磁流變彈性體擠壓工作模式減振結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)及系統(tǒng)分析【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　磁流變彈性體擠壓工作模式減振結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)及系統(tǒng)分析</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級

2、 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘　要</b&g

3、t;</p><p>　　摘要:磁流變彈性體是一種由鐵磁顆粒和凝膠混合而成的新型可控智能材料。這種彈性材料的最大的優(yōu)點(diǎn)是顆粒不會隨時(shí)間而沉降，也不需要密封裝置。磁流變彈性體在外加磁場條件下，其阻尼和剛度具有可變的特性，近年來廣泛應(yīng)用于減振設(shè)備的設(shè)計(jì)制造上。本論文結(jié)合磁流變彈性體的研究現(xiàn)狀以及它在工程中的應(yīng)用情況，基于磁流變彈性體擠壓工作模式，提出了三種減振結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)方案，并利用Matlab的Simulink對

4、其中一種方案進(jìn)行了建模，分析其理想化下的減振效果。基于Simulink的模型，首先分析了在250mT場強(qiáng)條件下，分別取固有頻率的1.5倍和3倍作為激振頻率，測試圓盤式磁流變彈性體減振結(jié)構(gòu)的減振效果，結(jié)果表明激振頻率的控制和選擇對系統(tǒng)的整體減振效果起到很重要的作用。其次分析了在500mT場強(qiáng)條件下，取固有頻率的3倍作為激振頻率測試其減振效果，與250mT場強(qiáng)條件的減振效果對比分析，結(jié)果表明控制磁流變減振器的電流來控制外加磁場的大小，繼而控

5、制磁流變彈性體的剛度和阻尼，使其達(dá)到一個(gè)合適的范圍，對系統(tǒng)的減振效果也有著重要的作用。</p><p>　　關(guān)鍵詞:磁流變彈性體；減振結(jié)構(gòu)；擠壓模式；減振分析。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　ABSTRACT：Magnetorheological elastomer is a new controll

6、able smart material which is a mixture of ferromagnetic particles and gel.This flexible material of the biggest advantages is the particle will not settle with time, and it does not need to seal. Magnetorheological elas

7、tomer under an external magnetic field with variable damping and stiffness characteristics.In recent years,it is widely used in the design and manufacture of vibration equipment.The author combines the current research o

8、f mag</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　摘　要Ⅱ</b></p><p><b>　　目　錄Ⅳ</b></p><p><b>　　1引言1</b></p><p>　　1.1磁

9、流變液1</p><p>　　1.1.1磁流變液的組成1</p><p>　　1.1.2磁流變效應(yīng)1</p><p>　　1.1.3磁流變液的應(yīng)用2</p><p>　　1.2磁流變彈性體2</p><p>　　1.2.1磁流變彈性體的制備3</p><p>　　1.2.2

10、磁流變彈性體的組成4</p><p>　　1.2.3磁流變彈性體的特點(diǎn)5</p><p>　　1.2.4磁流變彈性體的研究現(xiàn)狀5</p><p>　　1.3磁流變液與磁流變彈性體6</p><p>　　1.4其他磁流變材料6</p><p>　　1.5本論文主要工作6</p>&l

11、t;p>　　2振動控制簡介8</p><p>　　2.1機(jī)械振動8</p><p>　　2.1.1機(jī)械振動定義8</p><p>　　2.1.2振動的分類8</p><p>　　2.1.3自由振動和受迫振動8</p><p>　　2.2振動控制9</p><p>　

12、　2.2.1振動控制概述9</p><p>　　2.2.2振動隔離控制9</p><p>　　3磁流變彈性體減振器11</p><p>　　3.1磁流變彈性體減振器概述11</p><p>　　3.2磁流變彈性體減振器研究現(xiàn)狀11</p><p>　　4磁流變彈性體擠壓模式減振結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)15

13、</p><p>　　4.1圓盤式磁流變彈性體減振器15</p><p>　　4.1.1設(shè)計(jì)思路15</p><p>　　4.1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.1.3工作原理16</p><p>　　4.2基于滑動軸承的磁流變減振結(jié)構(gòu)16</p><p>　　4.2

14、.1設(shè)計(jì)思路16</p><p>　　4.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.2.3工作原理18</p><p>　　4.3基于輪胎聯(lián)軸器的磁流變減振結(jié)構(gòu)19</p><p>　　4.3.1設(shè)計(jì)思路19</p><p>　　4.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)19</p><p>

15、　　4.3.3工作原理21</p><p>　　5磁流變減振器減振效果分析22</p><p>　　5.1振動模型建立22</p><p>　　5.2受迫振動分析22</p><p>　　5.3SIMULINK仿真分析23</p><p>　　5.3.1SIMULINK簡介23</p>

16、;<p>　　5.3.2SIMULINK仿真分析23</p><p>　　5.4減振分析小結(jié)29</p><p><b>　　6總結(jié)30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　致謝33</b><

17、/p><p><b>　　附錄34</b></p><p><b>　　引言</b></p><p><b>　　磁流變液</b></p><p>　　磁流變液(Magnetorheological Fluid , 簡稱MR流體)是一種由低磁導(dǎo)率的母液和均勻散布在其中的高磁導(dǎo)率微

18、粒（如鐵粉），組成的懸浮液。這種懸浮液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Binghan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。 </p><p><b>　　磁流變液的組成</b></p><p>　　磁流

19、變液一般是由鐵磁性顆粒、母液油和穩(wěn)定劑三種物質(zhì)混合組成。目前而言，可用作磁流變液的鐵磁性固體顆粒一般是具有較高磁化飽和強(qiáng)度的羰基鐵粉、純鐵粉或者鐵合金。磁流變液的母液油即所說的分散劑，一般是性能良好且具有非導(dǎo)磁特性的油，如礦物油、合成油、硅油等，同時(shí)它們須具有較低的零場粘度、較大范圍的溫度穩(wěn)定性、不污染環(huán)境等特性。穩(wěn)定劑的目的是用來防止或減緩磁性顆粒沉降的產(chǎn)生。因?yàn)榇判灶w粒的比重較大，容易沉淀或離心分離，因此必須加入少量的穩(wěn)定劑。將這三

20、種物質(zhì)在一定條件下按一定的比例混合均勻，即可形成磁流變液。</p><p><b>　　磁流變效應(yīng)</b></p><p>　　磁流變液的鐵磁性顆粒在母液油中其實(shí)可以看成其表現(xiàn)出牛頓流體特性；當(dāng)有外加磁場條件時(shí)其特性發(fā)生改變，變化為高粘度并且低流動性的特性。在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)磁流變液在磁場作用下的流變反應(yīng)是瞬間的和可逆的，并且其流變后的剪切屈服強(qiáng)度與外加磁場強(qiáng)度具有穩(wěn)定

21、的對應(yīng)關(guān)系，因此被廣泛應(yīng)用，是一種性能優(yōu)良的智能材料。</p><p>　　按照磁疇理論可以解釋磁流變效應(yīng)，磁疇理論簡單的說就是磁性材料在正常情況下并不對外顯示磁性，只有當(dāng)磁性材料被磁化后，它才能對外顯示出磁性。磁流變液中的鐵磁性顆?？梢孕蜗蟪擅恳粋€(gè)磁體。這種特殊的結(jié)構(gòu)使得相互間的原子在無外加磁場條件下的磁矩平行排列，形成自發(fā)磁化飽和區(qū)域，也就是磁疇，通常不同的磁疇磁矩取向不同，結(jié)構(gòu)中存在著強(qiáng)交換耦合作用導(dǎo)致磁疇

