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大學(xué)..學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書
題 目： 磁流變減振器設(shè)計分析
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 號： ..
姓 名： ..
指導(dǎo)教師： ..
完成日期： 2012-5-17
目錄
第一章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3 汽車減振器的技術(shù)簡介 3
1.4 研究的目的和意義 5
1.5 研究的主要內(nèi)容 5
第二章 磁流變液材料及其性能 6
2.1 磁流變液的組成 6
2.1.1磁性顆粒 6
2.1.2基礎(chǔ)液 6
2.1.3添加劑 7
2.2 磁流變效應(yīng) 8
2.2.1磁流變效應(yīng)的特征 8
2.2.2磁流變效應(yīng)的機(jī)理 9
2.2.3磁流變液的鏈化模型 9
2.2.4影響磁流變效應(yīng)的因素 10
2.3 磁流變液的主要性能 12
2.3.1流變力學(xué)性能 12
2.3.2磁學(xué)特性 13
2.3.3摩擦特性 13
2.3.4磁流變液的穩(wěn)定性 14
2.3.5磁流變液的粘度 14
2.3.6磁流變液的密度 14
2.3.7溫度的影響 15
2.3.8響應(yīng)時間 16
2.3.9磁流變液的壽命 16
2.4 5種常用的磁流變液材料 16
第三章 磁流變減振器理論分析設(shè)計 21
3.1 磁流變減振器技術(shù)要求和工作原理 21
3.2減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)初步確定 22
3.3 影響阻尼力的參數(shù)分析 23
3.4減振器零件結(jié)構(gòu)參數(shù) 24
3.5磁路設(shè)計 25
3.6減振器零件材料選擇 26
3.3.1活塞桿和缸筒的材料選擇 27
3.3.2活塞的材料選擇 27
3.3.3磁流變液的材料選擇 28
總結(jié) 32
參考文獻(xiàn) 33
致謝 34
磁流變減振器設(shè)計及分析
摘要 磁流變液是可磁極化的固體微顆粒在基液中形成的懸浮液，其流變特性可由外加磁場連續(xù)控制。在不加磁場時，它表現(xiàn)為牛頓流體；在外加磁場作用下，磁流變液能夠在 1ms 內(nèi)快速、可逆地由流動性良好的牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)楦哒扯?、低流動性的賓漢塑性固體，具有一定的抗剪屈服應(yīng)力，且其屈服應(yīng)力隨外界磁場的增加而增加。
基于磁流變液的流變特性，結(jié)合機(jī)械設(shè)計的方法，分析了磁流變液在減振器間隙中的流動情況，建立了磁流變減振器的設(shè)計理論和方法。
本文的主要研究工作如下：
(1) 介紹了磁流變液材料的組成、磁流變液效應(yīng)、磁流變液的主要性能和五種常用的磁流變液材料及其性能。
(2) 根據(jù)阻尼力的要求，確立了減振器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了磁路設(shè)計，得出了活塞的長度尺寸。
combined with the method of Machine design
Abstract Magnetorheological (MR) fluids are suspensions of micron-sized, magnetizable particles in a carrier fluid such as synthetic oil and silicone oil, which are regarded as the intelligent materials that respond to an applied magnetic field with a change in their rheological properties. In the absence of an applied magnetic field, MR fluids exhibit Newtonian-fluid-like behavior. Upon application of a magnetic field, MR fluids can change from Newtonian fluids to Bingham plastic solids of high viscosity and low flow momently reversibly，which have a certain yield stress, and it increase with the magnetic field strength increasing.
Base on the rheological properties of MR fluids, combined with the method of Machine design, the gap' flow state of shock absorber is analysed.
The main research of the paper are as follows:
(1) Constitute of MR fluids , MR effect, the main performance and five kinds of MR fluids and performance are introduced.
(2)Base on damping force' requirement, the basic structural parameter and dimension are confirmed, and base on it, magnetic back track is designed, the length of piston is gained.
34
第一章 緒論
1.1 引言
在工程技術(shù)中，機(jī)器的振動是一種普遍存在而且正日益受到人們關(guān)注的現(xiàn)象。在車輛上產(chǎn)生的振動，主要是由于車輛行駛中路面的不平坦，導(dǎo)致作用于車輪上的垂直反力(支承力)、縱向反力(牽引力和制動力)和側(cè)向反力起伏波動，通過懸架傳遞到車身，從而產(chǎn)生振動與沖擊。這些振動與沖擊會嚴(yán)重影響車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性以及車輛零部件的疲勞壽命，減振性能的好壞成為車輛在市場競爭中的一個重要指標(biāo)。減振器是車輛減振的主要部件，因此，減振器的研究對車輛有著重要的意義。
磁流變液（Magneto rheological Fluid , 簡稱MR流體）屬可控流體，是智能材料中研究較為活躍的一支。磁流變液是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的懸浮體。 這種懸浮體在零磁場條件下呈現(xiàn)出低粘度的牛頓流體特性；而在強(qiáng)磁場作用下，則呈現(xiàn)出高粘度、低流動性的Bingham體特性。由于磁流變液在磁場作用下的流變是瞬間的、可逆的、而且其流變后的剪切屈服強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度具有穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，因此是一種用途廣泛、性能優(yōu)良的智能材料。
