电流变液体减振器及其阻尼介质特性研究
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摘要
电流变技术是一门研究电流变效应及其工程应用的技术。电流变效应是指某种特殊流体在电场作用下，其流变特性发生变化的效应。通常是指电流变流体在外加电场作用下其流动阻力，抗剪切能力增加的效应。这种流变特性的变化具有时间响应快、变化可逆、变化范围大、可连续控制等特点，控制外加电场强度可以方便地控制电流变流体的力学参数。它在工程应用领域存在巨大的潜力。
结合科研题目，本论文以电流变液体减振器及其阻尼介质特性为研究重点，在以下方面进行了深入的研究并取得了重要的成果：
1.在分析筒式电流变液体减振器内部电流变阀中流体的流动的基础上，运用流变力学理论和液压理论，推导出筒式电流变液体减振器阻尼力与振动速度、外加电场强度之间的数学模型。该模型为筒式电流变液体减振器的设计以及分析减振器的速度特性提供了非常有价值的理论依据。
减振器是汽车悬架系统中的阻尼元件，它的性能对乘座舒适性、车轮动载荷及悬架动行程等有直接的影响，其数学模型的建立一直是国内外汽车动力学领域中的重要研究课题。以前的相关研究电流变减振器时，都将电流变阀视为平行板的结构作为重点，而讨论同心圆筒式电流变阀的很少，本论文对同心圆筒电流减振器的数学模型详细研究。
2.从汽车悬架系统的角度，建立了电流变液体减振器动力学模型，设计采用模型参数在线辨识与最小方差自校正调节器相结合的自适应控制策略，实现对电流变液体减振器组成的半主动悬架系统的控制。
目前，有关应用自适应控制策略的车辆半主动悬挂系统的研究有两类：随机次优参数自适应控制系统和自校正控制系统。前者是利用扩大状态变量法，把线性系统的参数自适应控制问题化为一类等价的非线性随机控制问题。是以状态模型描述的随机自适应控制系统，其算法一般者较复杂。后者是根据受控系统的输入、输出数据、在线辨识对象参数，并自动调整节器或控制器参数，使系统在某一性能指标下运行在最优或次优状态。
对于由电变液体减振器构成的车辆半主动悬挂系统，由于实际系统地面随机激励、电流变液体结构参数和系统模型参数的不确定性，传感器测量噪声以及温度对电流变液体性能的影响，采用了模型参数在线辨识与最小方差自校正调节器相结合的自适应控制策略。
3.分析了电流变液体减振器阻尼介质的特性，对典型电流变材料聚苯胺的合成条件进行了研究，并对影响电流变效应的因素进行了实验分析。
通过对电流变效应的机理研究，在对其宏观性能实验和微观结构观察的基础上,通过对电流变效应影响因素的分析，从合成条件（聚合温度、酸度和滴加方式）和去掺杂条件（碱的类型、pH值、浸泡时间）等方面，研究这些因素对聚苯胺/硅油体系的电流变液性能的影响，提出了低温合成聚苯胺的方法。
4.设计并试制了一种结构简单的充气式电流变液体减振器，对影响减振器性能的主要结构参数进行了分析讨论，给出了减振器设计中参数选择的一般原则和应注意的问题。
为了实现电压调节减振器阻尼力大小，在减振器结构上尽可能让大部分的电流变液通过外加电场的间隙，确保电流变液发挥最大的效能；从结构上保证，作
为正极和负极的两部分要有很高的绝缘性，以避免击穿和电晕现象； 结构上保证在压缩行程和回复行程中不出现空程；通过调节实现压缩行程时的阻尼力小于回复行程的时阻尼力；至于当车轮与车架的相对运动速度大时，减振器的阻尼力应保持在一定的范围内，可以通过传感器检测其相对运动速度，来控制阻尼力大小。
5.讨论了电流变减振器的速度特性和示功特性，按照国家标准进行了电流变减振器的台架实验。通过台架实验，对所设计的电流变液体减振器性能进行了考察，主要考察了不同电流变液配方、不同充气压力、不同内外筒间隙下电流变减振器的示功图和速度特性曲线。
随着电场强度升高，复原和压缩阻尼力均随之增大，在低速时阻尼力可调节范围随电压变化较大，当振动速度提高，阻尼力可调节范围减小，在减振器实际运行过程中，由于温度升高使电流变液粘度降低，所加电压必须考虑温衰的影响；减振器的充气压力在0.4~1Mpa时主要影响复原和压缩阻力的大小，对示功图曲线的光滑饱满影响不大；所设计的减振器示功图曲线光滑饱满，说明该减振器结构良好，满足工程要求，设计是成功的
ElectroRhological technology study for electrorheological effect and engineering application. Electrorheological effect refers to the situation in which the electrorheological property of a particular fluid (electrorheological fluid) acted upon an electric field will change. It normally refers to the phenomenon in which the resistance to flow and shear yield stress of ER fluid acted upon by an applied electric field will increase. The change of the ER property is of such features as promptly response time, convertible and wide range change, and continuous controllability. Controlling an applied electric field can regulate mechanical parameters of ER field. There have been great potential applications in engineering.
