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基于T型转子的旋转式磁流变阻尼器优化设计

磁性材料及器件 2021年第2期52卷 30-37页

作者：郑晗胡国良喻理梵李刚华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室江西南昌330013

设计了一种可用于汽车座椅半主动控制悬架的基于T型转子的旋转式磁流变阻尼器。T型转子结构使得旋转式磁流变阻尼器具有两条径向及四条轴向有效阻尼通道,改善了传统阻尼器只有单一有效阻尼通道的不足。通过导磁材料与不导磁材料的合理布... 详细信息

设计了一种可用于汽车座椅半主动控制悬架的基于T型转子的旋转式磁流变阻尼器。T型转子结构使得旋转式磁流变阻尼器具有两条径向及四条轴向有效阻尼通道,改善了传统阻尼器只有单一有效阻尼通道的不足。通过导磁材料与不导磁材料的合理布置,引导磁力线走向,提高磁场利用率。利用ANSYS有限元仿真软件对其进行电磁场仿真,分析磁力线分布以及有效阻尼通道处的磁感应强度大小。采用有限元一阶优化方法对所设计的初始结构尺寸进行多目标优化,对比分析优化前后的输出阻尼转矩,动态可调范围等性能。结果表明励磁线圈加载电流为1 A时,优化后输出阻尼转矩由优化前的10.56 N·m增大到16.99 N·m,提升约61%;动态可调范围由优化前的223.17增大到246.84,提升约11%。

关键词：旋转式磁流变阻尼器 T型转子有限元仿真一阶优化

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基于螺旋流动模式的旋转式磁流变阻尼器研究

基于螺旋流动模式的旋转式磁流变阻尼器研究

作者：王文重庆大学

学位级别：硕士

磁流变液是一种智能材料,可以在磁场作用下实现快速的(毫秒)、可逆的固液转化。磁流变阻尼器是以磁流变液为工作介质的磁流变阻尼设备,由于这种设备具有响应时间快、可控制的优点已经受到越来越多的关注。根据工作方式,磁流变阻尼器分... 详细信息

磁流变液是一种智能材料,可以在磁场作用下实现快速的(毫秒)、可逆的固液转化。磁流变阻尼器是以磁流变液为工作介质的磁流变阻尼设备,由于这种设备具有响应时间快、可控制的优点已经受到越来越多的关注。根据工作方式,磁流变阻尼器分为基于直线运动的直线式阻尼器和基于旋转运动的旋转式阻尼器。相比于工作在流动模式或流动剪切混合模式下的直线式阻尼器而言,虽然旋转式阻尼器具有空间占比小,工作距离不受限制等优点,但现有研究中的旋转式阻尼器主要采用剪切工作模式,产生的阻尼力矩和力矩密度较小,无法应用于大扭矩场合。为提高旋转式磁流变阻尼器的输出扭矩,增大转矩密度,改善其性能,本文提出了一种新型工作模式—螺旋流动模式。基于此模式,采用基于Herschel-Bulkley模型的非线性流体修正模型和多目标优化设计理论对旋转式磁流变阻尼器进行了优化设计。为进一步分析其性能,加工并试制了样机,基于不同的激励条件进行了试验分析。针对于旋转式磁流变阻尼器的试验数据,建立了旋转式磁流变阻尼器的模型,并验证了有效性。本文的具体工作主要有以下几个方面:(1)在分析现有的旋转式磁流变阻尼器的结构和工作模式的基础上,提出了一种基于螺旋流动模式的旋转式磁流变阻尼器设计方案。采用基于Herschel-Bulkley模型的非线性流体修正模型的阻尼力矩计算方法,以最大阻尼力矩和可调范围为优化目标,通过遗传算法对磁流变阻尼器进行了多目标优化设计,并确定了关键结构的尺寸。(2)根据优化选取的结构参数对磁流变阻尼器进行加工装配,并采用不同激励对阻尼器进行了动态性能测试。转矩测试考虑阻尼器的单向连续旋转和正弦运动两种工况,测试了转矩与速度、电流之间的关系,并分析了阻尼器耗能、转矩密度等阻尼器的参数。进行温升试验,测试阻尼器在某一工况下,一段时间内的温度变化,并分析了温度上升时阻尼器转矩的变化情况。最后测试了阻尼器的响应时间的,测试阻尼器在给定电流激励时阻尼器转的响应时间。(3)分别采用Bingham模型、自适应神经网络模糊推理系统(ANFIS)和多项式模型三种方法建立了旋转式磁流变阻尼器的模型,并对各自的模型进行了验证和预测,最后对比总结了三种模型的优缺点。