22、中的相鄰原子的磁矩排列取向一致。</p><p>　　磁疇中的顆粒不顯示出磁性取決于其特殊的結(jié)構(gòu)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中每一個(gè)顆粒處于最小的能量下，在這種狀態(tài)下導(dǎo)致顆粒不顯示出磁性。但是當(dāng)有外加磁場作用時(shí)磁能會發(fā)生改變，磁能會低于反方向排列時(shí)的狀態(tài)，結(jié)果是同自發(fā)磁化磁矩成較大角度的磁疇的體積會變小，但這種是那些同自發(fā)磁化磁矩成較大角度的磁疇。在這種條件下顆粒將對外顯示磁性，利用磁流變效應(yīng)產(chǎn)生有序的結(jié)構(gòu)。磁場強(qiáng)度較弱，有序結(jié)構(gòu)

23、短且少，破壞他們的外力也較小。隨外加磁場不斷增強(qiáng)，磁流變效應(yīng)會增強(qiáng)，形成更多的有序鏈狀并且更多更粗，因此磁流變材料對外所表現(xiàn)的剪切應(yīng)力增強(qiáng)；繼續(xù)使外加磁場增強(qiáng)最終到達(dá)磁化飽和狀態(tài)，這時(shí)所需的外力也到達(dá)了最大。影響這種磁流變效應(yīng)的因素有很多，但最主要的顆粒結(jié)構(gòu)特征和相互間聚集狀態(tài)，此外材料其本身的磁特性也跟其狀態(tài)密切相關(guān)，且影響效果十分明顯。此外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)磁流變液的顆粒直徑增大會使得其磁化飽和增強(qiáng)，這種特性與體積分?jǐn)?shù)無關(guān)。 &

24、lt;/p><p><b>　　磁流變液的應(yīng)用</b></p><p>　　磁流變液的制備需要密度較大的磁性顆粒，這使得磁流變液的發(fā)展與應(yīng)用并不順利，因?yàn)槊芏容^大的鐵磁性顆粒導(dǎo)致顆粒容易沉降在液體底部；另外裝置的外加線圈也是個(gè)難題，由于材料制備水平的限制，磁流變液的研究曾在一段時(shí)間內(nèi)處于停滯狀態(tài)，從而阻礙了它在工程中的應(yīng)用。從上世紀(jì)90年代開始，制備材料的技術(shù)有了很大的突

25、破，制備工藝不斷創(chuàng)新提高，人們采取加入穩(wěn)定劑的辦法，基本解決了顆粒的沉降問題。磁流變液的研究熱潮重新活躍起來。</p><p>　　磁流變液在外加磁場增強(qiáng)的過程中，液體的粘度隨之增大并最終失去流動性變?yōu)楣虘B(tài)，此過程耗能小、可逆、能產(chǎn)生較大屈服應(yīng)力且在豪秒級內(nèi)完成。利用此一系列性能，在充分考慮磁場、溫度、顆粒大小和體積濃度等諸因素對應(yīng)用器件和系統(tǒng)影響的基礎(chǔ)上，可以設(shè)計(jì)開發(fā)各種磁流變減振器件，主要應(yīng)用于阻尼元件，控制

26、元件和研磨及密封。</p><p>　　目前，磁流變液已經(jīng)開始應(yīng)用于拋光工藝、密封、健身器材、機(jī)械抓持機(jī)構(gòu)、車間依托架、自動化儀表、傳感器等行業(yè)。 在其眾多應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中，研究最多、發(fā)展最快的應(yīng)用領(lǐng)域是汽車座位減振器、剎車器、主動驅(qū)動器以及土模機(jī)構(gòu)減振器。雖然磁流變液是當(dāng)前磁流變材料研究領(lǐng)域的一個(gè)重要部分，在汽車工程、建筑設(shè)計(jì)、機(jī)械減振、醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，但磁流變液的應(yīng)用還不夠廣泛和深入，部分應(yīng)用研

27、究離工程應(yīng)用還有一定的距離。</p><p><b>　　磁流變彈性體</b></p><p>　　磁流變彈性體(Magnetorheological elastomers)是磁流變材料的一部分。它是由高分子聚合物如橡膠和鐵磁性顆粒按一定比例組成，利用磁流變效應(yīng)在外加磁場作用下固化，使鐵磁性顆粒沿磁場方向形成鏈狀的有序結(jié)構(gòu)。磁流變彈性體可以看作是磁流變液的固態(tài)類似物。

28、圖1-1為磁流變彈性體樣品。</p><p>　　圖1-1 磁流變彈性體樣品</p><p><b>　　磁流變彈性體的制備</b></p><p>　　磁流變彈性體是一種新型的可控智能材料，但到目前為止世界上還沒有制備優(yōu)良磁流變彈性體工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且用不同的材料不同的配比和不同的工藝制備的磁流變彈性體性能參差不齊。目前，對于磁流變彈性體的

29、制備方法可以大致總結(jié)分為兩種：</p><p>　　(1)預(yù)結(jié)構(gòu)化制備磁流變彈性體：目前各國研究者大多采用的就是這種制備方法，其內(nèi)容主要就是以一定比例將基體和鐵磁性顆?；旌暇鶆蛑?，在外加磁場的條件下使混合物的固化。通過這種方法會使混合物中的鐵磁性顆粒沿磁場方向下形成類似柱狀或鏈狀的有序結(jié)構(gòu)，這樣當(dāng)混合物固化完成以后基體中就存在這種有序的結(jié)構(gòu)，如圖1-2所示。通過這種制成方法得到的磁流變彈性體是一種各向異性的磁流

30、變材料。</p><p>　　(2)非預(yù)結(jié)構(gòu)化制備磁流變彈性體：這種制備方法的最大特點(diǎn)是在固化過程中不外加磁場，因此與前者相比沒有形成有序的結(jié)構(gòu)，混合物固化之后鐵磁性顆粒在是均勻分布在基體中的，如圖1-3所示。通過這種方法制備的彈性體實(shí)際上是一種各向同性的材料。一般而言，此種彈性體的磁流變效應(yīng)跟預(yù)購化制成的彈性體相比只有其二分之一。</p><p>　　無論是有場或是無場制備的磁流變彈性體

31、，在外加磁場條件下，基體顆粒之間的相互作用都會改變材料本身的一些性質(zhì)，因此它們的性能可以由外加磁場來控制。磁流變彈性體的磁流變效應(yīng)不僅受固化中磁場的強(qiáng)度影響，而且制備方法和制備工藝對其磁流變效應(yīng)也影響很大。</p><p>　　上述兩種方式是現(xiàn)在制備磁流變彈性體的主要方式。在目前的技術(shù)條件下制備出的磁流變彈性體的可控性有限，智能控制還有待提升，從而限制了其在工程上的應(yīng)用。對磁流變彈性體的制備測試和應(yīng)用的進(jìn)一步深入

32、研究，具有十分重要的科學(xué)意義。</p><p>　　圖1-2 有磁場條件下</p><p>　　圖1-3 無磁場條件下</p><p><b>　　磁流變彈性體的組成</b></p><p>　　磁流變彈性體主要由基體和分散其中的鐵磁性顆粒組成。選擇基體材料是，首要考慮其流變學(xué)特性，其次磁導(dǎo)率最好能盡可能低。如硅橡膠

33、，聚乙烯醇合成橡膠等材料。磁性粒子選擇的標(biāo)準(zhǔn)與磁流變液相似，要求顆粒具有高磁導(dǎo)率。常用的磁性顆粒一般是尺寸在1—10um的球狀鐵粉，尺寸較大的不規(guī)則鐵粉也可以使用。</p><p><b>　　磁流變彈性體的特點(diǎn)</b></p><p>　　磁流變彈性體是由高分子聚合物(如橡膠等)和鐵磁性顆粒組成，混合物以一定比例在外加磁場條件下固化，利用磁流變效應(yīng)(即鐵磁性顆粒在磁