To focus on the Study of electrorheological damper and characteristic of damping medium, following works have been completed：
1. The ER fluid's rheological behavior in the ER valve of an ERF damper has been analyzed and developed. Applying the theory of rheodynamics and hydraulic theory, the relationship of damping vs vibratory velocity and electric field strength has been set up. The relationship is valuable foundation for improving on the mechanism of ERF damper and studying the velocity property.
2. In automobile suspension system, the dynamics model of ERF damper has been set up. The adaptive controlling strategy which is composed of the online identification of model parameters and the least-square-error self-tuning regulator is adopted to control the semi-active suspension system which is compose of ERF damper.
3. The characteristic of electrorheological damping medium has been analyzed, the material of ER, dispersing particle, is key of ER fluid's performance. This paper analyzes synthetic condition of polyaniline particle. Other factors of influencing ER effect such as size and shape of particle, volume fraction, electric field strength, shear rate, temperature are discussed. Several theories of interpreting the mechanism of ER effect are introduced, polarization mechanism of particle is
analyzed.
4. A new gas-filled ER damper is developed. The main structure parameter of influencing ER damper performance are discussed, some design principles of ER damper are given.
5. The ER damper is tested in bench test according to national standard, including schematics of damping force vs. displacement of piston, damping force vs. velocity of piston ,etc. for different composition of ER fluids, gas-filled pressure, gap between inner and outside cylinder and temperature. The error of damping force between calculation and test is analyzed
结合科研题目，本论文以电流变液体减振器及其阻尼介质特性为研究重点，在以下方面进行了深入的研究并取得了重要的成果：
1.在分析筒式电流变液体减振器内部电流变阀中流体的流动的基础上，运用流变力学理论和液压理论，推导出筒式电流变液体减振器阻尼力与振动速度、外加电场强度之间的数学模型。该模型为筒式电流变液体减振器的设计以及分析减振器的速度特性提供了非常有价值的理论依据。
减振器是汽车悬架系统中的阻尼元件，它的性能对乘座舒适性、车轮动载荷及悬架动行程等有直接的影响，其数学模型的建立一直是国内外汽车动力学领域中的重要研究课题。以前的相关研究电流变减振器时，都将电流变阀视为平行板的结构作为重点，而讨论同心圆筒式电流变阀的很少，本论文对同心圆筒电流减振器的数学模型详细研究。
2.从汽车悬架系统的角度，建立了电流变液体减振器动力学模型，设计采用模型参数在线辨识与最小方差自校正调节器相结合的自适应控制策略，实现对电流变液体减振器组成的半主动悬架系统的控制。
目前，有关应用自适应控制策略的车辆半主动悬挂系统的研究有两类：随机次优参数自适应控制系统和自校正控制系统。前者是利用扩大状态变量法，把线性系统的参数自适应控制问题化为一类等价的非线性随机控制问题。是以状态模型描述的随机自适应控制系统，其算法一般者较复杂。后者是根据受控系统的输入、输出数据、在线辨识对象参数，并自动调整节器或控制器参数，使系统在某一性能指标下运行在最优或次优状态。
对于由电变液体减振器构成的车辆半主动悬挂系统，由于实际系统地面随机激励、电流变液体结构参数和系统模型参数的不确定性，传感器测量噪声以及温度对电流变液体性能的影响，采用了模型参数在线辨识与最小方差自校正调节器相结合的自适应控制策略。
3.分析了电流变液体减振器阻尼介质的特性，对典型电流变材料聚苯胺的合成条件进行了研究，并对影响电流变效应的因素进行了实验分析。
通过对电流变效应的机理研究，在对其宏观性能实验和微观结构观察的基础上,通过对电流变效应影响因素的分析，从合成条件（聚合温度、酸度和滴加方式）和去掺杂条件（碱的类型、pH值、浸泡时间）等方面，研究这些因素对聚苯胺/硅油体系的电流变液性能的影响，提出了低温合成聚苯胺的方法。
4.设计并试制了一种结构简单的充气式电流变液体减振器，对影响减振器性能的主要结构参数进行了分析讨论，给出了减振器设计中参数选择的一般原则和应注意的问题。
为了实现电压调节减振器阻尼力大小，在减振器结构上尽可能让大部分的电流变液通过外加电场的间隙，确保电流变液发挥最大的效能；从结构上保证，作
为正极和负极的两部分要有很高的绝缘性，以避免击穿和电晕现象； 结构上保证在压缩行程和回复行程中不出现空程；通过调节实现压缩行程时的阻尼力小于回复行程的时阻尼力；至于当车轮与车架的相对运动速度大时，减振器的阻尼力应保持在一定的范围内，可以通过传感器检测其相对运动速度，来控制阻尼力大小。