关键词：旋转式磁流变阻尼器螺旋流动模式动态性能测试多项式模型

基于复合磁流变脂的旋转式磁流变阻尼器轴向挤压增强效应研究

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基于复合磁流变脂的旋转式磁流变阻尼器轴向挤压增强效应研究

作者：段痴重庆大学

学位级别：硕士

磁流变阻尼器是一种主要以液态磁流变材料(磁流变液、磁流变脂等)为主要工作介质的磁流变技术应用,因其具备快速的阻尼可控性能在房屋减振、桥梁拉索、汽车悬架等领域受到广泛关注。目前,根据阻尼器的运动形式的不同,磁流变阻尼器主要... 详细信息

磁流变阻尼器是一种主要以液态磁流变材料(磁流变液、磁流变脂等)为主要工作介质的磁流变技术应用,因其具备快速的阻尼可控性能在房屋减振、桥梁拉索、汽车悬架等领域受到广泛关注。目前,根据阻尼器的运动形式的不同,磁流变阻尼器主要可分为直线式磁流变阻尼器和旋转式磁流变阻尼器两大类。相比于传统的直线式磁流变阻尼器,旋转式磁流变阻尼器因其具有结构更为紧凑、密封更为可靠、更适用于旋转工况等优点越来越受到学者们的关注。但因其工作模式单一以及磁流变材料本身的力学极限性能限制,其产生的阻尼力矩能力比较有限。一般的解决方法为设计尺寸较大的阻尼器,而这可能会影响一些机械系统整体结构和紧凑性。本文通过在旋转式磁流变阻尼器中引入轴向挤压效应,旨在实现不增加阻尼器尺寸的前提下,提高其阻尼力矩。为此,本研究结合磁偶极子模型对轴向挤压效应进行了理论分析,最后设计加工了压力可调型旋转式磁流变阻尼器对挤压效应进行了试验研究。主要进行了以下研究工作:(1)通过对完全弹性棒体、一般粘弹性流体以及磁流变液/脂的压缩分析,类比得出磁流变阻尼器轴向压缩后其工作间隙铁磁颗粒体积分数分布情况,并初步建立了挤压增强的数学模型;(2)选择复合磁流变脂作为本研究所使用的工作介质,并对复合磁流变脂基体配方对性能影响进行了测试分析。结果表明,基体中硬脂酸锂与硼酸锂的质量比对流变性能有较大影响;质量比为4:1时,其具有较好综合性能;(3)设计加工了一种压力可调型旋转式磁流变阻尼器,并开展了相应试验研究:1)研究了轴向挤压增强效应与压强和铁磁颗粒体积分数之间关系,并建立了增强效应与此两者间的双因素数学模型。结果表明,旋转式磁流变阻尼器中的轴向挤压增强效应主要适用于低铁磁颗粒含量磁流变液/脂;磁场和铁磁颗粒体积分数变化对于轴向挤压增强效应的最优压力几乎没有影响;2)对分别装有铁磁颗粒体积分数10vol%和20 vol%的磁流变脂的阻尼器进行稳定性和压力磁场施加顺序试验测试。结果表明,轴向挤压增强效应具有一定的稳定性;压力和磁场施加顺序对于旋转式磁流变阻尼器的轴向挤压增强效应具有较大影响。

关键词：旋转式磁流变阻尼器轴向挤压增强效应复合磁流变脂

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旋转式磁流变阻尼器用于卷料张力模糊控制

哈尔滨工业大学学报 2007年第11期39卷 1732-1735,1802页

作者：陈照波涂奉臣李明章焦映厚李华哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001

为减小收、放卷料时的张力波动,提出用一种新型旋转式磁流变阻尼器作为控制元件的解决方案.确定了该阻尼器的结构,建立了阻尼器的阻尼力矩模型.模型仿真表明:阻尼力矩随电流增大呈指数规律增加,电流较小时近似为线性关系,而在电流大于5... 详细信息

为减小收、放卷料时的张力波动,提出用一种新型旋转式磁流变阻尼器作为控制元件的解决方案.确定了该阻尼器的结构,建立了阻尼器的阻尼力矩模型.模型仿真表明:阻尼力矩随电流增大呈指数规律增加,电流较小时近似为线性关系,而在电流大于5A时饱和;阻尼力矩与转轴角速度成正比.提出采用模糊逻辑方法对阻尼器的阻尼力矩进行控制,从而控制张力波动.确定了相应的模糊输入和输出变量,得出模糊控制规则.仿真结果表明:旋转式磁流变阻尼器应用于张力的模糊控制,能够降低张力波动的幅值.