34、場方向形成鏈或柱狀聚集結(jié)構(gòu)),使顆粒在基體中形成有序結(jié)構(gòu)。由于磁流變彈性體固化后的有序結(jié)構(gòu)根植在基體中，因此它的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)諸性能可以由外加磁場來控制，磁流變彈性體的磁流變效應(yīng)可控且可逆，響應(yīng)速度非?？?毫秒級)。磁流變彈性體不僅具有磁流變材料和彈性體的特性，而且與磁流變液相比不需要密封裝置，同時(shí)克服了磁流變液顆粒易沉降、不夠穩(wěn)定、易磨損等缺點(diǎn)。</p><p>　　磁流變彈性體的研究現(xiàn)狀</p>

35、<p>　　日本的T.Shiga等人在1995年最早提出磁流變彈性體的概念[1],并嘗試研究了硅樹脂和鐵粉混合制備材料的磁致粘彈性問題。隨后美國Lord公司的喬里等人研制了硅橡膠基磁流變彈性體, 并對該彈性體的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在施加磁場條件后彈性體的剪切模量與原來相比增加約40%[2]。Ford公司的金德等人對天然橡膠基磁流變彈性體進(jìn)行了粘彈特性及應(yīng)用研究,設(shè)計(jì)出基于磁流變彈性體的可控剛度汽車軸襯以及可調(diào)吸振器并申

36、請了專利[3-4]。戴維斯通過計(jì)算機(jī)分析得出顆粒磁飽和的剪切模量相對變化量約為50%[5] 時(shí)顆粒的最佳體積比為27%。此外，法國的博西斯對電磁流變彈性體的電學(xué)、磁學(xué)特性進(jìn)行了初步研究[6]。波蘭的貝德娜雷克對磁流變彈性體的磁致伸縮特性進(jìn)行了深入探討[7]。瑞典的隆科多等人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了不同基體對磁流變彈性體特性的影響[8]。加拿大的Y.Shen等分別研究了聚氨酯和天然橡膠基體的磁流變彈性體,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其剪切模量在0.375T時(shí)分別增加了

37、28%和8%[9]。萊斯大學(xué)的博爾科等人應(yīng)用最小能量原理結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析了磁場對各向同性的磁流變彈性體的拉伸壓縮性能的影響[10]。此外,澳大利亞、奧</p><p>　　相比較國外研究情況，國內(nèi)在磁流變彈性體領(lǐng)域的研究起步較晚。近年來,中國科技大學(xué)、山東大學(xué)、重慶大學(xué)等單位相繼開展了磁流變彈性體的研究。其中中國科技大學(xué)在磁流變彈性體方面展開了大量的研究，開展了磁流變彈性體的材料選型和制備工藝的研究，并且在此基礎(chǔ)之上

38、進(jìn)行了彈性體物理模擬、測試方法和應(yīng)用方面的探究。通過粘塑性體狀態(tài)和流體狀態(tài)建立了研制磁流變彈性體的系統(tǒng)，并分別用硅橡膠和天然橡膠為基體制備出已達(dá)國際領(lǐng)先水平的磁流變彈性體[11]；利用磁流變彈性體作為智能剛度單元初步研制出一種頻率可調(diào)式動力吸振器，該吸振器較傳統(tǒng)的被動吸振器具有更寬的吸振帶寬和更好的吸振性能，并獲得了總裝備部的支持，將應(yīng)用于潛艇的隱身領(lǐng)域[12]。</p><p>　　磁流變液與磁流變彈性體<

39、;/p><p>　　磁流變彈性體可以看作是磁流變液的固態(tài)類似物，但是由于磁流變彈性體具有不同的形態(tài)，它的工作原理和磁流變液是有區(qū)別的，如下所示:</p><p>　　(1) 零磁場條件下，磁流變液中的鐵磁性顆粒的運(yùn)動狀態(tài)是自由的熱運(yùn)動，通過磁勵(lì)線圈外加磁場，可以產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，使顆粒形成有序的結(jié)構(gòu)。通過這種方式所達(dá)到的效果是，磁流變彈性體中的粒子性能發(fā)生了巨大的變化。磁流變液一般是工作在屈服后

40、和流動階段，可以通過控制外加磁場的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)智能控制。通常這種剪切屈服強(qiáng)度可隨非常迅速的在磁場改變一個(gè)數(shù)量級以上。</p><p>　　(2) 與磁流變液相比磁流變彈性體的顆粒移動有限制，因?yàn)榇帕髯儚椥泽w中的顆粒是固化在基體里。與磁流變液不同的是在外加磁場條件下也不會發(fā)生相變現(xiàn)象。磁流變彈性體的特性仍可由磁場來智能控制，而且在這過程中響應(yīng)迅速可逆。磁流變彈性體是一種新型的材料，應(yīng)用前景非常廣闊，我們對它的利用一般

41、是利用磁流變彈性體工作在材料的屈服強(qiáng)度之前。</p><p>　　磁流變彈性體可以看作是磁流變液的固態(tài)模擬，在磁流變彈性體中母液被橡膠所代替。磁流變彈性體相比磁流變液最大的優(yōu)點(diǎn)是顆粒不會隨時(shí)間而沉降,也不需要用密封裝置將磁流變材料進(jìn)行密封。磁流變液通常工作于屈服后的狀態(tài)，而磁流變彈性體只能工作于屈服前的狀態(tài)。這就使得磁流變液與磁流變彈性體各有其可以利用的特點(diǎn),而不能相互取代。</p><p&g

42、t;<b>　　其他磁流變材料</b></p><p>　　研究人員在磁流變液材料的研究基礎(chǔ)之上，通過使用不同性質(zhì)的基體或基液材料，繼制備出磁流變彈性體之后，又相繼發(fā)展出了磁流變膠(Magnetorheologiealgels，MRGs)和磁流變泡沫(Magnetorheologiealgels，F(xiàn)oms)等多種類型的磁流變材料，并成為了一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科方向。磁流變膠是以溶膠作為母液，將鐵磁性

43、顆粒均勻分散到其中混合而成。但其沉降穩(wěn)定性不是非常理想，并且制備成本較高。</p><p><b>　　本論文主要工作</b></p><p>　　磁流變彈性體是一種由鐵磁顆粒和凝膠混合而成的新型可控智能材料。這種彈性材料的最大的優(yōu)點(diǎn)是顆粒不會隨時(shí)間而沉降，也不需要密封裝置。磁流變彈性體在外加磁場條件下，其阻尼和剛度具有可變的特性，近年來廣泛應(yīng)用于減振設(shè)備的設(shè)計(jì)制造上

44、。 </p><p>　　本論文結(jié)合磁流變彈性體的研究現(xiàn)狀以及它在工程中的應(yīng)用情況，基于磁流變彈性體擠壓工作模式，提出了三種減振結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)方案，并利用Matlab的Simulink對其中一種方案進(jìn)行了建模，分析其理想化下的減振效果，總結(jié)對減振結(jié)構(gòu)的減振效果具有重要影響的因素。</p><p><b>　　振動控制簡介</b></p>

45、<p><b>　　機(jī)械振動</b></p><p>　　振動的強(qiáng)弱用振動量來衡量，振動量可以是振動體的位移、速度或加速度。振動量如果超過允許范圍，機(jī)械設(shè)備將產(chǎn)生較大的動載荷和噪聲，從而影響其工作性能和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致零、部件的早期失效。</p><p><b>　　機(jī)械振動定義</b></p><p>　