汽車磁流變減振器是利用磁流變液的流變特性和機(jī)械設(shè)計方法相結(jié)合而設(shè)計開發(fā)的新型減振器。這種減振器的力學(xué)特性可由外加磁場連續(xù)控制。為了開發(fā)這種磁流變減振器，本文將磁流變液的力學(xué)特性和機(jī)械設(shè)計的方法結(jié)合起來，分析了磁流變液在減振器間隙中的流動情況，建立了磁流變減振器的設(shè)計理論與方法。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
磁流變液(Magneto rheological Fluid，簡稱 MRF)最早是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)明和研制的。由于與在電場作用下同樣可以產(chǎn)生流變效果的電流變液相比，MRF 存在懸浮穩(wěn)定性差，應(yīng)用裝置磁路設(shè)計復(fù)雜的缺點，磁流變液在 20 世紀(jì) 80 年代中期之前沒得到應(yīng)有的關(guān)注。從 20 世紀(jì) 80 年代中后期開始，由于流變后的電流變液的剪切屈服
強(qiáng)度太低(僅有幾千帕)的“瓶頸”始終無法突破，磁流變液的研究才真正得到開展。
在隨后的幾十年里，磁流變液及其相關(guān)的裝置的研究取得了驚人的進(jìn)展，不僅研制成功了剪切屈服強(qiáng)度可達(dá) 100 kpa、性能穩(wěn)定的磁流變液，而且相關(guān)應(yīng)用也擴(kuò)展到了閥門、密封、自動化儀表、傳感器、研磨(拋光)及車輛、機(jī)械和設(shè)備減振等領(lǐng)域。特別是磁流變液阻尼器，因其具有能耗低、出力大、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、阻尼力連續(xù)順逆可調(diào)，并可方便地與微機(jī)控制結(jié)合等優(yōu)良特點，已經(jīng)成為新一代高性能和智能化的減振裝置，并已經(jīng)得到了初步的應(yīng)用，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。
進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代，磁流變液的研究重新煥發(fā)了生機(jī)，特別是自 1995 年起，兩年一屆的國際電流變液會議也易名為國際電流變液與磁流變液會議，促進(jìn)了磁流變液的研究和開發(fā)。美國 Lord 材料公司的研究人員在磁流變液及應(yīng)用研究方面取得了突出成果，如 Carson 等人對磁流變器件進(jìn)行了研究, 并申請了磁流變阻尼器及減振器、制動器等的多項專利，該公司研究出的產(chǎn)品性能卓越，其應(yīng)用也非常廣泛。
美國 David等人研究了用于重型卡車的磁流變阻尼器的性能；美國 Exxon 工程研究公司的 Rosensweig等人研究了磁流變液的靜態(tài)屈服應(yīng)力；Laun等人研究了磁流變液的剪切流動；法國 Nice 大學(xué) Cutillas和 Bossis等人對磁流變液的物理機(jī)制進(jìn)行了分析。
美國德爾福公司推出了磁流變液減振器(Delphi MagneRide)，其中指出，在磁流變液(MR)的半主動懸架系統(tǒng)中,磁流變液(MR 流體)這種懸浮體在零磁場條件下呈現(xiàn)出低粘度的流體特性，而在強(qiáng)磁場作用下,呈現(xiàn)了高粘度、低流動性的特性，磁流變液屬可控流體，是瞬間的、可逆的，而且其磁流變后的剪切強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度具有穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系。這種磁流變液減振器已用在凱迪拉克 STS 轎車上。近年來，國內(nèi)對磁流變液的研究也取得了一些成果。重慶大學(xué)的常建、彭向和司鵠等人研究了磁流變液流變特性的測試方法，李海濤等人研究了磁流變液的屈服應(yīng)力，廖昌榮等人對用于微型汽車的磁流變阻尼器的設(shè)計原理、方法及實驗進(jìn)行了研究，黃金等人研究了磁流變液在制動器、離合器中的應(yīng)用，建立了磁流變制動器的設(shè)計方法；上海交通大學(xué)何亞東、西安交大倪建華等人研究了磁流變阻尼器在車輛懸架控制中的應(yīng)用，佛山大學(xué)旺曉建研究了支承在磁流變液阻尼器和滑動軸承上的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在振動主動控制過程中的運動穩(wěn)定。
姚喆赫等介紹了磁流變液的特性及磁流變減振器的工作原理,結(jié)合國內(nèi)外最新研究成果,綜述了用于汽車懸架的 ME 減振器的結(jié)構(gòu)形式、仿真模型、控制方法和測試技術(shù),并對今后的研究工作重點進(jìn)行了探討。
傅宇雁等主要介紹了磁流變減振器中磁流變阻尼器的工程應(yīng)用,分析磁流變阻尼器的力學(xué)模型及其特征。
呂振華等分析了汽車乘坐舒適性、行駛平順性和操縱穩(wěn)定性對筒式液阻減振器特性的要求,指出汽車在不同行駛工況下對減振器特性的要求是不同的;分析了被動式減振器的發(fā)展歷程及非充氣和充氣減振器的特點,闡述了機(jī)械控制式可調(diào)阻尼減振器、電子控制式減振器以及電流變和磁流變減振器等的結(jié)構(gòu)特點、工作原理及其動態(tài)特性；分析了筒式液阻減振器基于經(jīng)驗設(shè)計、實驗修正開發(fā)方法的缺點,闡述了基于CAD/CAE 技術(shù)的現(xiàn)代設(shè)計開發(fā)方法的過程及其關(guān)鍵問題；最后分析了我國筒式液阻減振器技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及問題,展望了減振器技術(shù)的發(fā)展前景。
磁流變液的最終目標(biāo)是達(dá)到商業(yè)使用化程度，國內(nèi)磁流變液減振器的研究還處于起步階段，很多相關(guān)理論還不成熟，如其復(fù)雜的非線性行為還有待進(jìn)一步研究。
1.3 汽車減振器的技術(shù)簡介
為加速車架與車身振動的衰減，以改善汽車行駛的平順性，在大多數(shù)的懸架系統(tǒng)內(nèi)部裝有減振器。
減振器大體上可分為兩大類，即摩擦式減振器和液力減振器。
顧名思義，摩擦式減振器利用兩個緊壓在一起的盤片之間的相對運動時摩擦力提供阻尼。由于庫侖摩擦力隨相對運動速度的提高而減小，并且很容易受油、水等的影響，無法滿足平順性的要求，因此雖然具有質(zhì)量小、造價低、易調(diào)整等優(yōu)點，但現(xiàn)代汽車上已不再使用這種減振器。
液力減振器首次出現(xiàn)在 1901 年，其兩種主要的結(jié)構(gòu)形式分別為搖臂式和筒式。與筒式液力減振器相比，搖臂式液力減振器的活塞行程要短得多，因此其工作油壓可高達(dá) 15~30 MPa,而筒式減振器只有 2.5~5 MPa。筒式減振器的質(zhì)量僅為擺臂式的約1/2，并且制造方便，工作壽命長，因而現(xiàn)代汽車幾乎都采用筒式減振器。筒式減振器最常用的 3 種結(jié)構(gòu)形式包括：雙筒式、雙筒充氣式和單筒充氣式。
另外還有金屬彈簧減振器、橡膠或粘彈材料減振器、空氣彈簧減振器。
金屬彈簧減振器的特點是承載能力高、彈性好，變形量大，剛度小，耐腐蝕，耐高溫，固有頻率可設(shè)計到 5 HZ 以下。主要缺點是阻尼系數(shù)小，共振區(qū)傳遞率大，重量大，體積也較大。