关键词：旋转式磁流变阻尼器张力控制模糊控制

汽车剪式座椅悬架用旋转式磁流变阻尼器结构设计及性能研究

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汽车剪式座椅悬架用旋转式磁流变阻尼器结构设计及性能研究

作者：郑晗华东交通大学

学位级别：硕士

汽车座椅半主动控制悬架是汽车座椅减振常用方式之一,能够有效的提升乘坐人员的安全性与舒适性。然而传统汽车座椅半主动控制悬架采用直动式磁流变阻尼器,其存在着占用空间大,制作成本高,可调范围小等缺点。针对上述不足,提出一种具有T... 详细信息

汽车座椅半主动控制悬架是汽车座椅减振常用方式之一,能够有效的提升乘坐人员的安全性与舒适性。然而传统汽车座椅半主动控制悬架采用直动式磁流变阻尼器,其存在着占用空间大,制作成本高,可调范围小等缺点。针对上述不足,提出一种具有T型转子的旋转式磁流变阻尼器,并将其应用在汽车剪式座椅的减振中。对该旋转式磁流变阻尼器进行结构设计、磁路设计、电磁场仿真;搭建阻尼转矩测试平台以及阻尼力性能试验台,对所设计的旋转式磁流变阻尼器进行转矩性能试验,并对安装有此阻尼器的剪式座椅悬架进行阻尼性能测试。本文主要完成的研究内容有:（1）提出并设计具有T型转子的旋转式磁流变阻尼器,通过隔磁材料的合理运用,引导磁力线走向,使其具有四段轴向有效液流通道和两段径向有效液流通道,有效提高磁场利用率,降低能量损失。依据磁路欧姆定律以及安培环路定理进行磁路的设计计算,根据使用场合设计各零部件尺寸并进行强度校核。依据所选用的磁流变液本构模型推导出阻尼转矩数学模型。（2）运用有限元仿真软件进行电磁场仿真,分析该旋转式磁流变阻尼器的磁力线走向,求解各段有效液流通道处的磁感应强度变化规律以及平均磁感应强度,计算出输出阻尼转矩的理论值。仿真结果验证了该阻尼器结构设计以及磁路设计的合理性与有效性。（3）加工制作具有T型转子的旋转式磁流变阻尼器样机,搭建阻尼转矩测试平台。通过试验分析输出阻尼转矩在不同加载电流和转动速度下的大小以及变化规律。结果表明所设计的旋转式磁流变阻尼器能够达到预期目标,可用于剪式座椅悬架的减振。（4）将所设计阻尼器安装在加工的剪式座椅悬架模型,利用阻尼器测试平台进行拉伸实验,设置激励为正弦激励,改变加载电流、振动幅值和振动频率,来观察输出阻尼力的大小。试验结果显示,具有T型转子的旋转式磁流变阻尼器作为控制元件应用于汽车剪式座椅半主动控制悬架是可行的。

关键词：汽车座椅减振旋转式磁流变阻尼器 T型转子剪式座椅悬架性能测试

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基于磁流变原理的变刚度执行器研究

基于磁流变原理的变刚度执行器研究

作者：朱文正河北工业大学

学位级别：硕士

机器人技术领域的发展,极大的扩展了机器人的使用领域。传统机器人关节较多是刚性结构,大多都是一个位置点到另一个位置点的运动。在人-机器人交互过程中容易产生运动冲击,损坏机器人本体和其运动控制系统。相比刚性执行器,变刚度执行... 详细信息