46、　在自然界、工程技術(shù)、日常生活和社會活動中，普遍存在著物體的往復(fù)運(yùn)動或狀態(tài)的循環(huán)變化。這類現(xiàn)象稱為振蕩。例如大海的波濤起伏、花的日夜開閉、鐘擺的擺動、心臟的跳動、濟(jì)發(fā)展的高漲和蕭條等形形色色的現(xiàn)象都具有明顯的振蕩特性。振動是一種特殊的振蕩，即平衡位置附近微小或有限的振蕩。工程技術(shù)所涉及的機(jī)械的結(jié)構(gòu)的振動稱作機(jī)械振動。</p><p><b>　　振動的分類</b></p>&l

47、t;p>　　由于不同的研究側(cè)重點(diǎn)不同，所以對振動進(jìn)行分類可以從不同的角度進(jìn)行。按對系統(tǒng)的激勵(lì)類型分為自由振動、受迫振動、自激振動、參數(shù)振動；按系統(tǒng)的響應(yīng)類型分為確定性振動、簡諧振動、周期振動、準(zhǔn)周期振動、混沌振動、隨機(jī)振動；按系統(tǒng)的性質(zhì)從不同方面分為確定性系統(tǒng)和隨機(jī)性系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)、定常系統(tǒng)和參變系統(tǒng)、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)。</p><p>　　還需指出，在不同條件下或?yàn)椴煌哪康姆治鐾粋€(gè)振動問

48、題時(shí)，可以建立不同的振動模型。例如，外界激勵(lì)很小的受迫振動可視為自由振動；在較短的時(shí)間間隔內(nèi)研究周期很長的周期振動便與混沌振動難以區(qū)分；連續(xù)系統(tǒng)可將分布參量近似的凝縮為若干集中參量而簡化為離散系統(tǒng)；微幅振動的非線性系統(tǒng)可近似作為線性系統(tǒng)處理。需要指出的是，我們必須通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐來檢驗(yàn)其結(jié)果。只有那些符合或大體符合客觀實(shí)際的結(jié)果才是我們可以借鑒的。因此需要實(shí)際檢驗(yàn)和理論分析來來客觀對待振動問題。</p><p>&

49、lt;b>　　自由振動和受迫振動</b></p><p>　　系統(tǒng)受到起始擾動的激勵(lì)所產(chǎn)生的振動稱為自由振動，是沒有外界能量補(bǔ)充的振動。保守系統(tǒng)在自由振動過程中總機(jī)械能是守恒的，動能和勢能相互轉(zhuǎn)換而維持等幅振動，稱作無阻尼自由振動。無阻尼振動是對實(shí)際問題的理論抽象，實(shí)際生活中機(jī)械能的耗散，使自由振動不能維持等幅而趨于衰減，稱作阻尼自由振動。</p><p>　　系統(tǒng)在外界

50、控制的持續(xù)激勵(lì)作用下所產(chǎn)生的振動稱為受迫振動。需要指出的是，外力的作用可以作為激勵(lì)，同時(shí)基座運(yùn)動所產(chǎn)生的慣性力也可來用于激勵(lì)。激勵(lì)所引起的系統(tǒng)的振動狀態(tài)稱為響應(yīng)。</p><p><b>　　振動控制</b></p><p>　　從廣義上講，振動控制包括兩方面內(nèi)容：有利振動的利用和有害振動的抑制，抑振（即振動控制）。振動控制的任務(wù)是通過一定的手段使受控對象的振動水平滿

51、足人們的預(yù)定要求。 </p><p><b>　　振動控制概述</b></p><p>　　振動控制主要指振動抑制技術(shù)，主要包括消振、隔振、阻振和吸振等多種振動控制技術(shù)。消振，即消弱振源，通過減小激勵(lì)抑制振動；隔振，即振動隔離，通過在振源和控制對象之間串聯(lián)隔振器減小控制對象對振源的響應(yīng)；阻振，即阻尼減振，通過在受控對象上附加阻尼元件或阻尼器來消耗能量減小主系統(tǒng)的響應(yīng)；

52、吸振，即動力吸振，通過在受控對象上附加動力吸振器來降低主系統(tǒng)對振源的響應(yīng)。消振技術(shù)是治本的方法，這種技術(shù)在不平衡轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中很常見；隔振和阻振可以在一定頻段內(nèi)減小受控對象對簡諧和隨機(jī)、單個(gè)和多個(gè)激勵(lì)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)；吸振主要用于減小受控對象在一定頻段內(nèi)對單個(gè)簡諧激勵(lì)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。</p><p><b>　　振動隔離控制</b></p><p>　　振動隔離控制可以形象化

53、為在振源與減振對象之間外加一個(gè)隔振器，用以減小減振對象的機(jī)械振動頻率[13-14]。通常，按照是否有外部能源輸入控制系統(tǒng)，隔振控制可分為兩類：被動隔振和主動隔振[14-15]。某些時(shí)候，前者也稱無源隔振后者也稱有源隔振。</p><p>　　被動隔振控制是為了使外界振動盡可能地少傳到系統(tǒng)中來，這樣設(shè)備和儀器就可以更加準(zhǔn)確，減小外界的干擾，故需要把減振對象和機(jī)座隔離開來，這就是被動隔振。被動隔振器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、

54、成本較低、穩(wěn)定性高，不消耗附加能量，具有普遍的適用性。被動隔振控制目前而言，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于船舶制造和精密儀器等方面 [16]。但是被動隔振控制存在一些局限性，只對某特定頻率進(jìn)行控制，振動調(diào)節(jié)和振動追蹤能力不是很理想。而且由于穩(wěn)定性的限制，被動隔振也無法對低頻振動進(jìn)行衰減，一旦設(shè)計(jì)完成，其參數(shù)很難更改。對于隔振對象系統(tǒng)狀態(tài)變化較大以及外界干擾較強(qiáng)的條件都不太理想。因此現(xiàn)如今研究人員越來越重視研究利用主動元件進(jìn)行隔振。為了克服上述缺點(diǎn)，人們

55、提出了主動隔振的概念[17]。</p><p>　　主動隔振就是隔離振源，指的是機(jī)器本身是振源，它通過機(jī)腳、支座傳至基礎(chǔ)或基座，是振源的震動經(jīng)過減振后在傳遞出去，從而減少對周圍環(huán)境和設(shè)備的影響。主動隔振是在被動隔振的基礎(chǔ)上。主動隔振按形式可分為兩種方式：完全主動隔振，主動/被動混合隔振。由于智能材料的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是兼有主動隔振和被動隔振的優(yōu)點(diǎn)，也就是所說的混合隔振，因此在應(yīng)用上我們不僅可以通過被動控制來消耗系統(tǒng)的能

56、量，同時(shí)可以利用主動隔振來控制系統(tǒng)達(dá)到理想的減振效果，這是當(dāng)前振動隔離技術(shù)的研究熱點(diǎn)。</p><p><b>　　磁流變彈性體減振器</b></p><p>　　磁流變彈性體減振器概述</p><p>　　磁流變彈性體是具有磁流變效應(yīng)的固體材料，一般可由鐵磁顆粒和橡膠或凝膠混合固化而成。使用這種材料的優(yōu)點(diǎn)是顆粒不會隨時(shí)間而沉降，也不需要將磁流