粘彈材料減振器常由粘彈材料與金屬結(jié)構(gòu)組成，它的特點是取型和制造比較方便，可以根據(jù)需要任意選擇三個相互垂直方向的剛度；有較大的阻尼，對高頻振動能量的吸收尤其有效；粘彈材料密度小，此類減振器重量輕。此類減振器最低固有頻率5~6 Hz，共振時的傳遞率也低。主要缺點是承載能力低，阻尼特性隨環(huán)境條件（特別是溫度）的變化有一定的變化。
庫侖摩擦阻尼減振器是用機(jī)械摩擦產(chǎn)生阻尼作用，它包括金屬絲網(wǎng)減振器。此類減振器能適合惡劣的工作環(huán)境，可以獲得較低的共振傳遞率和固有頻率。主要缺點是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積和重量較大，技術(shù)難度較大。
氣液彈簧減振器：它是一種帶有液壓阻尼的氣體彈簧，是以油液傳遞壓力，而用氣體作為彈性介質(zhì)的彈性元件。雖然氣液減振器有單向閥、調(diào)節(jié)流閥和蓄能器作為輔助裝置，在一定程度上可改變氣液減振器的剛度，起到減振的效果。另一方面，路面激勵的機(jī)械能經(jīng)小孔節(jié)流后轉(zhuǎn)化為熱能，從而使氣液減振器內(nèi)的油液溫度上升，進(jìn)而引起油液粘度發(fā)生改變，導(dǎo)致阻尼作用的下降，不利于減振。最為根本的是氣液彈簧的阻尼孔是不變的，只有通過更換阻尼孔，才能獲得不同的減振性能，滿足車輛的不同要求。因此，油氣懸架系統(tǒng)對不同路況的適應(yīng)能力雖較傳統(tǒng)的被動懸架有所提高，但仍存在著不足，有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善。
可見雖然單筒充氣式液力減振器，氣液彈簧減振器等都具有很好的減振效果，但它們?nèi)圆荒苓m應(yīng)各種不同的路況，而磁流變減振器根據(jù)不同路況，實行連續(xù)可調(diào)，改變阻尼剛度，總能使汽車的舒適性和操作穩(wěn)定性的綜合性能達(dá)到最佳，因此，對磁流變減振器的研究具有很大的實用意義。本文結(jié)合磁流變液的性能，參照單筒充氣式減振器對磁流變減振器進(jìn)行了設(shè)計分析。
1.4 研究的目的和意義
本課題基于磁流變液的性能，結(jié)合汽車磁流變減振器的工作原理，確定磁流變減振器的流動間隙和活塞的長度尺寸，為汽車磁流變減振器提供理論依據(jù)和設(shè)計方法。
1.5 研究的主要內(nèi)容
(1) 介紹了磁流變液材料的組成、磁流變液效應(yīng)、磁流變液的主要性能。
(2) 根據(jù)阻尼力的要求，確立了減振器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了磁路設(shè)計。
（3）根據(jù)減振器一般結(jié)構(gòu)尺寸，畫出磁流變減振器結(jié)構(gòu)裝配圖。
第二章 磁流變液材料及其性能
2.1 磁流變液的組成
磁流變液主要由磁性顆粒、基礎(chǔ)液和添加劑三部分組成。
2.1.1磁性顆粒
磁性顆粒的關(guān)鍵問題是顆粒的制作，目前磁性顆粒制造的主要方法有：共沉法、熱分解法、超聲分解法和沉積法等。
磁性顆粒一般呈球狀，直徑尺寸在 1~10μm 左右，一般選擇羥基鐵粉，羥基鐵通過分解 Fe(Co)5而得到，這樣可以使生產(chǎn)出的球型微粒不致減少，且效果不錯。該微粒性能穩(wěn)定，可以壓縮。在外加磁場作用下，磁流變液中的磁性顆粒產(chǎn)生鏈化作用，是磁流變液產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的核心。
根據(jù)磁流變效應(yīng)機(jī)理研究結(jié)論，磁性顆粒具有以下特點：
① 通常磁性顆粒的所用的磁性材料都屬于鐵、鈷、鎳等材料；
② 磁性顆粒的材料的飽和磁化為 0.21~0.24 Tesla；
③ 磁性顆粒的形狀為球形，直徑一般為10-7 ~ 10-5m；
④ 磁性顆粒的體積分?jǐn)?shù)一般為 10%~40%。
2.1.2基礎(chǔ)液
基礎(chǔ)液是磁流變液中磁性顆粒的載體，其作用是將顆粒均勻地分散在液體中，以使磁流變液在零磁場時，具有牛頓流體的特性，而在外加磁場時又具有粘塑性流體的特性。選擇基礎(chǔ)液要根據(jù)它的流變特性、摩擦特性和溫度變化時的穩(wěn)定性，常用的基礎(chǔ)液有礦物油、硅油、合成油和水等。Ashour等人用 Mobil 公司生產(chǎn)的合成潤滑油，Park等人將羰基鐵分散在以水和油混合乳劑為載體，油是礦物油，這種磁流變液的穩(wěn)定性提高了，又具有較好的流變特性。美國 Lord 公司已有商品化磁流變液產(chǎn)品上市，如型號為 MRF-132DG，MRF-241ES 和 MRF-336AG，這 3 種磁流變液的基礎(chǔ)液分別為碳?xì)浠衔?、水和硅油?
2.1.3添加劑
為改善磁流變液的性能而加入添加劑，如增強(qiáng)磁流變效應(yīng)的表面活性劑，防止零磁場時顆粒凝聚的分散劑和防止顆粒沉淀的穩(wěn)定劑。
Polunina等人用長度為0.2~0.6μm針狀的γ-Fe2O3粉末和納米量級的金屬鎳粉末作為附加的磁性分散相加入到磁流變液中，以增強(qiáng)表面的吸附能力。Shimada等人研究了一種磁復(fù)合流體(Magnetic Compound Fluid)，它是由直徑為 1 nm 的磁微顆粒涂上油酸后，與直徑為 1.2~1.6μm 鐵微顆粒一起容于煤油而制成；在外加磁場作用下，MCF 的流動特性介于磁流體與 MRF 之間，保持了 MRF 的較高動態(tài)屈服應(yīng)力和表觀粘度，而在零磁場作用時，又提高了穩(wěn)定性。Wilson，Shiga等人分析了由聚亞安酯和硅樹脂聚合凝膠體組成的磁流變聚合凝膠體的流變特性和力學(xué)性能。外加磁場作用時，磁流變類固體材料會固化，隨著外加磁場強(qiáng)度的增加，磁流變效應(yīng)增強(qiáng)；Kordowsky將鐵和γ-Fe2O3基液混合后，磁流變液的剪切應(yīng)力比僅用純鐵時高4 倍。
利用下列方法之一可以確保磁流變液的穩(wěn)定性：
(a) 粗分散小體積分?jǐn)?shù)(<10%)的 MRF 可通過引入凝膠形成的附加劑，即在鐵磁顆粒外表面形成保護(hù)性的膠體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)穩(wěn)定化。該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)能阻止磁性顆粒的沉降和凝聚。此外，該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也應(yīng)能承受在外磁場中的可逆觸變轉(zhuǎn)變而不致破壞。作為這種穩(wěn)定劑的一個例子可使用包含有超細(xì)顆粒的無定形硅粉即硅凝膠。該粉末有一個大的表面積(100~300 m2/g)。每個顆粒是高度多孔的且包含有可吸收大量液體或蒸汽的孔面積。鐵磁分散顆粒在力學(xué)上可通過硅凝膠的表面結(jié)構(gòu)來支撐且可均勻分散在載液中。
(b) 細(xì)分散高體積分?jǐn)?shù)(25%左右)的 MRF 可通過引入表面活性劑促使鐵磁顆粒形成凝膠的空間結(jié)構(gòu)從而實現(xiàn)穩(wěn)定化。離子鍵的表面活性劑(如油酸)可用來實現(xiàn)團(tuán)聚穩(wěn)定。
2.2 磁流變效應(yīng)
2.2.1磁流變效應(yīng)的特征