5.讨论了电流变减振器的速度特性和示功特性，按照国家标准进行了电流变减振器的台架实验。通过台架实验，对所设计的电流变液体减振器性能进行了考察，主要考察了不同电流变液配方、不同充气压力、不同内外筒间隙下电流变减振器的示功图和速度特性曲线。
随着电场强度升高，复原和压缩阻尼力均随之增大，在低速时阻尼力可调节范围随电压变化较大，当振动速度提高，阻尼力可调节范围减小，在减振器实际运行过程中，由于温度升高使电流变液粘度降低，所加电压必须考虑温衰的影响；减振器的充气压力在0.4~1Mpa时主要影响复原和压缩阻力的大小，对示功图曲线的光滑饱满影响不大；所设计的减振器示功图曲线光滑饱满，说明该减振器结构良好，满足工程要求，设计是成功的
ElectroRhological technology study for electrorheological effect and engineering application. Electrorheological effect refers to the situation in which the electrorheological property of a particular fluid (electrorheological fluid) acted upon an electric field will change. It normally refers to the phenomenon in which the resistance to flow and shear yield stress of ER fluid acted upon by an applied electric field will increase. The change of the ER property is of such features as promptly response time, convertible and wide range change, and continuous controllability. Controlling an applied electric field can regulate mechanical parameters of ER field. There have been great potential applications in engineering.
To focus on the Study of electrorheological damper and characteristic of damping medium, following works have been completed：
1. The ER fluid's rheological behavior in the ER valve of an ERF damper has been analyzed and developed. Applying the theory of rheodynamics and hydraulic theory, the relationship of damping vs vibratory velocity and electric field strength has been set up. The relationship is valuable foundation for improving on the mechanism of ERF damper and studying the velocity property.
2. In automobile suspension system, the dynamics model of ERF damper has been set up. The adaptive controlling strategy which is composed of the online identification of model parameters and the least-square-error self-tuning regulator is adopted to control the semi-active suspension system which is compose of ERF damper.
3. The characteristic of electrorheological damping medium has been analyzed, the material of ER, dispersing particle, is key of ER fluid's performance. This paper analyzes synthetic condition of polyaniline particle. Other factors of influencing ER effect such as size and shape of particle, volume fraction, electric field strength, shear rate, temperature are discussed. Several theories of interpreting the mechanism of ER effect are introduced, polarization mechanism of particle is
analyzed.
4. A new gas-filled ER damper is developed. The main structure parameter of influencing ER damper performance are discussed, some design principles of ER damper are given.
5. The ER damper is tested in bench test according to national standard, including schematics of damping force vs. displacement of piston, damping force vs. velocity of piston ,etc. for different composition of ER fluids, gas-filled pressure, gap between inner and outside cylinder and temperature. The error of damping force between calculation and test is analyzed
引文
[1] 姚国治，孟光 电流变液及其性能研究. 西安. 西北工业大学学报. 1999年 第17卷 第
2期P.73～81
[2] 高向阳，赵晓 电流变液的动态屈服应力. 复合材料学报. 2000 Vol.17 No.1 P.11-14.
