和性能研究。
一、磁流变材料阻尼器的工作原理磁流变材料阻尼器的工作原理基于其材料本身的特性。
其外观类似于一个圆柱形的管子，内部则填充有磁流变材料。
当施加磁场时，磁流变材料会发生磁致变形，从而改变管子内部的液体位置和流动。
在运动过程中，液体会产生阻力，从而达到减震和减振的作用。
二、磁流变材料阻尼器的性能研究磁流变材料阻尼器的性能研究涉及到其结构设计和使用效果。
以下是该阻尼器的性能分析：1、阻尼器的结构设计阻尼器的结构设计对其性能具有重要影响。
通常，设计者会考虑以下主要因素：外部形状、内部填充材料和磁场生成器。
以外部形状为例，可以设计成不同形状，如梯形、V形或菱形。
这些形状对于磁流变材料的分布和内部阻尼效果具有明显的影响。
此外，内部填充材料的选择也至关重要，不同的材料具有不同的粘度和导电性能，因此对阻尼器的实际性能会产生重要的影响。
2、使用效果的测试除了设计结构以外，测试阻尼器的使用效果同样至关重要。
例如，可以通过实验来测量阻尼器在减震和减振方面的效果以及其对于振动频率和波形的响应。
此外，还可以对阻尼器的耐久性进行测试，以确保其能够在长时间内稳定工作。
三、磁流变材料阻尼器的应用磁流变材料阻尼器广泛应用于工业和车辆领域，如摩托车减震器、建筑物和桥梁结构减震器、汽车悬挂器等等。
在汽车领域，磁流变材料阻尼器已经被广泛应用于各大汽车制造商的高端品牌车型。
例如，美国福特公司的F-150皮卡车已经采用了该技术。
磁流变材料阻尼器可以大幅度提高车辆的行驶舒适性和安全性，从而更好地吸引消费者。
四、结论磁流变材料阻尼器是一项重要的技术，其在各大领域的应用也正在不断增加。
设计良好的阻尼器不仅可以提高机器和设备的性能，还可以减少因振动产生的损坏和磨损。
第二章磁流变阻尼器的基本原理和结构2.1 磁流变阻尼器的工作模式磁流变技术研究的一个重要目标是利用磁流变液在外磁场作用下改变流变特性这一特点，开发各种用途的磁流变阻尼器，MR阻尼器的工作模式有下列几种:（1）压力驱动模式或流动模式。
如图 2.1（a）所示，这是目前应用最多的一种工作模式。
其原理，磁流变液在压力作用下通过固定的磁极，磁流变液流动的方向与磁场方向垂直，可通过改变励磁线圈的电流控制磁场的变化，使得磁流变液的流动性能发生变化，从而使磁流变阻尼器的阻尼力发生变化。
该系统可用于伺服控制阀，阻尼器和减震器。
（2）直接剪切模式。
如图 2.1（b）所示，只有一个磁极固定，另一个磁极作平行于固定磁极的运动或绕固定磁极旋转，磁流变液在可移动磁极的作用下通过可控磁场，同样磁场方向垂直于磁流变流体流动，适合于磁极运动的使用场合。
这种系统可用于离合器，制动器，锁紧装置和阻尼器等磁流变器件。
（3）挤压模式。
如图 2.1（c）所示，磁极移动方向与磁场方向相同，磁场方向与磁流变液的流动方向垂直，磁流变液在磁极运动时同时受到挤压和剪切作用。
磁流变液在磁极压力的作用下向四周流动磁极移动位移较小，磁流变液产生的阻尼力较大，可应用于低速小位移(一般少于lmm )、大阻尼力的磁流变阻尼器和减振设备等。
这一模式中不均匀磁场导致悬浮颗粒聚集，阻尼力随时间不断增长，无法实现对振动的稳定控制[10]。
(a). 压力驱动或流动模式(b). 剪切模式(c). 挤压模式图2.1磁流变流体的基本工作模式Fig.2.1 Basic working modes for MR fluid2.2 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。
汽车磁流变阻尼器的结构设计Structure design of AutomobileMagneto-rheological Damper摘要磁流变阻尼器是一种以新型的智能材料磁流变体作为阻尼器的工作液，并在阻尼器的活塞轴上缠绕电磁线圈，线圈产生的磁场作用于磁流变液，通过控制电磁线圈电流的大小来改变磁流变体的粘度，达到阻尼力可调要求的装置。
磁流变阻尼器作为优秀的半主动控制器件, 具有结构简单、体积小、能耗低、响应速度快、阻尼力连续可调、易于与计算机控制相结合等优点。
目前，磁流变阻尼器已被广泛运用于各种场合的振动控制，汽车磁流变阻尼器也已被广泛研究和应用。
本文在研究了磁流变液材料的组成、磁流变液效应及其主要特征、磁流变液的主要性能的基础上，根据阻尼力的要求和机械设计基本理论，确立了磁流变阻尼器的基本结构参数尺寸及主要部件材料的选用，并以此为基础进行了磁路设计，得出了活塞的磁路结构。
在机械设计基本理论的指导下，计算得出磁流变阻尼器的结构参尺寸数，并应用AutoCAD及UG制图软件，画出汽车磁流变阻尼器的装配图，建立磁流变阻尼器的三维立体模型，分析影响磁流变阻尼器工作性能的主要因素。