磁流變效應(yīng)是指磁流變液在磁場作用下，流體的表觀粘度發(fā)生了巨大的變化，甚至在磁場強(qiáng)度達(dá)到某一臨界值時，流體停止流動而達(dá)到固化，并具有一定的抗剪切能力，還表現(xiàn)出固體所特有的屈服現(xiàn)象。磁流變效應(yīng)作為一種特殊的物理現(xiàn)象，一般具有以下特征：
1) 外加磁場的作用下，磁流變液的表觀粘度可隨磁場強(qiáng)度的增大而增大，甚至在某一種磁場強(qiáng)度下，停止流動或固化，但當(dāng)外加磁場撤除后，磁流變液又恢復(fù)到原始的粘度，即在外加磁場作用下，磁流變液可在液態(tài)和固態(tài)之間轉(zhuǎn)換。
2) 在外加磁場的作用下，磁流變液由液態(tài)至固態(tài)之間轉(zhuǎn)換是可逆的。
3) 在外加磁場作用下，磁流變液的屈服強(qiáng)度隨磁場強(qiáng)度的增大而增大，直至固體顆粒達(dá)到磁飽和后趨向于某一穩(wěn)定值。
4) 在外加磁場作用下，磁流變液的表觀粘度和屈服應(yīng)力隨磁場強(qiáng)度的變化是連續(xù)的和無級的。
5) 在外加磁場作用下，磁流變液的表觀粘度和屈服強(qiáng)度隨磁場強(qiáng)度的變化是可控的，這種控制可以是人控的或自動的。
6) 磁流變效應(yīng)的控制較簡單，它只需要應(yīng)用一個極易獲得的磁場強(qiáng)度即可，可以利用磁感應(yīng)線圈通過調(diào)整電流大小來控制。
7) 磁流變效應(yīng)對磁場作用的響應(yīng)十分靈敏，一般其響應(yīng)時間為毫秒(ms)級。
8) 控制磁流變效應(yīng)的能量低，即液態(tài)和固態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換，不像物理現(xiàn)象中的相變要吸收或放出大量的能量。
磁流變效應(yīng)的上述特征是發(fā)展磁流變液在工程技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用的科學(xué)依據(jù)，在充分利用這些特征的基礎(chǔ)上，就能夠開發(fā)一系列性能優(yōu)良、價格低廉、有市場競爭能力的磁流變器件新產(chǎn)品。
2.2.2磁流變效應(yīng)的機(jī)理
在外加磁場作用下，磁流流體的磁極化是產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的原因。首先磁流變效應(yīng)是由磁場作用引起的，此外磁流變流體的變稠和產(chǎn)生抗剪屈服現(xiàn)象，也是由于磁場引起的作用力形成的。整個磁流變效應(yīng)的發(fā)生過程是：磁場作用下分散相顆粒發(fā)生磁極化→形成偶極子現(xiàn)象→帶有偶極矩的顆粒產(chǎn)生定向運動（伴隨著能耗）→顆粒在磁
力的作用下定向排列→顆粒從無序隨機(jī)狀態(tài)到有序化、成鏈、成束或形成某種結(jié)構(gòu)→對外呈現(xiàn)明顯的磁流變效應(yīng)（即表觀粘度增大、凝固以及呈現(xiàn)剪切屈服應(yīng)力）。在磁場作用下固體顆粒的磁極化是產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的主要因素。
2.2.3磁流變液的鏈化模型
磁流變液的鏈化過程
圖 2.2 磁流變液轉(zhuǎn)換過程
當(dāng)有外加磁場作用時，顆粒被產(chǎn)生有序化的運動，這種運動從顆粒磁極化一開始就產(chǎn)生，直至有序化運動終止，達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)，形成某種固定的結(jié)構(gòu)，即這些顆粒在磁場力作用下相互吸引，沿著磁場方向 H 形成鏈狀結(jié)構(gòu)，這一過程稱之為鏈化過程，如圖 2.2 所示，其中磁性顆粒被當(dāng)作一些剛性圓球。圖 2.2(a)表示無磁場作用時，顆粒無規(guī)律地分布在基礎(chǔ)液中，這種情況下的動態(tài)屈服應(yīng)力為零；圖 2.2(b)表示在外加磁場 H 作用下，顆粒磁極化后形成磁偶極子；圖 2.2(c)表示在中等磁場 H 作用下，磁流變液中的顆粒按序排列相接成鏈，磁流變液的表觀粘度增加；圖 2.2(d)表示在強(qiáng)磁場強(qiáng)度，磁鏈的數(shù)量增加，直徑變粗，磁流變液的動態(tài)屈服應(yīng)力和表觀粘度增大，對外所表現(xiàn)的剪切應(yīng)力增強(qiáng)；圖 2.2(e)表示當(dāng)撤除外加磁場時，磁流變液材料迅速復(fù)原，其響應(yīng)時間只有幾毫秒。
2.2.4影響磁流變效應(yīng)的因素
影響磁流變效應(yīng)強(qiáng)弱的主要因素有以下因素：
1) 外加磁場的磁場強(qiáng)度
在沒有外加磁場作用時，磁流變液無屈服應(yīng)力；在外加磁場作下，磁流變液具有一定的屈服應(yīng)力，并且屈服應(yīng)力隨外加磁場的增加而增加，這種現(xiàn)象被認(rèn)為是磁流變效應(yīng)的主要標(biāo)志。
2) 顆粒的磁飽和強(qiáng)度
擇高飽和磁化強(qiáng)度的懸浮相可提高屈服應(yīng)力。當(dāng)懸浮相微粒磁化飽和后，剪切應(yīng)力隨磁場強(qiáng)度 的增大變緩。隨懸浮相體積分?jǐn)?shù)的增大，剪切應(yīng)力雖有較大幅度的增加，但同時會帶來零場粘度的增大，屈服應(yīng)力下降。
3) 磁流變液的磁化率
固體顆粒的磁化率是影響磁流變液剪切應(yīng)力的另一個重要影響因素，不同的顆粒材料具有不同的磁學(xué)特性，其在不同磁場強(qiáng)度下的磁化率也會不同，導(dǎo)致磁流變材料的宏觀特性也會不同。剪切應(yīng)力隨著磁化率的增加而增加，在磁化率較小時，增加的較快，在磁化率較大的情況下，增加的幅度不是很明顯。要得到具有良好磁流變效應(yīng)的磁流變液，應(yīng)該選用磁化率對磁場強(qiáng)度敏感的材料做懸浮相顆粒。
(4) 顆粒體積百分?jǐn)?shù)
固體顆粒的濃度對磁流變效應(yīng)有明顯的影響，隨著固體顆粒體積百分率的增大，相同磁場強(qiáng)度和剪應(yīng)變率所對應(yīng)的剪切應(yīng)力也相應(yīng)增大。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)體積百分?jǐn)?shù)大于 30%時，磁流變液易出現(xiàn)沉淀，將影響材料的磁流變效應(yīng)。
固體顆粒的濃度是指作為分散相的固體顆粒在磁流變液中所占的體積比。固體顆粒在磁場作用下磁極化，在兩極間形成貫通的磁鏈，當(dāng)固體顆粒數(shù)目較多時，更可在磁鏈基礎(chǔ)上集聚成柱或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而增加了磁流變液的粘度和阻力，甚至固化，具有明顯增強(qiáng)屈服應(yīng)力，亦即增強(qiáng)磁流變效應(yīng)。