[3] 美国能源部报告：DE-RP03-91ER30172(1992)
[4] 魏宸官著. 电流变技术—机理·材料·工程应用. 北京. 北京理工大学出版社. 2000 P.78-82, 293-313
[5] 杜善义, 冷劲松，王殿富著. 智能材料系统和结构. 北京. 科学出版社，2001: 133-145
[6] 魏宸官，傅照. 电流变液及其在汽车减振器上的应用. 兵工学报(坦克装甲车与发动机分册). 1993(3) P.33-38
[7] 李世民，吕振华. 汽车筒式液阻减振器技术的发展. 汽车技术. 2001(8) P.10-16
[8] Sato Chuichi,Tsukamoto Shigemi,Shinno Hidenori. Electrorheological fluid damper for a slide mechanism. Parent Number: US5462361. 1995-10-31
[9] W. Isao, A.W. David, R.D.John. Patent Number: EP 056129
[10] W. Isao, R. D. John , A.W. David. Patent Number: US5180145
[11] Lubrizol Corp. Adjustable damper using electrorheological fluid. Parent Number: EP0581476. 1994-02-02
[12] 西北工业大学. 可调控阻尼的电流变减振器. 公开号：2363125.1998
[13] R. D. John, A.W. David , Patent Number: US5590745
[14] 北京理工大学. 筒式电流变减振器. 公开号：2289907.1997
[15] F.E．Filisko, W.F. Armstrong. US Patent. 47744914.1988
[16] R. Tao. Electric field induced phase transition in electrorheological fluid. Phys. Rev. E. 1993.47: 423-426
[17] 官建国，谢洪泉. 高活性聚苯胺电流变液的制备与性能研究. 高等学校化学学报. 1996.17(6): 965-967
[18] J.E. Stangroom. Basic Observations on Electro-Rheological Fluids. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 1996.7: 479-483
[19] Robert Bloodworth, Eckhard Wendt. Materials for ER Fluids. International Journal of Modern Physics B. 1996.10(23&24): 2951-2964
[20] 杜善义, 冷劲松，王殿富著. 智能材料系统和结构. 北京. 科学出版社，2001: 133-145
[21] 美国能源部报告：DE-RP03-91ER30172(1992)
[22] Lord Production Information，1997
[23] D.L. Hartsock,R.F. Novak and G.J.Chaundy. ER fluid requirements for automotive devices.
J.Rheol. 1991.35(7): 1305-1326
[24] J. Goossens, et al. Deutsches Patentamt. 353683A1. l987
[25] J. Onoda，H. U. Oh and K. Minesugi. Semi-Active Vibration Suppression of Truss Structure by Electro-Rheological Fluid. 46th International Astronutical Congress. Oslo, Norway，October 2-6,1995
[26] 《汽车工程手册》编辑委员会. 汽车工程手册（设计篇）. 北京. 人民交通出版社. 2001: 735-825
[27] Thomas M.Marksmeier, Eric L.Wang and Faramarz Gordaninejad. Theoretical and Experimental Studies of an Electro-Rheological Grease Shock Absorber. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 1998.9(9): 693-703
[28] Mehdi Ahmadian and Christopher A.Pare. A Quarter-Car Experimental Analysis of Alternative Semiactive Control Methods. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2000.11: 604-612
[29] G.Mui, D.L.Russell and J.Y.Wong. Nonlinear Parameter Identification of an Electro-Rheological Fluid Damper. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 1996.7(9): 560-564
[30] Sproston John L, Stanway Roger. Electrorheological fluid damper. Parent Number:
US5417314. 1995-05-23
[31] Sato Chuichi,Tsukamoto Shigemi,Shinno Hidenori. Electrorheological fluid damper for a slide mechanism. Parent Number: US5462361. 1995-10-31
[32] W. Isao, A.W. David, R.D.John. Patent Number: EP 056129
[33] W. Isao, R. D. John , A.W. David. Patent Number: US5180145
[34] Lubrizol Corp. Adjustable damper using electrorheological fluid. Parent Number: EP0581476. 1994-02-02
[35] 西北工业大学. 可调控阻尼的电流变减振器. 公开号：2363125.1998
[36] R. D. John, A.W. David , Patent Number: US5590745
[37] 北京理工大学. 筒式电流变减振器. 公开号：2289907.1997
[38] R. Stanway, et al. Variable suspension damping using electrorheological fluids. Institution of Mechanical Engineers,1989
[39] N.K. Petek et al. Demonstration of an automotive semi-active suspension using electrorheological fluid. SAE paper 950586: 237-242
[40] 魏宸官，傅照. 电流变液及其在汽车减振器上的应用. 兵工学报(坦克装甲车与发动机分册). 1993(3):33-38
[41] 森下信，三井纯一，黑田洋司. 电流变液在减振器上的应用. 日本机械工程学会论文集
(C编). 1990.56(524)：928-934
[42] N. K. Petek. An electronically controlled shock absorber using electrorheological fluid. SAE paper 920275
[43] 张庙康，胡海岩. 车辆悬架振动控制系统研究进展. 柳州市科技信息网
[44] 王世明，王孙安，李天石. 半主动悬架及其控制. 汽车技术. 1999(12): 1-3
[45] 李世民，吕振华. 汽车筒式液阻减振器技术的发展. 汽车技术. 2001(8): 10-16
[46] H. Janocha, B. Reck and R. Bolter. Practice-Relevant Aspects of Constructing ER Fluid Actuators. Tnternational Journal of Modern Physics B. 1996.10(23&24): 3243-3255
[47] 杨智春，刘红军. 电流变阻尼器设计及在结构减振上的应用. 机械科学与技术. 1998.17(A11):27-29
[48] Harry Block, Paul Pattray. Recent Development in ER Fluids. In: K.O.Havelka, F.E.Filisko, eds. Progress in Electrorheology. New York: PlenumPress. 1995: 19-44
[49] John P. Coulter, Keith D. Weiss and J. David Carlson. Engineering Applications of Electrorheological Materials. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 1993.4: 248-259
[50] 李天剑. 电流变液体的计算机模拟及电流变减振器的研究. 博士学位论文. 北京. 北京理工大学. 1997: 55-64
[51] 高晶敏. 电流变液体减振器及其控制系统的研究. 博士学位论文. 北京. 北京理工大学. 1999: 12-21
2期P.73～81
[2] 高向阳，赵晓 电流变液的动态屈服应力. 复合材料学报. 2000 Vol.17 No.1 P.11-14.