【关键词】磁流变阻尼器；磁流变液；磁路设计；AutoCAD；UGAbstractMagneto-rheological damper is a damper that using a variant of magnetic flow material as the working fluid damper, and the piston axis in damper on magnetic coil winding, coils in the field of MRF, through controlling the size of the magnetic coil currents to change the viscosity of the magnetic fluid variant, damping adjustable requirements. MR damper as excellent semi-active control device, it has simple structure, small volume, low energy consumption, fast response and damping force of continuous adjustable, easy and combining computer control etc. At present, MR damper has been widely used in various occasions.The main research of the paper are that introduces MR fluid material composition, MR fluid effect and the main characteristics of MRF. According to the requirements of the damping force and the basic theory of mechanical design, to establish the basic structure size of the MR damper and main material selection of parts. To calculation the size of the structure, draw AutoCAD drawings of MR damper automobile assembly. Using UG software, establish 3d modeling of MR damper. Analysis on the main factors of MR effect.【Key words 】MR damper；Magneto-rheological(MR)fluids；magnetic circuit design；AutoCAD；UG目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)前言 (1)第一章概论 (2)1.1引言 (2)1.2 国内外研究现状 (2)1.3汽车减振器的技术简介 (4)1.4汽车磁流变阻尼器发展现状 (7)1.5研究的意义与主要内容 (9)第二章磁流变液材料及其性能 (10)2.1磁流变液的组成 (10)2.1.1磁性颗粒 (10)2.1.2基础液 (10)2.1.3添加剂 (11)2.2磁流变效应及其主要特征 (12)2.3磁流变液的主要性能 (13)2.4本章小结 (16)第三章汽车磁流变阻尼器的设计 (17)3.1阻尼器的基本结构参数尺寸选择 (17)3.2磁路设计 (17)3.2.1磁路设计步骤 (18)3.2.2磁芯材料的特性分析 (18)3.2.3磁性材料的选择 (20)3.3阻尼器零件结构参数 (23)3.4磁流变阻尼器立体建模 (27)3.5影响磁流变阻尼器工作性能的主要因素 (30)3.6本章小结 (33)第四章结论与展望 (34)4.1结论 (34)4.2工作展望 (34)参考文献 (35)谢辞 (36)前言车辆悬架系统的主要功能之一是提供支撑、有效地隔离路面引起的振动和冲击。
目前有3种车辆悬架系统:被动悬架系统，主动悬架系统和半主动悬架系统。
由被动弹簧和可调节阻尼力的主动减振器所组成的半主动悬架系统，以其价格低廉、制造工艺相对简单、减震效果较好，正逐渐成为现代汽车悬架系统的发展方向。
可调节阻尼力的主动减振器中最有代表性的磁流变减振器可以凭借磁流变阻尼器等重要组成部件根据不同路况，实行连续可调，改变阻尼刚度，总能使汽车的舒适性和操作稳定性的综合性能达到最佳，因此，对磁流变阻尼器的研究具有很大的实用意义。
磁流变阻尼器是一种以磁流变体这种新型的智能材料作为阻尼器的工作液，并在阻尼器的活塞轴上缠绕电磁线圈，线圈产生的磁场作用于磁流变液，通过控制电磁线圈电流的大小来改变磁流变体的粘度，达到阻尼力可调的装置。