體積百分?jǐn)?shù)越大，由于分散相的固體顆粒數(shù)目多，形成的磁鏈也多；同時，體系的相對磁導(dǎo)率和磁極化率就越大，其磁流變效應(yīng)就越強(qiáng)。因此，一般認(rèn)為體積百分率越大，則磁流變效應(yīng)越強(qiáng)。大量的實驗表明，為了獲得理想的磁流變效應(yīng)，體積百分率應(yīng)有一個合理的范圍。因為，當(dāng)體積百分率較低時，固體顆粒數(shù)目有限，在磁場作用下磁極化形成的磁鏈數(shù)目少，因而磁流變效應(yīng)不明顯。同時，體積百分率越低，進(jìn)入明顯磁流變效應(yīng)所需的場強(qiáng)越高，甚至達(dá)到固體顆粒磁飽和場強(qiáng)。因此，體積百分率不能過低，一般不小于 10%。此外，體積百分率也不能過高。因為，對于任何一個兩相的懸浮液來說，當(dāng)體積百分率過高時，會有一個結(jié)構(gòu)上的突變，即由無序的固體顆粒逐步形成一種三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，液體終止流動呈現(xiàn)固化特征，且伴隨粘度和剪切屈服應(yīng)力的增加。磁流變流體也具有這一特性，即在零磁場時，當(dāng)體積百分率達(dá)到某一數(shù)值，固體顆粒也形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)固化狀態(tài)。如果作用一個外加磁場，一般不會出現(xiàn)固體顆粒重新成鏈和成網(wǎng)的現(xiàn)象，只是可以強(qiáng)化已有的結(jié)構(gòu)，因此磁流變效應(yīng)不是很明顯。此外，即使外加磁場使磁流變效應(yīng)有所增加，當(dāng)零場時就有了較高的表觀粘度和剪切屈服應(yīng)力，在外加磁場作用下，粘度和剪切屈服應(yīng)力的變化幅度將很低，對要求有較大調(diào)節(jié)應(yīng)力和粘度范圍的工程應(yīng)用項目是不利的。其次，體積百分率過大，磁流變液易出現(xiàn)嚴(yán)重的沉淀和板結(jié)，這將影響磁流變流體的工作效率。大量的實驗表明，體積百分率的最佳范圍大致在 15%~30%之間。
5) 溫度
溫度對磁流變液的影響主要來自兩個方面，即溫度對顆粒熱運動的影響和溫度對磁性顆粒磁極化（主要是磁極化率）的影響。溫度的升高對磁流變效應(yīng)是增強(qiáng)還是減弱，主要決定這兩方面的影響孰強(qiáng)孰弱。溫度越高，顆粒的布朗運動越劇烈，顆粒在外加磁場作用下的成鏈越困難，磁流變效應(yīng)就會減弱。此外，對液體本身而言，其粘度隨溫度升高而有一定程度的降低。實驗研究證明，屈服應(yīng)力在溫度 20～150 ℃范圍內(nèi)變化很小。
6) 可磁極化顆粒和穩(wěn)定劑
優(yōu)良的磁流變液在零磁場條件下的粘度較小，具有良好的流動性，這就要求顆粒在磁流變液中的比例不能太大；而另一方面，磁流變液在一定的磁場下應(yīng)具備良好的磁流變效應(yīng)，這就要求可磁極化顆粒在磁流變液中的比例應(yīng)盡可能大。
穩(wěn)定劑增大了磁流變液的粘度，有助于克服可磁極化微粒的沉積，穩(wěn)定劑對不同基礎(chǔ)液的親和性是不同的。因此，用不同基礎(chǔ)液配制磁流變液必須考慮穩(wěn)定劑的比例。一般，采用預(yù)處理的可磁極化微粒來配制磁流變液已使分散相的不穩(wěn)定性有所改善，穩(wěn)定劑的比例應(yīng)相應(yīng)減少，磁流變液的零磁場粘度下降。
2.3 磁流變液的主要性能
磁流變液是一種性能特殊的流體，研究磁流變液的性能及其影響因素對于磁流變液在工程中的應(yīng)用具有重要意義。所以，本文主要針對磁流變液的工程應(yīng)用來描述其性能。
2.3.1流變力學(xué)性能
不加磁場時，多數(shù)磁流變液表現(xiàn)出類似牛頓流體行為，其本構(gòu)方程可以描述為：
τ = ηγ
式中, τ 是磁流變液的剪切應(yīng)力，η是零磁場時磁流變液的粘度，γ 是磁流變液的剪切應(yīng)變率。
對剪切流動和壓力驅(qū)動流動外加磁場時，磁流變液表現(xiàn)出賓漢塑性體的行為，其本構(gòu)方程可以描述為：
τ = τy(H)+ηγ, τ ≥ τy(H)
γ =0, τ ≤τy（H）
式中, τy(H) 是磁流變液的動態(tài)屈服應(yīng)力，它隨外加磁場強(qiáng)度H變化。賓漢模型表明：在零磁場時，磁流變液表現(xiàn)為牛頓流體；在外加磁場時，磁流變液表現(xiàn)為賓漢流體。當(dāng)磁流變液的剪切應(yīng)力超過其屈服應(yīng)力時，磁流變液又以零磁場的粘度流動；當(dāng)磁流變液的剪切應(yīng)力小于其屈服應(yīng)力時，磁流變液類似固體運動。
2.3.2磁學(xué)特性
當(dāng)外加磁場強(qiáng)度很小時,磁流變液近似表現(xiàn)出線性介質(zhì)的磁特性, 在這一區(qū)域，磁化強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度成正比，其關(guān)系可以表示為：
M=χ0H
式中，M 為磁化強(qiáng)度，χ0是磁流變液的磁化率，它是一個無量綱的純數(shù)，χ0與溫度有關(guān)，常隨溫度的升高而減小，H 為磁場強(qiáng)度。隨著外加磁場強(qiáng)度的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度也迅速增加，磁流變液逐步達(dá)到磁飽和，在這一區(qū)域，磁化強(qiáng)度可以表示為：
M=B/μ0-H=（μr-1）H
式中，B 是磁感應(yīng)強(qiáng)度， B=μ0μrH，這里μ0是磁流變液的真空磁導(dǎo)率，μr是相對磁導(dǎo)率，它是磁場強(qiáng)度和體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)，μr=μr ( H,φ)，μr 可以從磁流變液的實驗磁化曲線中查到。隨著外加磁場強(qiáng)度的進(jìn)一步增加，磁流變液達(dá)到完全磁飽和。
磁流變液的磁化曲線表現(xiàn)為：當(dāng)磁場強(qiáng)度增加時，磁化強(qiáng)度先是迅速增加，然后是緩慢增加，最終達(dá)到飽和磁化強(qiáng)度。
2.3.3摩擦特性
磁流變液在本質(zhì)上是磨料，磨料影響磁性顆粒的耐久性取決于液體成分和磁流變裝置。Jolly等人分析了美國 Lord 材料公司生產(chǎn)的 5 種商用磁流變液材料與磁流變裝置表面的滑動摩擦系數(shù)的數(shù)值，磁流變液的滑動摩擦特性與滑動速度和磁流變液厚度有關(guān)。Wong分析了磁流變液的摩擦特性，發(fā)現(xiàn)隨著體積百分?jǐn)?shù)的增加，摩擦系數(shù)增加。
2.3.4磁流變液的穩(wěn)定性
影響磁流變液性能不穩(wěn)定的因素是顆粒沉淀，由于顆粒的密度大于載體的密度，顆粒會在磁流變液中產(chǎn)生沉淀，嚴(yán)重影響磁流變液的磁流變效應(yīng)。
在沒有磁場作用時，磁流變液中的磁性固體顆粒在重力場作用下產(chǎn)生沉淀，可以看成一種低蕾諾數(shù)的圓球繞流。
Kordonski等人通過實驗證實了顆粒沉淀速度與顆粒直徑的平方成正比，減小顆粒尺寸可以增加磁流變液的穩(wěn)定性。
為了增加磁流變液的穩(wěn)定性，Carlson等人發(fā)現(xiàn)，添加具有防止顆粒沉淀的添加劑，采用復(fù)合材料制成的顆粒以保證其密度與載體相接近，這些方法可增強(qiáng)磁流變液的穩(wěn)定性能。磁性顆粒的尺寸也可以是納米量級的，如 Kormann等人研制出穩(wěn)定的納米量級磁性顆粒的磁流變液，也增強(qiáng)磁流變液的穩(wěn)定性能。
2.3.5磁流變液的粘度
零磁場時，假設(shè)磁流變液表現(xiàn)出牛頓流體的行為，粘度與剪應(yīng)變率無關(guān)；在低濃度時，磁流變液的粘度可用著名的愛因斯坦公式描述為：
η = η0（1+2.5φ）
式中，η為磁流變液零磁場時的粘度，η0為基礎(chǔ)液的粘度，φ 為顆粒的體積百分?jǐn)?shù)；在高濃度時，磁流變液的粘度可用 Vand 公式描述為：
η =η0exp[(2.5φ+2.7φ2)/(1-0.609φ)]