机器人技术领域的发展,极大的扩展了机器人的使用领域。传统机器人关节较多是刚性结构,大多都是一个位置点到另一个位置点的运动。在人-机器人交互过程中容易产生运动冲击,损坏机器人本体和其运动控制系统。相比刚性执行器,变刚度执行器在增加缓冲、减少冲击和提高柔顺性方面具有良好的表现,因此研制一种能具有适应复杂环境的变刚度执行器对机器人技术发展有重要意义。针对上述问题,本课题所研究内容如下所示:首先,提出了一种由旋转式磁流变阻尼器、伺服电机和导电滑环相结合构成的变刚度执行器,基于磁流变液的Bingham模型及旋转式磁流变阻尼器力学特性,研究了变刚度原理,确定了变刚度执行器及执行器变刚度效果试验平台总体构型。并对执行器提供的最大辅助力进行了分析计算,为磁流变阻尼器的设计计算提供理论参数。其次,设计了阻尼器转子工作面为F型。根据厂家提供的磁流变液参数手册和磁流变液的流变性质,在保证阻尼器力学性能的要求下,对阻尼器转子进行了优化设计,最终得到了阻尼器各部分构型参数。对得到的磁流变阻尼器模型应用Maxwell软件进行仿真分析计算,通过对理论设计模型和仿真对比,验证所设计的磁流变阻尼器的理论计算是否合理。再次,对执行器控制系统做出详细分析,建立了变刚度执行器数学模型,详细介绍了变刚度执行器的驱动原理,并对其信息采集系统做出详细介绍。完成了变刚度执行器、变刚度实验台整体构型的基础上,设计了执行器定刚度、执行器变刚度、执行器模拟直线弹簧和执行器跳跃实验控制流程,开发了实验控制程序。最后,搭建了旋转式磁流变阻尼器力学性能验证实验平台,获取了磁流变阻尼器的实际力学性能参数;建立了变刚度执行器实验系统,完成了执行器定刚度、执行器变刚度、执行器模拟直线弹簧和执行器跳跃缓冲实验,并对其实验结果做出详细分析,实验证明,所提出的方法可以较好的实现执行器的变刚度调节,增强了关节运动的柔顺性,且能有效降低冲击对其本体和控制系统带来不利影响。

关键词：变刚度执行器旋转式磁流变阻尼器有限元分析变刚度控制

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基于磁流变原理的变刚度驱动方法研究

仪器仪表学报 2021年第3期42卷 97-104页

作者：李军强朱文正姜与李铁军河北工业大学机械工程学院天津300401

针对机器人关节变刚度驱动的功能需求,提出了一种基于磁流变原理的变刚度驱动方法,该方法利用旋转式磁流变阻尼器力矩可控且响应速度快的特点,结合伺服电机与旋转式磁流变阻尼器,构成变刚度驱动器。基于变刚度驱动器构型,分析了变刚度... 详细信息

针对机器人关节变刚度驱动的功能需求,提出了一种基于磁流变原理的变刚度驱动方法,该方法利用旋转式磁流变阻尼器力矩可控且响应速度快的特点,结合伺服电机与旋转式磁流变阻尼器,构成变刚度驱动器。基于变刚度驱动器构型,分析了变刚度驱动原理。完成了用于变刚度驱动器的旋转式磁流变阻尼器的设计,获取了阻尼器的力矩值与磁动势值。基于变刚度驱动器构型和阻尼器力学特性,设计了变刚度控制流程,开发了控制程序。在此基础上,研制了旋转式磁流变阻尼器及其力学性能测试系统,获取了阻尼器的实际力学性能参数,阻尼最大力矩为18.1 N·m;建立了变刚度驱动器试验系统,完成了试验研究,分别设定刚度系数为5.0 N·m/rad, 6.0 N·m/rad, 7.0 N·m/rad时获得的实际刚度系数分别为5.1 N·m/rad, 6.2 N·m/rad, 7.1 N·m/rad。试验结果表明,所提出的方法可以较好的实现驱动器的刚度调节。

关键词：机器人变刚度驱动器旋转式磁流变阻尼器变刚度控制

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汽车座椅直线式与旋转式磁流变减振技术研究

汽车座椅直线式与旋转式磁流变减振技术研究

作者：李高山重庆大学

学位级别：硕士

随着物质生活水平的提高,人们对于车辆乘坐舒适性提出了愈来愈高的要求,座椅作为乘员的直接承载体,与乘坐舒适性密切相关。为了提高驾乘人员的舒适性,一种方法可通过降低输入的振动激励源(如路面激励引起初级悬架簧载质量的振动,以及发... 详细信息