57、變材料保持在一個(gè)密封的工作環(huán)境中。其工作方式主要有兩種，即剪切式和擠壓式?，F(xiàn)如今可控的智能材料有很多，然而含有磁流變材料的智能結(jié)構(gòu)擁有更好的可控性，因?yàn)槠渥枘岷蛣偠饶茉谕饧哟艌龅目刂葡驴梢钥焖倏赡娴馗淖?，且具有響?yīng)速度快、工作能耗低、致動力變化范圍大、埋放工藝和控制方式簡單等優(yōu)點(diǎn)，在減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。</p><p>　　磁流變彈性體減振器研究現(xiàn)狀</p><p>　　Ford公司

58、研究設(shè)計(jì)出一個(gè)套筒，基于磁流變彈性體并已經(jīng)申請了專利，如圖3-1所示。金德等人利用磁流變彈性體是一種可控材料，其阻尼和剛度可由外加磁場控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種磁流變彈性體軸襯，它的特點(diǎn)是不管在軸向和徑向都能實(shí)現(xiàn)不同的剛度，并且設(shè)計(jì)了一種其共振頻率可以通過外加磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)的可調(diào)振子[18]。</p><p>　　圖3-1 磁流變彈性體的汽車懸架套筒</p><p>　　中國科技大學(xué)鄧華夏基

59、于新型智能材料磁流變彈性體設(shè)計(jì)了一種新型減振器[19]，其剪切模量可以實(shí)現(xiàn)智能控制，由于設(shè)計(jì)創(chuàng)新突破已經(jīng)順利申請了專利[20]。</p><p>　　龔興龍等人設(shè)計(jì)出一種減振器，它的頻率是可人為調(diào)控的，因?yàn)榇帕髯儚椥泽w作為一種智能彈性元件其剛度和阻尼可控制。通過控制外界磁場的強(qiáng)度，可以改變磁流變彈性體的剪切模量，即改變了其剛度和阻尼的特性，通過振動力學(xué)我們可知在這種情況下，其固有頻率也會發(fā)生改變。這樣我們可以很清

60、楚的知道這種減振器的原理，就是利用磁場控制磁流變彈性體的剪切模量達(dá)到控制固頻的目的，這樣我們可以時(shí)時(shí)追蹤外界激勵(lì)的頻率變化，主動的通過改變自身固頻使其在一個(gè)合適的范圍之內(nèi)，達(dá)到最佳的減振效果，從而達(dá)到半主動對系統(tǒng)的減振目的，如圖3-2所示。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，0 A條件下，該減振器的固有頻率是55 Hz，1.5 A條件下，該減振器的固有頻率是80 Hz左右，也就是說固頻改變達(dá)到了25 Hz。當(dāng)然與被動減振器相比的話，可以在更寬的頻率范圍內(nèi)

61、對系統(tǒng)起到減振的良好效果。</p><p>　　王蓮花等人將遺傳算法改進(jìn)移植到吸振器，對其進(jìn)行優(yōu)化控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種遺傳算法的特點(diǎn)是可以全局搜索并且快速收斂，因而能使吸振器快速找到最佳的減振效果點(diǎn)，經(jīng)過優(yōu)化控制的磁流變彈性體自調(diào)諧式吸振器在移頻范圍內(nèi)具有良好的減振效果，其減振效果最高可達(dá)25dB[21]，其吸震器結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-2 半主動吸振技術(shù)原理

62、圖 圖3-3 吸震器結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　華南理工大學(xué)王世旺等人通過大量實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，對磁流變彈性體的阻尼剛度變化對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響情況做出了深入了概述。他創(chuàng)新性的基于磁流變彈性體的剪切模式下應(yīng)用于滾動軸承上。通過實(shí)驗(yàn)得出要想得到良好的減振效果，就要使用性能優(yōu)良的磁流變彈性體材料，并且提出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣磁流變彈性體的阻尼和剛度才會有很好的可控性；另一方面外加磁場的增強(qiáng)會

63、改變磁流變彈性體的特性表現(xiàn)為剛度也增大，這對系統(tǒng)整體的減振起到關(guān)鍵的作用，磁流變彈性體減振器的結(jié)構(gòu)如圖3-4所示[22]。</p><p>　　圖3-4 磁流變彈性體減振器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　九江學(xué)院的丁志華等人與英國格拉斯哥大學(xué)合作，利用磁流變彈性體做成空氣彈簧，已獲得國家實(shí)用新型發(fā)明專利。主要通過對磁流變彈性體的微觀物理力學(xué)機(jī)理及高性能磁流變橡膠的制備工藝等研究，開發(fā)出一種在

64、磁場變化條件下可以實(shí)時(shí)改變高度和剛度的空氣彈簧，以解決車輛懸架存在的舒適性和穩(wěn)定性不能兼顧等問題，它不僅可以提高車輛的舒適性、行駛平順性和操作穩(wěn)定性，還可以減少車輛關(guān)鍵承載零部件的損壞，以及車輛特別是重載車輛對路面的破壞?？蓮V泛應(yīng)用于各種機(jī)動車的懸架減振系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景[23]。</p><p>　　佛山大學(xué)汪建曉和華南理工大學(xué)王世旺等人研究設(shè)計(jì)了一種自定心擠壓式磁流變彈性體阻尼器。這個(gè)減振器不同于其他的

65、剪切式減振器，而是基于磁流變彈性體的擠壓工作模式而設(shè)計(jì)出的，如圖3-5所示。在設(shè)計(jì)出減振結(jié)構(gòu)后，他們還系統(tǒng)研究了支承在該減振器上的柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應(yīng)特性[24]。通過大量的實(shí)驗(yàn)測試分析表明，磁流變彈性體的阻尼和剛度隨著外加磁場的加強(qiáng)而增加；這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速相比未采用此減振器的系統(tǒng)而言大大提高了，此外對于二階臨界轉(zhuǎn)速下的機(jī)械振動可以利用增加一個(gè)開關(guān)來減小。擠壓式磁流變彈性體阻尼器對于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機(jī)械振動有著良好的減振效果，

66、相比較基于剪切模式才減振器更佳穩(wěn)定和易于操作。</p><p>　　圖3-5 擠壓式磁流變彈性體阻尼器結(jié)構(gòu)</p><p>　　浙江師范大學(xué)機(jī)械裝備與測控技術(shù)研究所的王鴻云等人對磁流變液在不同直流電作用下的準(zhǔn)靜態(tài)擠壓過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[25]。建立了用于測試磁流變液擠壓模式下的力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)裝置。并通過ANSYS對此實(shí)驗(yàn)裝置磁路的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布進(jìn)行了仿真分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：壓應(yīng)力與壓應(yīng)變

67、、外加電流大小和磁流變液本身的性能都有密切的關(guān)系。對研究磁流變彈性體在擠壓模式下的減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很重要的參考價(jià)值。</p><p>　　浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的付華等人在分析了擠壓式磁流變彈性體減振器工作原理的基礎(chǔ)上，通過磁路計(jì)算，推到出擠壓式磁流變彈性體減振器的阻尼計(jì)算公式[26]。測量了該納米級鐵磁流體在零磁場下粘度。以納米級磁流變彈性體為例，分別計(jì)算出該減振器在設(shè)定條件下的阻力－位移、阻力－速

68、度變化規(guī)律。并討論位移、速度、加速度和勵(lì)磁線圈電流對阻尼的綜合影響。為擠壓式磁流變彈性體減振器的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)。</p><p>　　磁流變彈性體擠壓模式減振結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)</p><p>　　圓盤式磁流變彈性體減振器</p><p><b>　　設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　磁流變彈性體是一種新型智能