當(dāng)顆粒的體積百分?jǐn)?shù)小于 60％時，顆粒的體積百分?jǐn)?shù)對粘度的影響不大；當(dāng)顆粒的體積百分?jǐn)?shù)大于 60％時，顆粒的體積百分?jǐn)?shù)對粘度的影響很大。
2.3.6磁流變液的密度
磁流變液的密度是磁流變液應(yīng)用中的重要數(shù)據(jù)，可以用它來計算出磁流變液中磁性顆粒的含量。
磁流變液由磁性顆粒、基礎(chǔ)液、添加劑組成，Bednark認(rèn)為磁流變液的重量是由其各組成部分重量之和，由此可得磁流變液的密度ρ 為：
ρ = ρmφm+ρcφc+ρa(bǔ)φa
式中：ρm ，ρc ，ρa(bǔ) ，φm ，φc ，φa 分別是磁性顆粒、基礎(chǔ)液、添加劑的密度和體積百分?jǐn)?shù)。對以油為添加劑的磁流變液，密度ρc ≈ρa(bǔ)，上式可以表達(dá)為：
ρ =ρmφm+ρc（1-φm）
在已知磁流變液、磁性顆粒和基礎(chǔ)液的密度時，可以通過測量磁流變液的密度來確定磁性顆粒的體積百分?jǐn)?shù)。
2.3.7溫度的影響
1.磁流變液的粘度與溫度的關(guān)系
磁流變液的粘度與溫度的關(guān)系主要是由基礎(chǔ)液的性質(zhì)決定的。當(dāng)溫度升高時，液體分子的平均速度增大，而分子間的距離也增加，這樣就使得分子的動能增加，而分子間的作用力減小。因此，液體的粘度隨溫度的升高而下降，從而影響磁流變液的性能，特別是在高溫范圍，分析溫度對磁流變液的粘度的影響顯得很重要。
2. 磁流變液的密度與溫度的關(guān)系
溫度對磁流變液的密度的影響是由于熱膨脹造成體積增加，從而使密度減小。
3.磁流變液的靜態(tài)屈服應(yīng)力與溫度的關(guān)系
潘勝等人研究了羰基鐵磁流變液的靜態(tài)屈服應(yīng)力與溫度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)靜態(tài)屈服應(yīng)力具有對溫度的良好穩(wěn)定性，在不同的溫度(室溫到 150℃)時變化很小。雖然零場時磁流變液粘滯系數(shù)隨溫度的相對變化很大(變化趨勢主要由載液決定), 然而零場下的屈服應(yīng)力和外場中的屈服應(yīng)力相比是一個小量, 可以忽略不計。
4.工作溫度范圍
工作溫度范圍主要取決于載體，以水為載體的磁流變液的工作溫度范圍較窄，以硅油為載體的磁流變液的工作溫度范圍較寬。美國 Lord 公司生產(chǎn)的 5 種商用磁流變液中，MRF-132DG 和 MRF-140CG 其工作溫度范圍為-40~130℃，MRF-241ES 的基礎(chǔ)液為水，其工作溫度范圍為-10~70℃，MRF-336AG 的基礎(chǔ)液為硅油，其工作溫度范圍為-40~150℃。
2.3.8響應(yīng)時間
影響磁流變液產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的響應(yīng)時間主要因素有基礎(chǔ)液的粘度、顆粒體積分?jǐn)?shù)和磁場強(qiáng)度。以顆粒運動，聚集有序排列為基礎(chǔ)，基礎(chǔ)液粘度越大，顆粒運動阻力增加，流變時間延長；顆粒體積分?jǐn)?shù)越大，響應(yīng)時間越短；磁場強(qiáng)度越大，響應(yīng)時間越短。所以對于用不同配制方法制作出的磁流變液，其響應(yīng)時間是不一樣的，但都應(yīng)控制在毫秒級內(nèi)。磁流變減振器中磁流變液流道長度、間隙大小和磁路設(shè)計等都影響阻尼器的響應(yīng)時間。美國 Lord 公司 Carlson等人研制的商用磁流變減振器的響應(yīng)時間小于 10 ms。
2.3.9磁流變液的壽命
磁流變液經(jīng)長期使用后，性能會逐步退化，當(dāng)性能退化達(dá)到一定程度時，磁流變液就無法正常工作，甚至失效。磁流變液從投入工作到失效的整個時間，可以看作是磁流變液的壽命。
2.4 5種常用的磁流變液材料
通常磁性顆粒的所用的磁性材料都屬于鐵、鈷、鎳等材料；在人們所知道的大量磁性材料中，可供選擇用于制備磁流變液的卻只有少數(shù)幾種：γ -Fe2O3, CoFe2O4,NiFe2O4, Fe3O4, Ni, Co, Fe, FeCo 和 NiFe 合金等。在這些磁性材料中，只有Fe2O4, CoFe2O4, NiFe2O4氧化穩(wěn)定性較好。綜合各種因素，以鐵為主，鈷、鎳要少很多，故磁流變液在外磁場作用下，產(chǎn)生的磁滯回線狹窄，近似與基本磁化曲線重合，所以對于磁流變液的材料制作出一半，另一半近似中心對稱，也很容易得出磁性物質(zhì)所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強(qiáng)而無限增強(qiáng)。當(dāng)外磁場增大到一定值的時候，全部磁疇的磁場方向都轉(zhuǎn)向與外磁場
的方向一致，這時磁化磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 達(dá)到飽和值。這 5 種材料主要指：MRF-122-2ED，MRF-132DG，MRF-140CG，MRF-241ES，
MRF-336AG。
MRF-122-2ED
MRF-122-2ED 是以碳?xì)浠衔餅榛A(chǔ)液的磁流變液，它一般用在可控的、耗能的密封裝置方面，例如振動、阻尼和制動。
MRF-122-2ED 是由懸浮在基礎(chǔ)液上面的微米級磁性顆粒組成的一種懸浮液。在磁場力作用下，隨著磁場強(qiáng)度的增加，MRF-122-2ED 液體表現(xiàn)出可逆、瞬間由自由狀態(tài)轉(zhuǎn)化為半固體狀態(tài)的行為。改變磁場強(qiáng)度，可以使磁流變液的屈服強(qiáng)度精確地按比例地連續(xù)可控。
MRF-122-2ED 用在磁流變閥的模式上 (液體通過小孔流動)或者用于剪切模式（液體在兩個表面之間的剪切流動）上。當(dāng)沒有外磁場作用時，MRF-122-2ED 處于自由流動狀態(tài)；在磁場力作用下，磁性顆粒將沿著磁場方向成鏈狀排列，因此限制的磁流變液的間隙與磁流變液的屈服強(qiáng)度值成比例，其性能數(shù)據(jù)如表所示。
特性
大小 / 范圍
基礎(chǔ)液
碳?xì)浠衔?
應(yīng)用溫度范圍（℃）
-40~130
密度(g/cm3)
2.32~2.44
顏色
黑灰色
重量百分比(%)
72.00
40℃時的粘度 ( Pa s)
0.061±0.07
25℃時的比熱(J/g℃)
0.80
25℃時的導(dǎo)熱系數(shù)（W/m℃）
0.25~1.06
閃點（℃）
＞150
其特征和優(yōu)點為：
① 快速反應(yīng)時間—在磁場作用下瞬間反應(yīng)和可逆地改變。
② 動態(tài)屈服應(yīng)力—在磁場作用下提供很高的屈服強(qiáng)度，在磁場撤去時，表現(xiàn)出很低的屈服強(qiáng)度，且允許一個很大的控制范圍。
③ 溫度特性—在一個很大的溫度范圍內(nèi)工作，能滿足各種應(yīng)用的要求，例如汽車減振器。在很惡劣的條件下提供很高的阻尼力，又很容易再分散。
④ 無須研磨劑—無須研磨磁流變液的裝置。
⑤ 混合液體—在一般流動狀下，不易看到磁性顆粒和基礎(chǔ)液之間的分離。盡管如此，在靜態(tài)條件下也有一定程度的分離。如果需要，還可以用一個刷子攪拌器，重新分散顆粒進(jìn)入一個均勻狀態(tài)。
MRF-132DG
MRF-132DG 是以碳?xì)浠衔餅榛A(chǔ)液的磁流變液，它一般用在可控的、耗能的密封裝置方面，例如振動、阻尼和制動。其性能數(shù)據(jù)如下表所示。其他描述、特征和優(yōu)點同上。
特性
大小 / 范圍
基礎(chǔ)液
碳?xì)浠衔?