随着物质生活水平的提高,人们对于车辆乘坐舒适性提出了愈来愈高的要求,座椅作为乘员的直接承载体,与乘坐舒适性密切相关。为了提高驾乘人员的舒适性,一种方法可通过降低输入的振动激励源(如路面激励引起初级悬架簧载质量的振动,以及发动机带来的振动等),这种方法更为有效,但结构较为复杂、成本较高,另一种方法则通过直接调节座椅的刚度和阻尼参数,如采用性能更好的泡沫,这种方法较为简单,能取得一定的效果,但由于刚度和阻尼参数不能随着环境变化(如激励变化和驾乘人员质量变化)自适应变化,舒适性改进较为有限,因此有必要研究一种可随外界环境变化的智能座椅。磁流变阻尼器作为一种智能器件,具有结构简单、输出阻尼力大、动态范围宽、响应快、功耗低等优点,非常适合于座椅的振动控制。目前已有学者和企业将直线式磁流变阻尼器用于汽车座椅以提高乘坐舒适性,能取得较好的效果,但存在以下问题,如系统复杂、成本较高、大规模推广较为困难。因此,有必要研究一种系统简单,成本较低的汽车座椅磁流变减振系统。为解决此问题,论文提出一种基于旋转式磁流变阻尼器的座椅减振系统,通过理论计算、仿真分析、试验验证,开展基于直线式与旋转式磁流变阻尼器的座椅减振系统的对比研究,从而为提高座椅减振系统的集成度和可靠性,降低成本,提供新的研究思路。本文研究工作包括以下几个方面:(1)在总结、分析磁流变液、直线式与旋转式磁流变阻尼器及汽车座椅减振研究现状的基础上,提出本文的研究内容。以改善座椅乘坐舒适性为目的,根据磁流变器件相关设计理论进行直线式与旋转式磁流变阻尼器的设计,包括结构设计、理论力与力矩计算、磁路设计,确定其结构尺寸。(2)根据优化设计参数,分别加工研制直线式与旋转式磁流变阻尼器,在MTS测试系统上对直线式磁流变阻尼器进行示功试验,在自行搭建的试验平台上对旋转式磁流变阻尼器进行扭矩试验,分析直线式磁流变阻尼器的示功特性和速度特性曲线、旋转式磁流变阻尼器在不同电流下的速度扭矩特性。(3)对基于直线式与旋转式磁流变阻尼器的座椅减振系统进行控制仿真研究:建立座椅的单自由度模型;在直线式与旋转式磁流变阻尼器试验结果的基础上分别建立直线式磁流变阻尼器可控阻尼力和控制电流的关系、旋转式磁流变阻尼器可控部分阻尼力矩与电流的关系;基于天棚控制策略设计控制器;对座椅振动进行控制仿真研究,结果表明两种阻尼器用于座椅减振中是有效的,两者有相近的减振效果。(4)开展了磁流变座椅减振系统试验研究,以基于被动液压减振器、直线式磁流变阻尼器、旋转式磁流变阻尼器为基础,搭建了座椅减振试验平台,研究了在不同激励输入下的减振效果,结果表明,旋转式磁流变阻尼器能取得与直线式磁流变阻尼器相当的效果,但基于旋转式磁流变阻尼器的座椅减振系统具有更为紧凑的结构,成本较直线式磁流变阻尼器低,具有更好的应用前景。

关键词：直线式磁流变阻尼器旋转式磁流变阻尼器控制仿真座椅减振试验比较研究

基于Herschel-Bulkley模型的磁流变阻尼器转矩模型参数辨识

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传感技术学报 2019年第7期32卷 1077-1082页

作者：欧阳青胡红生宋玉来郑佳佳王炅嘉兴学院机电工程学院浙江嘉兴314033 浙江师范大学工学院浙江金华321004 南京理工大学机械工程学院南京210094

针对目前Herschel-Bulkley模型参数值通常随试验条件而变化,存在无法构建确定的数学模型的局限性,提出一种Herschel-Bulkley模型全局参数辨识的方法。针对所设计的多级圆筒式磁流变阻尼器,基于Herschel-Bulkley模型建立了阻尼器的转矩... 详细信息

针对目前Herschel-Bulkley模型参数值通常随试验条件而变化,存在无法构建确定的数学模型的局限性,提出一种Herschel-Bulkley模型全局参数辨识的方法。针对所设计的多级圆筒式磁流变阻尼器,基于Herschel-Bulkley模型建立了阻尼器的转矩力学模型并搭建扭矩测试系统以确定模型参数,通过1stOpt优化分析软件的Levenberg-Marquardt算法和通用全局优化算法对转矩力学模型进行参数辨识,确定模型中液体流动行为参数 k和n 分别为49.88及0.576。参数辨识后的Herschel-Bulkley扭矩模型在不同磁场条件下基本满足扭矩预测效果,可为后续对于器件的有限元分析计算提供理论依据。

关键词：旋转式磁流变阻尼器 Herschel-Bulkley模型转矩预测参数辨识