69、材料,在外磁場的作用下能在瞬間(毫秒級)改變其剛度與阻尼特性，而且這種變化是可逆的?；诖帕髯儾牧系倪@種特性可以開發(fā)各種減振控制的器件。由于磁流變彈性體減振器一般體積較小，功耗較少，并且響應(yīng)頻率較高、動態(tài)圍較廣和適應(yīng)面更寬。與傳統(tǒng)的被動式減振器相比，適應(yīng)性更好；與主動減振器相比，不需要復(fù)雜的控制算法并且減振器更加穩(wěn)定。因此使其成為磁流變彈性體最重要的研究領(lǐng)域。</p><p>　　目前國際上研究出很多基于磁流變體

70、的減振器。盡管形式上各種各樣，但歸結(jié)起來可以分為3大類：壓力驅(qū)動模式、剪切模式和擠壓模式?，F(xiàn)今研究狀況是對于剪切模式下的大行程磁流變減振控制已進(jìn)行了很多研究,但是基于擠壓工作下的磁流變彈性體減振器的研究相對較少?；跀D壓式減振器小位移大阻尼的特點(diǎn)，多應(yīng)用于精密儀器(天平，光學(xué)設(shè)備等)消除外界振動噪聲的干擾。</p><p>　　徐春暉等研究了牛頓流體在平行圓盤間的擠壓流動, 根據(jù)二階流體本構(gòu)關(guān)系發(fā)現(xiàn)了量綱一的法向

71、粘性力特性。勞恩等研究了具有滑移現(xiàn)象的牛頓流體與冪率流體的圓盤擠壓流特性。庫馬里等研究了平行圓盤擠壓下流體的非穩(wěn)定流動。加特林等研究了賓漢流體的圓盤擠壓流。朱克勤等研究分析了磁流變液在擠壓模式下的流動特性,得出了擠壓力會由外加電壓的變化而變化。目前世界上對磁流變液在擠壓工作下的特點(diǎn)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析,相比而言，基于擠壓模式的磁流變減振器的研究相當(dāng)少,故本人基于磁流變彈性體的特性，設(shè)計(jì)了基于擠壓模式的圓盤式磁流變彈性體減振器,

72、為磁流變彈性體減振器設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　圖4-1為基于擠壓模式下的圓盤式磁流變彈性體減振結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，1是螺釘；2是上封蓋；3是圓形推盤；4是磁流變彈性體；5是勵(lì)磁線圈；6是基座?；鶅?nèi)有圓形凹槽，墊有圓形磁流變彈性體，該磁流變彈性體由按一定比例混合的硅油、硅橡膠和鐵粉，在室溫下固化得到的。磁流

73、變彈性體在制備時(shí)外加了磁場以使其內(nèi)部沿磁場方向形成鏈狀結(jié)構(gòu)。推盤上方仍有一層環(huán)形磁流變彈性體。緊貼在磁流變彈性體和推盤外邊的是勵(lì)磁線圈，上封蓋與基座用螺釘連接固定。</p><p>　　1—螺釘；2—上封蓋；3—圓形推盤；</p><p>　　4—磁流變彈性體；5—?jiǎng)?lì)磁線圈；6—基座</p><p>　　圖4-1 圓盤式磁流變彈性體減振結(jié)構(gòu)</p>

74、<p><b>　　工作原理</b></p><p>　　圓形推盤上方可放減振對象，例如發(fā)動機(jī)。磁流變彈性體減振器上部直接與發(fā)動機(jī)相連,因此發(fā)動機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由圓形磁流變彈性體承受其重量。當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生機(jī)械振動通過圓形推盤傳遞到支撐座,圓形推盤與下方擠壓圓盤是一個(gè)整體從而使其上下運(yùn)動。勵(lì)磁線圈通電后產(chǎn)生磁場,垂直于擠壓圓盤,同時(shí)也垂直于磁流變彈性體。而磁流變彈性體內(nèi)的鏈或柱狀聚集

75、結(jié)構(gòu)的顆粒也是垂直于圓形推盤的。磁場的產(chǎn)生是由于線圈通電，控制電流大小即可控制磁場強(qiáng)度，進(jìn)而改變彈性體的性質(zhì)，從而達(dá)到減振器減振的目的。上封蓋、基座、圓形推盤作為磁路引導(dǎo)元件，均由低碳鋼制造，以保證磁場沿垂直于圓形推盤表面的方向穿過磁流變彈性體。</p><p>　　基于滑動軸承的磁流變減振結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)思路</b></p>&l

76、t;p>　　根據(jù)軸承中摩擦性質(zhì)的不同，可把軸承分為滑動摩擦軸承（簡稱滑動軸承）和滾動摩擦軸承（簡稱滾動軸承）兩大類。滾動軸承由于摩擦系數(shù)小，啟動阻力小，而且它已標(biāo)準(zhǔn)化，選用、潤滑、維護(hù)都很方便，因此在一般及其中應(yīng)用廣泛。且基于滾動軸承利用磁流變彈性體在擠壓工作下的減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)有很多。</p><p>　　滑動軸承是在滑動摩擦條件下工作的軸承，如圖4-2所示。利用液體潤滑使滑動表面不發(fā)生直接接觸，不僅可以

77、很好的減小表面磨損和減小摩擦損失，并且利用油膜還能達(dá)到一定的吸振效果。軸被軸承支承的部分稱為軸頸，與軸頸相配的零件稱為軸瓦。為了改善軸瓦表面的摩擦性質(zhì)而在其內(nèi)表面上澆鑄的減摩材料層稱為軸承襯。軸瓦和軸承襯的材料統(tǒng)稱為滑動軸承材料?；瑒虞S承應(yīng)用場合一般在低速重載工況條件下，或者是維護(hù)保養(yǎng)及加注潤滑油困難的運(yùn)轉(zhuǎn)部位。但盡管在低速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，任然會產(chǎn)生機(jī)械振動，影響系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和壽命。磁流變彈性體可用于控制振動系統(tǒng)的阻尼和剛度，已在汽車、

78、機(jī)械、建筑等領(lǐng)域的振動主動控制方面得到了一定的應(yīng)用。根據(jù)軸頸及其支承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和振動特點(diǎn)，可將擠壓式磁流變彈性體引入滑動軸承的振動控制中。但本人對擠壓式磁流變液彈性體應(yīng)用于滑動軸承的振動控制中只是一種設(shè)想，利用磁流變彈性體進(jìn)行理論上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，希望對磁流變彈性體在滑動軸承上的應(yīng)用以及其工程應(yīng)用提供一些參考價(jià)值。</p><p>　　圖4-2 徑向滑動軸承示意圖</p><p><b

79、>　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　圖4-3是基于滑動軸承的磁流變彈性體減振結(jié)構(gòu)的簡圖。1為軸頸；2為油孔；3為軸承蓋；4為勵(lì)磁線圈；5為磁流變彈性體；6為軸瓦；7為銷釘；8為軸承座。軸瓦為凸緣設(shè)計(jì)，與軸承蓋和軸承座配合，防止其軸向移動。軸瓦與軸承座利用銷釘定位，防止軸瓦周向移動。為了使軸瓦與軸頸的油膜均勻潤滑，創(chuàng)新性的將油孔開在軸瓦兩端，而非傳統(tǒng)的由軸承座中間開設(shè)油孔。軸瓦的外面由一層

80、在室溫下固化而得的磁流變彈性體包裹。該彈性體在模具中固化時(shí)外加一定磁場提高磁流變效應(yīng)，以使鐵磁性顆粒沿磁場方向形成有序的結(jié)構(gòu)。軸承蓋、軸承座與磁流變彈性體緊貼接觸。利用雙頭螺柱連接固定軸承蓋與軸承座。</p><p>　　1—軸頸；2—油孔；3—軸承蓋；4—?jiǎng)?lì)磁線圈；</p><p>　　5—磁流變彈性體；6—軸瓦；7—銷釘；8—軸承座</p><p>　　圖4-3