它具有结构简单、体积小、能耗低、响应速度快、阻尼力连续可调、易于与计算机控制相结合等优点。
根据磁流变液在阻尼器中的受力状态和流动形式的不同，磁流变阻尼器可分为流动模式、剪切模式、挤压模式以及这三种基本模式的任意组合。
本文主要工作内容如下：(1)介绍了磁流变液材料的组成、磁流变液效应及其主要特征和磁流变液的主要性能；(2)根据阻尼力的要求和机械设计基本理论，确立了磁流变阻尼器的基本结构参数尺寸及主要部件材料的选用，并以此为基础进行了磁路设计，得出了活塞的磁路结构；(3)根据计算得出的结构参尺寸数，应用AutoCAD制图软件，画出汽车磁流变阻尼器的装配图；(4)应用UG三维建模软件，建立磁流变阻尼器的三维立体模型；(5)分析影响磁流变阻尼器工作性能的主要因素。
第一章概论1.1 引言在工程技术中，机器的振动是一种普遍存在而且正日益受到人们关注的现象。
在车辆上产生的振动，主要是由于车辆行驶中路面的不平坦，导致作用于车轮上的垂直反力(支承力)、纵向反力(牵引力和制动力)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。
这些振动与冲击会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，减振性能的好坏成为车辆在市场竞争中的一个重要指标。
减振器是车辆减振的主要部件，因此，减振器的研究对车辆有着重要的意义。
磁流变液主要是由非导磁性液体和均匀分散于其中的高磁导率、低磁滞性的微小磁性颗粒组成。
其流变特性随外界磁场变化而急剧变化，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1ms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，具有一定的抗剪屈服应力，且其屈服应力随外界磁场的增加而增加。
磁流变液的这种力学特性使其能应用在汽车、机械、医疗等各个领域。
汽车磁流变阻尼器是利用磁流变液的流变特性和机械设计方法相结合而设计开发的新型阻尼器。
这种阻尼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阻尼器，本文将磁流变液的力学特性和机械设计的方法结合起来，进行了磁流变阻尼器的磁路设计和结构设计。
1.2 国内外研究现状磁流变液(Magneto-rheological Fluid，简称MRF)最早是由美国国家标准局发明和研制的。
由于与在电场作用下同样可以产生流变效果的电流变液相比，MRF 存在悬浮稳定性差，应用装置磁路设计复杂的缺点，磁流变液在20世纪80年代中期之前没得到应有的关注。
从20世纪80年代中后期开始，由于流变后的电流变液的剪切屈服强度太低(仅有几千帕)的“瓶颈”始终无法突破，磁流变液的研究才真正得到开展在随后的几十年里，磁流变液及其相关的装置的研究取得了惊人的进展，不仅研制成功了剪切屈服强度可达100 kPa、性能稳定的磁流变液，而且相关应用也扩展到了阀门、密封、自动化仪表、传感器、研磨(抛光)及车辆、机械和设备减振等领域。
特别是磁流变液阻尼器，因其具有能耗低、出力大、响应速度快、结构简单、阻尼力连续顺逆可调，并可方便地与微机控制结合等优良特点，已经成为新一代高性能和智能化的减振装置，并已经得到了初步的应用，展现出良好的应用前景。
进入20世纪90年代，磁流变液的研究重新焕发了生机，特别是自1995年起，两年一届的国际电流变液会议也易名为国际电流变液与磁流变液会议，促进了磁流变液的研究和开发。
美国Lord材料公司的研究人员在磁流变液及应用研究方面取得了突出成果，如Carson等人对磁流变器件进行了研究，并申请了磁流变阻尼器及减振器、制动器等的多项专利，该公司研究出的产品性能卓越，其应用也非常广泛，如图1.1所示。
（a）磁流变阻尼器（b）磁流变制动器（c）触觉型反馈装置（d）车辆控制系统产品（e）磁流变设备控制器图1.1 Lord公司生产的磁流变产品美国David等人研究了用于重型卡车的磁流变阻尼器的性能；美国Exxon 工程研究公司的Rosensweig等人研究了磁流变液的静态屈服应力；Laun等人研究了磁流变液的剪切流动；法国Nice大学Cutillas和Bossis等人对磁流变液的物理机制进行了分析。
美国德尔福公司推出了磁流变液减振器(Delphi MagneRide)，其中指出，在磁流变液(MR)的半主动悬架系统中，磁流变液(MR流体)这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的流体特性，而在强磁场作用下，呈现了高粘度、低流动性的特性，磁流变液属可控流体，是瞬间的、可逆的，而且其磁流变后的剪切强度和磁场强度具有稳定的对应关系。
