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重庆大学硕士学位论文汽车磁流变阻尼器动态响应特性的研究姓名：陈爱军申请学位级别：硕士专业：仪器科学与技术指导教师：黄尚廉20050501中文摘要I摘要磁流变阻尼器由于可控性好、动态范围宽、响应速度快、功耗低、结构相对简单，已成为目前汽车半主动悬架系统中的研究热点。作为汽车磁流变半主动悬架系统中的关键装置，磁流变阻尼器的性能指标除了阻尼力大小和动态可调范围外，动态响应时间是其另一个非常重要的性能参数。动态响应时间直接决定着磁流变阻尼器的控制周期、应用范围和使用效果。因此，本文对汽车磁流变阻尼器的动态响应特性进行了研究，具体工作包括以下几个方面：(1)概括了磁流变液的特性及其工程应用，阐述了磁流变阻尼器动态响应特性研究的意义，综述了磁流变阻尼器动态响应特性的研究现状，针对目前磁流变阻尼器动态响应特性研究中存在的问题，提出了本文将要开展的主要工作。(2)根据磁流变阻尼器的混合工作模式，应用流体力学理论，分别利用Newton流体和Bingham流体的本构方程，推导了基于平板模型和环形通道模型的流变学方程，得到阻尼力的计算方法，确定了阻尼力与励磁电流和活塞速度的理论关系。这些理论分析为磁流变阻尼器动态响应特性的理论研究、动态响应特性测试方法的提出和测试系统的开发奠定了理论基础。在阻尼力理论分析的基础上，通过分析平行平板间磁流变液流变后的非稳态过程，建立了磁流变阻尼器动态响应时间的计算模型。理论分析了在电流源的作用下，阻尼器电磁线圈的连接方式（并联或串联）对磁流变阻尼器动态响应特性的影响。(3)根据阻尼力与励磁电流和活塞速度的理论关系及阻尼器实际运行的条件，提出了动态响应特性的测试方法，开发了相应的测试系统，研制了测试系统所需的一些重要部件，如基于PWM（脉宽调制）开关方式的电流驱动器，并对电流驱动器的输出特性和动态响应特性进行了理论分析和试验测试。(4)根据实测的阻尼力时间曲线确定了响应时间的求取方法，利用所设计的测试系统和动态响应时间的求取方法，对重庆大学智能结构研究中心所设计的汽车磁流变阻尼器进行了试验研究，并对试验现象和结果进行了分析。试验研究内容包括：线圈连接方式与动态响应特性的关系，阶跃电流幅值与动态响应特性的关系，活塞速度与动态响应特性的关系，阻尼器运行温度与动态响应特性的关系。关键词：磁流变液，汽车磁流变阻尼器，动态响应时间，电流驱动器，试验研究★本项目由国家自然科学基金(NO.50135030)，重庆市自然科学基金(NO.8414)和重庆市院士基金(NO.027754)联合资助。英文摘要IIIABSTRACTDuetoitsgoodcontrollability,widedynamicrange,fastresponse,lowpowerrequirementandcomparativelysimplestructure,magnetorheological(MR)dampershasbecomeoneofthefocusresearchprojectsinautomotivesemi-activesuspension.Besidesdampingforceanddynamicrange,thedynamicresponseisanotherimportantparameterofMRdampers,whichisakeypartofautomotiveMRsemi-activesuspensionsystem.ThedynamicresponseisvaluablebecauseitisoneofthecriticalfactorsthatdeterminethepracticaleffectivenessofautomotiveMRdampers,theapplicationsrangeofMRdampersandthecontrollingperioddirectly.Inthisthesis,thedynamicresponseofautomotiveMRdampersisinvestigatedandtheeffectsofvariousconditionsareconsidered.Themaincontributionsincludethefollowing:(1)ThepropertiesandapplicationsofMRfluidisreviewedfirstly,theimportanceofthestudyonMRdampersdynamicresponseisdiscussed,andthepresentsituationandexistingproblemsofthestudyaresummarized.Basedonthepresentproblemsofthestudy,themainworkisputforward.(2)BasedonthehydrodynamicstheoryandworkingmodesofMRdampers,applyingtheconstitutiveequationsofNewtonandBinghamfluidrespectively,theparallelplatesandannularductbasedrheologicalequationsarederived,thecalculationapproachofdampingforceisgained,andthetheoreticalrelationbetweenappliedcurrent,pistonvelocityanddampingforceisdetermined,whichestablishesthetheoreticalbasisfortheresearchofMRdampersdynamicresponse,proposeoftestapproachanddesignoftestsystem.Basedontheoreticalanalysisofdampingforce,thecalculationmodelofMRdampersdynamicresponseisbuiltbyanalyzingtheunstablestateofMRfluidbetweenparallelplates.Furthermore,drivingbycurrentsource,theeffectoftheconnectingway(parallelorserial)ofelectromagneticcoilsisanalyzedtheoretically.