應(yīng)用溫度范圍（℃）
-40~130
密度(g/cm3)
2.98~3.18
顏色
黑灰色
重量百分比(%)
80.98
40℃時的粘度 ( Pa s)
0.092±0.015
25℃時的比熱(J/g℃)
0.80
25℃時的導(dǎo)熱系數(shù)（W/m℃）
0.25~1.06
閃點（℃）
＞150
MRF-140CG
MRF-140CG 是以碳?xì)浠衔餅榛A(chǔ)液的磁流變液，它一般用在可控的、耗能的密封裝置方面，例如振動、阻尼和制動。
MRF-140CG 磁流變液可用減振器、制動器、離合器、閥及彈性支座，其性能數(shù)據(jù)如下表所示。其他描述、特征和優(yōu)點同上。
特性
大小 / 范圍
基礎(chǔ)液
合成油
應(yīng)用溫度范圍（℃）
-40~130
密度(g/cm3)
3.54~3.74
顏色
黑灰色
重量百分比(%)
85.44
40℃時的粘度 ( Pa s)
0.28±0.007
25℃時的比熱(J/g℃)
0.71
25℃時的導(dǎo)熱系數(shù)（W/m℃）
0.28~1.28
閃點（℃）
＞150
MRF-241ES
MRF-241ES 是以硅油為基礎(chǔ)液的磁流變液，它一般用于控制裝置方面，例如解調(diào)器、玩具及彈性支座，其性能數(shù)據(jù)如下表所示。其他描述、特征和優(yōu)點同上。
特性
大小 / 范圍
基礎(chǔ)液
水
應(yīng)用溫度范圍（℃）
-10~70
密度(g/cm3)
3.8~3.92
顏色
黑灰色
重量百分比(%)
85.00
40℃時的粘度 ( Pa s)
0.13±0.03
25℃時的比熱(J/g℃)
0.94
25℃時的導(dǎo)熱系數(shù)（W/m℃）
0.85~3.68
閃點（℃）
＞93
MRF-336AG
MRF-336AG 是以硅樹脂為基礎(chǔ)液的磁流變液，它在溫度極限條件下，也能表現(xiàn)出很好的彈塑性體行為，它一般用在可控的、耗能的裝置方面，還可用于減振器、阻尼器及彈性支座等裝置，其性能數(shù)據(jù)如下表所示。其他描述、特征和優(yōu)點同上。
特性
大小 / 范圍
基礎(chǔ)液
硅油
應(yīng)用溫度范圍（℃）
-40~150
密度(g/cm3)
3.32~3.44
顏色
黑灰色
重量百分比(%)
82.03
40℃時的粘度 ( Pa s)
0.115±0.015
25℃時的比熱(J/g℃)
0.65
25℃時的導(dǎo)熱系數(shù)（W/m℃）
0.20~1.88
閃點（℃）
＞150
第三章 磁流變減振器理論分析設(shè)計
3.1 磁流變減振器技術(shù)要求和工作原理
在磁流變減振器設(shè)計時應(yīng)滿足下列技術(shù)要求：由于平行于磁流變液流動方向的磁力線分量對磁流變效應(yīng)貢獻(xiàn)較小，垂直于磁流變液流動方向的磁力線分量對磁流變效應(yīng)貢獻(xiàn)較大。因此，采用剪切模式和流動模式的減振器，磁力線的方向必須垂直于阻尼通道內(nèi)磁流變液流動的方向；采用擠壓模式的減振器，磁力線的方向必須平行于活塞運動方向。在設(shè)計磁流變減振器時應(yīng)使阻尼通道中的磁流變液的流動方向垂直于磁場方向，以便充分利用磁流變效應(yīng)來改變減振器的阻尼力。
磁流變液是將微米尺寸的磁激化顆粒分散溶于絕緣載液中形成的特定非膠性懸浮液體， 因而其流變特性隨外加磁場而變化，在無磁場作用時磁流變?yōu)榕ｎD流體，當(dāng)受到強(qiáng)磁場時， 其懸浮顆粒被感應(yīng)極化，彼此間相互作用形成粒子鏈，并在極短的時間相互作用，由流體 變?yōu)榫哂幸欢羟星?yīng)力的粘塑體，隨著磁場的加強(qiáng)，其剪切屈服應(yīng)力也會響應(yīng)增大， 這就是磁流變效應(yīng)。經(jīng)大量的實驗研究表明，磁流變液在磁場的作用下的剪應(yīng)力與剪切速 度有一定的關(guān)系。磁流變減振器的工作原理：磁流變的工作模式主要有以下 3 種：流動模 式、剪切模式和擠壓模式。
由于汽車減振器的行程較大，且在結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上有嚴(yán)格要求，利用磁流變液來開發(fā)汽車磁流變減振器不能采用擠壓模式，而只能采用流動模式和混合模式。根據(jù)汽車減振器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點，本文提出了基于剪切模式和流動模式共同作用（混合工作模式）的一種兩阻尼通道串聯(lián)的磁流變減振器，其工作原理如圖 3.1 所示，活塞桿 1 和活塞 3 以速度U 在工作缸 7 內(nèi)作往復(fù)直線運動，利用電磁線圈 4 產(chǎn)生的磁場，使得磁流變液中隨機(jī)分布的磁極化粒子沿磁場方向運動，磁化運動使粒子首尾相聯(lián)，形成鏈狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使磁流變液 5 的流動特性發(fā)生變化，從而使減振器阻尼通道 6 兩端的壓力差發(fā)生變化，達(dá)到改變阻尼力的目的。
3.2減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)初步確定
磁流變減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計應(yīng)綜合考慮到磁流變液的性能特點和所需要設(shè)計的磁流變減振器的性能要求，參數(shù)設(shè)計的主要任務(wù)是在初定一些基本參數(shù)（如減振器的外形尺寸，活塞的速度范圍等）的情況下，設(shè)計決定減振器性能的其他一些關(guān)鍵因素，達(dá)到設(shè)計要求。
減振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定需要首先考慮到以下一些因素：
（1）缸筒及活塞桿尺寸的確定
磁流變減震器的缸筒及活塞桿選擇應(yīng)首先參考一般液力減振器的選擇標(biāo)準(zhǔn)對于常用的混合模式磁流變減振器來說，液壓缸的壁厚不僅要滿足具有一定的安全系數(shù)的強(qiáng)度要求，還需要滿足磁路導(dǎo)磁性能的要求，通常強(qiáng)度要求較容易實現(xiàn)，而磁導(dǎo)性一般要求液壓缸的壁厚較大，所以壁厚一般都取的較大，盡管如此，強(qiáng)度校核也是必要的。液壓缸的內(nèi)徑D’與其壁厚δ的比值≥10的圓筒稱為薄壁圓筒，磁流變減振器的液壓缸屬于薄壁圓筒，其厚度按下式計算：
δ≥PyD’/2[σ] (3-1)
式中：δ為液壓缸壁厚，D’為液壓缸內(nèi)徑，[σ]為缸筒材料的許用應(yīng)力，Py為液壓缸的最大工作壓力，其數(shù)值應(yīng)按照減振器所需要的阻尼力的數(shù)值確定。
對于減振器來說，活塞直徑D大小決定了活塞的有效面積，D越大，活塞的有效面積越大，減振器所提供的阻尼力越大?；钊麠U直徑d的大小也決定了活塞的有效面積，d越大，活塞的有效面積越小，所提供的阻尼力也越小。
（2）間隙h的確定
可控阻尼力和動態(tài)范圍是衡量磁流變減振器性能的兩項重要指標(biāo)，磁流變減振器的回復(fù)力可分解為可控阻尼力Fτ和不可控阻尼力Fwc，不可控阻尼力包括粘性阻尼力Fη和機(jī)械摩擦力Ff。動態(tài)范圍M定義為減振器回復(fù)力F和不可控阻尼力Fwc的比值：
M=F/Fwc=Fτ/(Fη+Ff) (3-2)