81、 基于滑動軸承的磁流變彈性體減振結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　工作原理</b></p><p>　　系統(tǒng)工作時(shí)，軸頸由于軸的機(jī)械振動而產(chǎn)生小位移振動，又由于軸自身重量，使得軸瓦擠壓磁流變彈性體面。我們通以直流電讓線圈產(chǎn)生磁場，因而磁場強(qiáng)度可以由線圈的電流來控制，也就達(dá)到了控制磁流變彈性體彈性模量的目的，最終智能控制減振器的減振效果。軸承蓋、軸承座作為磁路引導(dǎo)元件

82、，因此制造材料均由低碳鋼用以保證磁場沿垂直于軸瓦表面的方向穿過磁流變彈性體。</p><p>　　基于輪胎聯(lián)軸器的磁流變減振結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的主動軸和從動軸的機(jī)械零件，其作用是使兩軸共同旋轉(zhuǎn)從而達(dá)到傳遞扭矩，如圖4-4所示。在不同機(jī)構(gòu)的傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖減

83、振并提高系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的作用。根據(jù)聯(lián)軸器對各種相對位移有無補(bǔ)償能力，即能否在發(fā)生相對位移條件下保持連續(xù)的功能，聯(lián)軸器可分為無補(bǔ)償功能的剛性聯(lián)軸器和有補(bǔ)償功能的撓性聯(lián)軸器兩大類。然而對于撓性聯(lián)軸器而言，因是否含有彈性元件，又可分為有彈性元件的撓性聯(lián)軸器和無彈性元件的撓性聯(lián)軸器兩個(gè)類別。</p><p>　　對于前者因裝有彈性元件，在補(bǔ)償兩軸間的相對位移同時(shí)還具有緩沖減振的能力。彈性元件所能儲藏的能量愈多，則聯(lián)軸器的

84、緩沖能力愈強(qiáng)。制造彈性元件的材料有橡膠、塑料等，其特點(diǎn)為質(zhì)量小，價(jià)格便宜，有良好的彈性滯后性能，因而減振能力強(qiáng)。而其中的輪胎式聯(lián)軸器富有彈性，具有良好的減振能力，能有效地降低動載載荷和補(bǔ)償較大的軸向位移，而且絕緣性能好，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無噪聲。</p><p>　　磁流變彈性體是一種新型智能材料,在外磁場的作用下能在瞬間(毫秒級)改變其剛度與阻尼特性。將磁流變彈性體材料應(yīng)用與輪胎式聯(lián)軸器，通過對外加磁場的控制改變其剛度與阻

85、尼，從而達(dá)到更佳的減振效果，使輪胎式聯(lián)軸器的應(yīng)用范圍更廣。</p><p>　　圖4-4 輪胎式聯(lián)軸器</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　輪胎式聯(lián)軸器分為凸型和凹型兩大類，凸型又分為帶骨架整體式、無骨整體式和徑向切口式三種。它們的共同特點(diǎn)都是將輪胎環(huán)用螺栓來連接兩半聯(lián)軸器以實(shí)現(xiàn)兩軸的連接。輪胎環(huán)內(nèi)側(cè)用硫化方法與

86、鋼質(zhì)骨架粘接成一體，骨架上的螺栓孔處焊有螺母。裝配時(shí)用螺栓與兩半聯(lián)軸器的凸緣連接，依靠擰緊螺栓使輪胎與凸緣端面之間產(chǎn)生的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩，輪胎環(huán)工作時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)剪切變形，故輪胎聯(lián)軸器具有很高的彈性，補(bǔ)償兩軸相對位移的能力較大，并有良好的阻尼，而且結(jié)構(gòu)簡單、不需潤滑、裝拆和維護(hù)都比較方便。</p><p>　　圖4-5是基于輪胎式聯(lián)軸器的磁流變彈性體減振結(jié)構(gòu)的簡圖。1是橡膠或橡膠織物制成的彈性元件；2是磁流變彈性體；

87、3是螺釘；4是半聯(lián)軸器；5是壓板；6是勵(lì)磁線圈。如圖所示，用橡膠或橡膠織物制成輪胎狀彈性元件，兩端用壓板及螺釘分別壓在兩個(gè)半聯(lián)軸器上，聯(lián)軸器與彈性元件之間夾著一層磁流變彈性體。兩個(gè)半聯(lián)軸器之間是勵(lì)磁線圈，勵(lì)磁線圈邊緣緊貼橡膠彈性體，以保證其固定?！?lt;/p><p>　　1—橡膠或橡膠織物制成的彈性元件；2—磁流變彈性體；</p><p>　　3—螺釘；4—半聯(lián)軸器；5—壓板；6—?jiǎng)?lì)磁線圈&

88、lt;/p><p>　　圖4-5 基于輪胎式聯(lián)軸器的磁流變彈性體減振結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　工作原理</b></p><p>　　輪胎式聯(lián)軸器工作時(shí)，聯(lián)軸器所連接的兩根軸因高速轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生振動，軸之間產(chǎn)生軸向位移，使得壓板持續(xù)不斷的擠壓磁流變彈性體。通以直流電讓線圈從而產(chǎn)生外加磁場，因此可以控制線圈電流大小來可控制磁場強(qiáng)度，進(jìn)而可以改變磁

89、流變彈性體的性質(zhì)達(dá)到減振的效果，使輪胎式聯(lián)軸器不僅可以補(bǔ)償兩軸間的相對位移，而且緩沖減振效果更好。</p><p>　　磁流變減振器減振效果分析</p><p><b>　　振動模型建立</b></p><p>　　上述文章所闡述的三種減振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，都是基于磁流變彈性體擠壓工作模式下設(shè)計(jì)出的。為便于讀者認(rèn)識磁流變彈性體擠壓工作模式下減振結(jié)構(gòu)的

90、減振效果分析，筆者選擇相對而言結(jié)構(gòu)簡單的第一種設(shè)計(jì)方案即圓盤式磁流變彈性體減振結(jié)構(gòu)進(jìn)行減振效果的理想化分析，為磁流變彈性體應(yīng)用于減振器件的設(shè)計(jì)制造提供一些理論支持。</p><p>　　我們只考慮圓盤式磁流變彈性體減振器垂直方向上的運(yùn)動。假設(shè)輸入的周期信號是一個(gè)正弦波，則磁流變彈性體減振器的減振模型可以簡化成如圖5-1所示。</p><p>　　圖5-1 圓盤式磁流變彈性體減震結(jié)構(gòu)振動模

91、型</p><p>　　圓形推盤簡化為質(zhì)量塊M；磁流變彈性用剛度K和阻尼C組成的減振系統(tǒng)代替。</p><p><b>　　受迫振動分析</b></p><p>　　設(shè)在質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)上直接作用以簡諧變化的激勵(lì)力F(t)，激勵(lì)力的存在使系統(tǒng)的動力學(xué)方程成為非齊次方程：</p><p>　　方程中X為復(fù)變量，它表示在

92、簡諧激振力的作用下產(chǎn)生的持續(xù)等幅振動，稱作穩(wěn)態(tài)響應(yīng)?？蓪懽鳎?lt;/p><p>　　其中X為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的復(fù)振幅。將上式代入非齊次方程，導(dǎo)出：</p><p>　　將非齊次方程各項(xiàng)除以m，寫作以下標(biāo)準(zhǔn)形式</p><p>　　其中：是減振系統(tǒng)的固有頻率；</p><p>　　是減振系統(tǒng)的阻尼比；</p><p>　　圖5-2