(3)Accordingtothedampingforcefunctionandpracticalconditionofdampers,anexperimentalapproachforfindingthedynamicresponseofautomotiveMRdampersandcorrespondingdataprocessingareoffered,thecorrespondingtestsystemisdeveloped,includingsomeimportantpartsofthetestsystem,suchascurrentdriverbasedonPWMmethod,anditsoutputcharacteristicanddynamicresponseareinvestigatedtheoreticallyandexperimentally.重庆大学硕士学位论文IV(4)Accordingtothetimehistoryofdampingforce,thecomputingmethodofresponsetimeisdetermined.Basedonthetestsystemandthecomputingmethod,thedynamicresponseisinvestigatedontheautomotiveMRdampersdevelopedbyCenterforIntelligentStructuresofChongqingUniversityundervariousconditions.Theparametersinconsiderationincludeconnectingwaysofelectromagneticcoils,stepcurrentapplied,pistonvelocityandoperatingtemperature.Keywords:magnetorheological(MR)fluid,automotiveMRdampers,dynamicresponse,currentdriver,experimentalinvestigation★TheprojectwasfinanciallysupportedbytheNaturalScienceFoundationofChina(NO.50135030),theNaturalScienceFoundationofChongqing(NO.8414)andAcademicianFoundationofChongqing(No.027754).1绪论11绪论1.1磁流变液的概况与流变特性1.1.1磁流变液的概况磁流变液（MagnetorheologicalFluid，简称MRF）是近几年在国内外被引起广泛重视的一种新型智能材料。磁流变液是一种可控流变流体，在外磁场的作用下，磁流变液能产生明显的磁流变效应（MagnetorheologicalEffect，简称MRE），流体的粘度会急剧增大，屈服应力成倍增加，表现为类似固体的性质，而当撤除外加磁场的作用时，流体又恢复原来的流动性质，即在液态和固态之间进行快速可逆的转换，且这种转换是在毫秒量级的时间内完成的。在该过程中，磁流变液的粘度保持连续，无级变化，整个转换过程极快，且可控，能耗极小，可实现实时主动控制。磁流变液的研究是在电流变液（ElectorheologicalFluid，简称ERF）的基础上发展起来的，一般认为Winslow[1]在20世纪40年代末期发现了电流变现象。现在普遍公认的最早关于磁流变液的工作始于美国国家标准局的JacobRabinow[2]，在20世纪40年代末至50年代初，Rabinow发现了磁流变效应并开始研究磁流变液及其应用装置（离合器）。有趣的是这几乎是与Winslow发明的电流变液同时出现的,然而由于某些不知的原因，只有在此后的几年里出现的磁流变液的专利和论文比电流变液多,之后大部分的研究则集中于电流变液[3]。由于磁流变液的剪切屈服应力比电流变液大一个数量级，且磁流变液具有良好动力学和温度稳定性,而电流变液存在高压安全性和杂质敏感性等问题,因而自1990年以来磁流变液重新引起了研究者们的兴趣。尤其是近几年来,国际上连续召开了几届电流变液与磁流变液研讨会[4~6],促进了磁流变液的研究与应用开发。1.1.2磁流变效应及其特征磁流变效应是磁流变技术的基础。磁流变效应是指流体（一般指两相悬浮液为主的磁流变体）在外加磁场的作用下，其流动状态和流体的特性发生强烈的变化，甚至当外加磁场达到某一临界值时，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，其响应时间仅为几毫秒。磁流变效应具有下列特征[7]：1)在某磁场强度下，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，这种效应实现了磁流变体液态和固态之间的转换。2)在外加磁场的作用下，磁流变体的由液态转换为固态是可逆的，若这一转换过程是不可逆的话，它的工程应用价值将会受到极大的影响。重庆大学硕士学位论文23)在外加磁场的作用下，磁流变体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。4)在外加磁场的作用下，磁流变体的表观粘度发生的属性是可控的，这一特性为人们提供了工程应用的基础。5)磁流变效应的控制是容易实现的，它只需控制垂直于流体流动方向的磁场的磁感应强度即可，而磁场的磁