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[11] Lubrizol Corp. Adjustable damper using electrorheological fluid. Parent Number: EP0581476. 1994-02-02
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[13] R. D. John, A.W. David , Patent Number: US5590745
[14] 北京理工大学. 筒式电流变减振器. 公开号：2289907.1997
[15] F.E．Filisko, W.F. Armstrong. US Patent. 47744914.1988
[16] R. Tao. Electric field induced phase transition in electrorheological fluid. Phys. Rev. E. 1993.47: 423-426
[17] 官建国，谢洪泉. 高活性聚苯胺电流变液的制备与性能研究. 高等学校化学学报. 1996.17(6): 965-967
[18] J.E. Stangroom. Basic Observations on Electro-Rheological Fluids. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 1996.7: 479-483
[19] Robert Bloodworth, Eckhard Wendt. Materials for ER Fluids. International Journal of Modern Physics B. 1996.10(23&24): 2951-2964
[20] 杜善义, 冷劲松，王殿富著. 智能材料系统和结构. 北京. 科学出版社，2001: 133-145
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[26] 《汽车工程手册》编辑委员会. 汽车工程手册（设计篇）. 北京. 人民交通出版社. 2001: 735-825
[27] Thomas M.Marksmeier, Eric L.Wang and Faramarz Gordaninejad. Theoretical and Experimental Studies of an Electro-Rheological Grease Shock Absorber. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 1998.9(9): 693-703
[28] Mehdi Ahmadian and Christopher A.Pare. A Quarter-Car Experimental Analysis of Alternative Semiactive Control Methods. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2000.11: 604-612
[29] G.Mui, D.L.Russell and J.Y.Wong. Nonlinear Parameter Identification of an Electro-Rheological Fluid Damper. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 1996.7(9): 560-564
[30] Sproston John L, Stanway Roger. Electrorheological fluid damper. Parent Number:
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[31] Sato Chuichi,Tsukamoto Shigemi,Shinno Hidenori. Electrorheological fluid damper for a slide mechanism. Parent Number: US5462361. 1995-10-31
[32] W. Isao, A.W. David, R.D.John. Patent Number: EP 056129
[33] W. Isao, R. D. John , A.W. David. Patent Number: US5180145
[34] Lubrizol Corp. Adjustable damper using electrorheological fluid. Parent Number: EP0581476. 1994-02-02
[35] 西北工业大学. 可调控阻尼的电流变减振器. 公开号：2363125.1998
[36] R. D. John, A.W. David , Patent Number: US5590745
[37] 北京理工大学. 筒式电流变减振器. 公开号：2289907.1997
[38] R. Stanway, et al. Variable suspension damping using electrorheological fluids. Institution of Mechanical Engineers,1989
[39] N.K. Petek et al. Demonstration of an automotive semi-active suspension using electrorheological fluid. SAE paper 950586: 237-242
[40] 魏宸官，傅照. 电流变液及其在汽车减振器上的应用. 兵工学报(坦克装甲车与发动机分册). 1993(3):33-38
[41] 森下信，三井纯一，黑田洋司. 电流变液在减振器上的应用. 日本机械工程学会论文集
(C编). 1990.56(524)：928-934
[42] N. K. Petek. An electronically controlled shock absorber using electrorheological fluid. SAE paper 920275
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[50] 李天剑. 电流变液体的计算机模拟及电流变减振器的研究. 博士学位论文. 北京. 北京理工大学. 1997: 55-64
[51] 高晶敏. 电流变液体减振器及其控制系统的研究. 博士学位论文. 北京. 北京理工大学. 1999: 12-21