93、為幅頻特性曲線。</p><p>　　圖 5-2 幅頻特性曲線</p><p>　　SIMULINK仿真分析</p><p>　　SIMULINK簡介</p><p>　　Simulink是一種基于MATLAB框圖設(shè)計(jì)環(huán)境的可視化仿真工具，其功能包括實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析，因此在數(shù)字控制、數(shù)字信號處理、線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的系統(tǒng)建模仿真

94、中被廣泛應(yīng)用。</p><p>　　Simulink建模方式有三種：用連續(xù)采樣時(shí)間建模、用離散采樣時(shí)間建模和用兩種混合的采樣時(shí)間建模。對于系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率的系統(tǒng)，它也支持。Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口，英文縮寫為GUI，用于創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型。對于這個(gè)創(chuàng)建過程，我們只需簡單的鼠標(biāo)操作就能完成，因此它提供了一種更快捷、更直接的方式讓用戶在第一時(shí)間清晰的看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

95、</p><p>　　SIMULINK仿真分析</p><p>　　首先打開MATLAB軟件，如圖5-3。</p><p>　　圖5-3 MATLAB界面</p><p>　　在命令行輸入指令simulink，打開SIMULINK功能界面，如圖5-4所示。</p><p>　　圖5-4 SIMULINK界面<

96、/p><p>　　利用模型方塊仿真磁流變減振器的振動模型，仿真模型如圖5-5所。</p><p>　　圖 5-5 仿真模型</p><p>　　振動模型中，推盤質(zhì)量M=2Kg，所選用磁流變彈性體為圓形，直徑D=70mm，厚度H=10mm，線圈匝數(shù)為1000匝，線徑是0.5cm，電阻為24Ω，在250mT場強(qiáng)條件下，阻尼C=12N/（m/s），剛度K=200N/m。&l

97、t;/p><p>　　圖 5-6 帶參數(shù)仿真模型</p><p>　　根據(jù)固有頻率，可算得固有頻率為10Hz。再根據(jù)幅頻特性曲線圖，激振頻率取固有頻率的三倍會有較好的減振效果，即30Hz。將參數(shù)帶入仿真模型進(jìn)行仿真分析，如圖5-6所示。所得結(jié)果如圖5-7、5-8所示。圖5-7所示的是減振前的振動情況，圖5-8所示的是通過圓盤式磁流變彈性體減振結(jié)構(gòu)減振后的效果。由圖可知通過圓盤式磁流變彈性體減

98、振結(jié)構(gòu)可將振動減小至原來的30%左右，可見減振效果非常理想。</p><p>　　圖 5-7 250mT場強(qiáng)下減振前效果</p><p>　　圖 5-8 250mT場強(qiáng)下減振后效果</p><p>　　若不根據(jù)幅頻特性曲線取合適的激振頻率，例如取1.5倍的固有頻率，即15HZ，將參數(shù)如上帶入仿真模型后得出的結(jié)果如圖5-9、5-10所示。圖5-9為減振前的振動效果

99、，圖5-10為減振后的效果圖?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的減振效果十分不理想，因此激振頻率的控制和選擇對系統(tǒng)的整體減振效果也起到很重要的作用。</p><p>　　圖 5-9 15HZ激振下減振前效果</p><p>　　圖 5-10 15HZ激振下減振后效果</p><p>　　當(dāng)在場強(qiáng)為500mT情況下，磁流變彈性體阻尼C=26N/（m/s），剛度K=320N/m，

100、通過計(jì)算得出固有頻率為13HZ。同樣，我們?nèi)〖ふ耦l率為三倍的固有頻率大小即39Hz。將各參數(shù)帶入仿真模型，分析結(jié)果如圖5-11、5-12。</p><p>　　圖 5-11 500mT場強(qiáng)下減振前效果</p><p>　　圖 5-12 500mT場強(qiáng)下減振后效果</p><p>　　通過對比發(fā)現(xiàn)，雖然此時(shí)磁流變減振器對系統(tǒng)仍有減振作用，但減振效果沒有前面的理想，

101、這也說明控制磁流變減振器的電流來控制外加磁場的大小，繼而控制磁流變彈性體的剛度和阻尼，使其達(dá)到一個(gè)合適的范圍，對系統(tǒng)的減振效果也有著重要的作用。</p><p><b>　　減振分析小結(jié)</b></p><p>　　從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析，磁流變彈性體的阻尼對減振系統(tǒng)的減振效果影響很大，固有頻率相對較低則減振效果更明顯，同時(shí)激勵(lì)頻率要避開系統(tǒng)的固有頻率，在激振頻率與固

102、有頻率之比大于2的情況下，阻尼越大，減振效果越差，但是都能起到減振的作用。從這個(gè)仿真結(jié)果中，可知我們在磁流變彈性體減振系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮好激振頻率和控制好磁場強(qiáng)度，從而控制減振裝置的減振效果。所以在設(shè)計(jì)磁流變彈性體減振結(jié)構(gòu)系統(tǒng)時(shí)，我們要結(jié)合這種磁流變材料一些本身特性和減振規(guī)律，選擇合適的磁流變材料，合適的磁場條件，合適的減振結(jié)構(gòu)，和合適的激振頻率，從而獲得較好剛度和阻尼達(dá)到最理想的減振效果。</p><p&g

103、t;<b>　　總結(jié)</b></p><p>　　磁流變彈性體是一種新型的可控智能材料，具有很好的發(fā)展前景并且在實(shí)際應(yīng)用上有巨大的潛力，尤其在振動控制等領(lǐng)域有著深入和廣泛的應(yīng)用前景。與其他研究文獻(xiàn)相比，本文通過對磁流變彈性體性能的研究，以及對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了解基礎(chǔ)之上，分析比較已有的磁流變彈性體減振結(jié)構(gòu)器件，設(shè)計(jì)出了三種不同形式的基于擠壓模式下的磁流變彈性體減振結(jié)構(gòu)。取得了如下成果：&

104、lt;/p><p>　　(1)通過查找資料，翻閱文獻(xiàn)，對磁流變彈性體的發(fā)展、特點(diǎn)、制備方法和加工工藝、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，以及應(yīng)用前景進(jìn)行了歸納和總結(jié)，并有詳細(xì)的說明和闡述。對磁流變彈性體擠壓工作下的減振結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。</p><p>　　(2)基于磁流變彈性體的擠壓方式，提出了三種磁流變彈性體的減振結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，并附有結(jié)構(gòu)簡圖，詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)思路和工作原理。對磁流變彈性

105、體擠壓工作下的減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一些新的思路和想法。</p><p>　　(3)對圓盤式磁流變彈性體減振結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并建立了仿真模型，利用SIMULINK系統(tǒng)對其進(jìn)行減振效果的分析。在實(shí)驗(yàn)中比較分析了不同磁場、不同激振頻率的磁流變彈性體減振效果。初步得出影響磁流變彈性體減振效果的幾個(gè)因素，在此基礎(chǔ)上探討了磁流變彈性體在以后減振應(yīng)用上的注意點(diǎn)。同時(shí)，也證明了筆者所設(shè)計(jì)的圓盤式磁流變彈性體減振結(jié)構(gòu)有良好的減振效果

106、。</p><p>　　當(dāng)然，由于所研究內(nèi)容涉及的知識較廣較新，有一定的難度，筆者理論水平有限以及其他客觀原因的存在，所以在對磁流變彈性體的機(jī)理性能、特性測試和工程應(yīng)用的研究上，本文中還存在許多不足和缺點(diǎn)，基于擠壓模式的磁流變彈性體減振結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)仍有許多困難需要克服。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　T.

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