想要增大減振器的最大阻尼力，阻尼通道間隙應(yīng)盡可能的小，隨著間隙h的減小，粘性阻尼力的增加比可控阻尼力快兩倍，又由于機(jī)械摩擦力是一常量，所以動態(tài)范圍也隨著減小，在選擇阻尼間隙時應(yīng)綜合減振器阻尼力以及動態(tài)范圍的要求選擇合理的數(shù)值。磁流變減振器阻尼通道間隙通常不大于2mm。
（3）活塞有效長度L的確定
活塞有效長度L部分不僅用于剪切磁流變液產(chǎn)生的阻尼力，另外也是磁路的一部分，其數(shù)值的選擇要綜合考慮阻尼力,刺桐特性以及動態(tài)范圍的要求。從磁流變減振器的阻尼力模型可以看出，活塞有效長度L越大，阻尼力也就越大：由磁路歐姆定律可知，L越大，磁路的截面積也就越大，磁阻就越小，磁通性越好。所以應(yīng)在不改變減振器的調(diào)節(jié)范圍并且在空間允許的范圍內(nèi)盡量增大L的數(shù)值。
3.3 影響阻尼力的參數(shù)分析
取活塞桿半徑 R =10mm，活塞半徑R=19.3mm，工作缸內(nèi)徑 R =20.3mmm，屈服應(yīng)力 τ =30kPa（H=100 kAmp/m）粘度 η =0.1Pa s、阻尼通道長度 l =10mm、活塞速度 U =0.3m/s， h = 1 mm 作為基本參數(shù)，當(dāng)其中一個參數(shù)改變時，其它參數(shù)不變來觀察這個參數(shù)的變化對阻尼力 F的影響。
從圖 3.1 可以看出：對于材料 MRF-132DG，當(dāng)間隙h ≤2 mm 時，阻尼力 F 隨著速度的增加而增加，隨著間隙的增加而迅速降低，當(dāng)間隙h ≥2 mm 之后，阻尼力 F很低，隨間隙和速度的變化都很小。
圖 3.1 不同阻尼間隙下阻尼力與速度的關(guān)系曲線
從圖 3.2 可以看出：對于材料 MRF-132DG，阻尼力 F 隨著半徑(活塞半徑與缸筒內(nèi)徑的平均值)的增加而增加，隨著阻尼長度的增加而增加。 隨著阻尼長度的增加，阻尼力 F 隨著半徑的增加的幅度越來越大。
圖 3.2在不同的阻尼長度下阻尼力與半徑的關(guān)系曲線
從圖 3.3可以看出：對于材料 MRF-132DG，阻尼力 F 隨著磁場強(qiáng)度的增加而迅速增加，之后增加緩慢；無論磁場強(qiáng)度如何變化，阻尼力 F 隨速度的變化都很小。
圖 3.3 不同磁場強(qiáng)度下阻尼力與速度的關(guān)系曲線
3.4減振器零件結(jié)構(gòu)參數(shù)
根據(jù)流體力學(xué)計算，結(jié)合一般減振器的結(jié)構(gòu)尺寸，選以下尺寸作為基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸。取活塞桿半徑 R1=8mm，R2 = 13mm，l = 12 mm，活塞半徑R3 = 19.7mm， 工作缸內(nèi)徑R4 = 20.4mm，阻尼間隙h = R4- R3= 0.7mm，工作缸外徑R5 = 23.6mm。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B=0.3T 時，可得：阻尼力 F = 1056.4N，阻尼力比 β = 6.1（β =FH /Fη ，F(xiàn)H 為屈服應(yīng)力產(chǎn)生的阻尼力，F(xiàn)η 為粘性產(chǎn)生的阻尼力）；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B = 0.6T 時，可得：阻尼力 F = 2011.4N，阻尼力比 β = 12.6。一般工作時，磁感應(yīng)強(qiáng)度B 一般在 0. 3~ 0 .6T，減振器阻尼力在1056.4N到2011.4N之間，即可滿足要求，故取工作的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度 =0.6mB T 。
3.5磁路設(shè)計
1) 根據(jù)磁流變減振器結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸和工作原理設(shè)計畫出磁路結(jié)構(gòu)簡圖。
2) 由減振器的一般工作時的最大阻尼力確定磁流變液的最大屈服應(yīng)力τy ，根據(jù)屈服應(yīng)力τy 與磁感應(yīng)強(qiáng)度B 之間的關(guān)系式τy =f(B)確定磁感應(yīng)強(qiáng)度B ，計算出磁路的磁通量 Φ =BS。
3) 根據(jù)功率損耗，得出損耗電流Ia ，再根據(jù)磁路結(jié)構(gòu)計算出各段磁路的磁阻，
得出工作電流IM ，選工作時的最大電流為 I = 2 A，由I = （IM2+Ia2）可求得線圈的匝數(shù) N 。
4) 由線圈的匝數(shù) N 確定活塞的長度 L ，最終確定減振器的 3 個關(guān)鍵尺寸，即間隙 h、單級阻尼通道長度l和活塞長度L。
本文所設(shè)計的磁流變減振器的磁路結(jié)構(gòu)如圖3.4示，減振器的磁路有 4 個部分組成：1.活塞桿，磁芯材料為低碳鋼；3.活塞，磁芯材料為低碳鋼；5.磁芯材料為磁流變液；6.工作缸，磁芯材料為低碳鋼。
圖3.4路結(jié)構(gòu)
1.活塞桿 2.磁路線 3.活塞 4.電磁線圈 5.磁流變液 6.工作缸
本文所設(shè)計的磁流變減振器的磁路由工作缸、活塞、活塞桿和阻
尼通道構(gòu)成。本文選擇材料條件：
① 比較高的電阻率。
② 盡可能高的磁導(dǎo)率。
③ 磁飽和時所具有的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度盡可能大。
比較高的電阻率是為了減少功率損耗，要求盡可能高的磁導(dǎo)率，一方面是為了電流作用下，磁感應(yīng)強(qiáng)度迅速達(dá)到要求，另一方面是為了滿足磁流變液的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，工作電流盡可能小。磁流變液達(dá)到磁飽和時，要求整個磁路上都有傳遞很大的磁通量，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度小的就有可能傳遞不了這么多的磁通量。鐵雖然有比較高的電阻率，
但是與鋼相比較磁導(dǎo)率和最大磁感應(yīng)強(qiáng)度都太小。
3.6減振器零件材料選擇
本文所設(shè)計的磁流變減振器的磁路由工作缸、活塞、活塞桿和阻尼通道構(gòu)成。
本文選擇材料條件：
① 比較高的電阻率。
② 盡可能高的磁導(dǎo)率。
③ 磁飽和時所具有的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度盡可能大。
比較高的電阻率是為了減少功率損耗，要求盡可能高的磁導(dǎo)率，一方面是為了電流作用下，磁感應(yīng)強(qiáng)度迅速達(dá)到要求，另一方面是為了滿足磁流變液的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，工作電流盡可能小。磁流變液達(dá)到磁飽和時，要求整個磁路上都有傳遞很大的磁通量，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度小的就有可能傳遞不了這么多的磁通量。鐵雖然有比較高的電阻率，但是與鋼相比較磁導(dǎo)率和最大磁感應(yīng)強(qiáng)度都太小。
3.3.1活塞桿和缸筒的材料選擇
活塞桿和缸筒均選用 20＃低碳鋼。20＃低