磁流變液的特性在無磁場的作用時, 如同一般液體的牛頓流體特性, 如圖 6 所示 A 直線若施加磁場後, 瞬間變成類似賓漢塑性體的特性, 如圖 6 所示 B 直線但實際上, 磁流變液經磁化後流動時, 如圖 6 所示 E 曲線, 首先達到靜態降伏點後, 會迅速下降一些再沿動態降伏點上升, 如圖 6

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41. 智慧型磁流變液避震器之研製郭文化教授王亞平副教授林永建講師東南科技大學機電科技學系韓麗龍副教授陳信合台北科技大學製造科技研究所摘要磁流變液是一種新型的智能材料, 而磁流變液避震器是磁流變液應用新型的減震裝置磁流變液主要由載液磁性微粒及界面活性劑所組成, 當外加磁場時, 磁流變液產生明顯的磁流變效應, 在毫秒瞬間內由流動性良好的 Newton 流體變成 Bingham

並以 MATLAB 進行數值模擬得到其阻尼力的特性磁流變液以 LORD 公司製作之 MRF- 132DG 磁流變液進行實驗, 驗證得知在電流 0.1~0.

微細的磁性顆粒會在與磁場平行的方向產生鏈狀結構或進而形成柱狀結構, 在此類似柵欄效應的影響下, 使的原本可自由流動且無固定形狀的磁流變流體產生類似於固化的相變化而改變本身的剛性及阻尼特性 ; 當外加磁場移除時, 此鏈狀結構會立即消失, 磁流變液又變回可任意流動的流體狀態有關磁流變液的研究, 最早在 1948 年 Rabinow 發現磁流變液現象 [4,5], 並在 1951 年申請了美國專利

1 41. 智慧型磁流變液避震器之研製郭文化教授王亞平副教授林永建講師東南科技大學機電科技學系韓麗龍副教授陳信合台北科技大學製造科技研究所摘要磁流變液是一種新型的智能材料, 而磁流變液避震器是磁流變液應用新型的減震裝置磁流變液主要由載液磁性微粒及界面活性劑所組成, 當外加磁場時, 磁流變液產生明顯的磁流變效應, 在毫秒瞬間內由流動性良好的 Newton 流體變成 Bingham 流體, 而這種變化是連續迅速可逆, 容易控制從 1960 年代發展至今也廣泛的應用在工業磁流變液阻尼器是一種理想的半主動控制裝置, 即使當阻尼力在調節過程中發生故障, 磁流變液阻尼器仍然能以被動式的方式使用本論文探討磁流變液避震器之特性先以 Magneto V64 電磁場分析軟體, 對避震器線圈進行磁路及磁場強度分析, 探討磁場對磁流變液的剪應力效應, 建立磁流變液避震器的數學模式, 並以 MATLAB 進行數值模擬得到其阻尼力的特性磁流變液以 LORD 公司製作之 MRF- 132DG 磁流變液進行實驗, 驗證得知在電流 0.1~0.4 安培時, 隨著電流增加而增強阻尼力, 可達到一般車輛用避震器可控制之阻尼力, 由模擬和實驗得到驗證磁流變液避震器可控制的最佳效果一前言磁流變液是一種可控流體, 它在磁場作用可以在短時間內由牛頓流體 (Newtonian fluid) 變為賓漢流體 (Bingham fluid)[1], 這種變化迅速可逆連續與易控制的當對磁流變液外加磁場時, 微細的磁性顆粒會在與磁場平行的方向產生鏈狀結構或進而形成柱狀結構, 在此類似柵欄效應的影響下, 使的原本可自由流動且無固定形狀的磁流變流體產生類似於固化的相變化而改變本身的剛性及阻尼特性 ; 當外加磁場移除時, 此鏈狀結構會立即消失, 磁流變液又變回可任意流動的流體狀態有關磁流變液的研究, 最早在 1948 年 Rabinow 發現磁流變液現象 [4,5], 並在 1951 年申請了美國專利目前世界各國對磁流變液及其應用相關研究, 可由每二年舉辦一次的電 / 磁流變液的國際會議 [2] 及中國大陸每 2-3 年也舉辦一次全國性會議 [3] 中, 顯示各國研究單位的重視磁流變液相較於電流變液研究的發展迅速, 國外已經進入到商業化的產品 - 固體轉換的性質如圖 1 在無磁場時, 磁流變液的微米顆粒均勻散佈在載液中當極板施加磁場後, 微米顆粒瞬間成鏈狀排列, 如圖 2 當極板施加外力時, 鏈狀排列的顆粒產生剪應力若外力小於磁流變液降伏剪應力, 如圖 3 的狀態, 若外力大於磁流變液降伏剪應力, 則鏈狀排列的顆粒被剪斷, 如圖 4 的狀態圖 5 為 Lord 公司製造的 MRF-132DG 磁流變液在無磁場及磁場下的狀態圖 1 無磁場作用下的磁流變液圖 2 外加磁場後的磁流變液圖 3 在磁場作用下承受剪應力磁流變液圖 4 外力達超過降伏剪應力剪斷後的磁流變液二磁流變液特性磁流變液為微米磁性顆粒非磁性載液與表面活性添加劑三種材料組成磁流變液在磁場作用下, 由液體瞬間變為固體, 且具有極高的降伏剪應力 ; 無磁場作用時, 瞬間變為流動性液體, 因此磁流變液具有瞬間液體 206 (a) 無磁場下 (b) 磁場作用下圖 5 磁流變液在無磁場及磁場下的狀態

磁流變液的特性在無磁場的作用時, 如同一般液體的牛頓流體特性, 如圖 6 所示 A 直線若施加磁場後, 瞬間變成類似賓漢塑性體的特性, 如圖 6 所示 B 直線但實際上, 磁流變液經磁化後流動時, 如圖 6 所示 E 曲線, 首先達到靜態降伏點後, 會迅速下降一些再沿動態降伏點上升, 如圖 6 所示 C 至 E 曲線, 當剪應變率達到臨界點時剪應力會隨剪應變率下降, 當磁場去除後, 沿 D

2 磁流變液的特性在無磁場的作用時, 如同一般液體的牛頓流體特性, 如圖 6 所示 A 直線若施加磁場後, 瞬間變成類似賓漢塑性體的特性, 如圖 6 所示 B 直線但實際上, 磁流變液經磁化後流動時, 如圖 6 所示 E 曲線, 首先達到靜態降伏點後, 會迅速下降一些再沿動態降伏點上升, 如圖 6 所示 C 至 E 曲線, 當剪應變率達到臨界點時剪應力會隨剪應變率下降, 當磁場去除後, 沿 D 曲線回到原點 = 活塞桿及活塞的質量 = 活塞的運動加速度 (b) 拉伸室壓力與壓縮室壓力之間的壓降零磁場時牛頓流體所產生的壓降流量與壓降之間的關係為 (2) 活塞與外筒間隙的流量 Q m, 活塞速度, 活塞與外筒間隙, 活塞與外筒間隙之直徑, 活塞長度外加磁場後磁流變液所產生的壓降當磁流變液流體施加磁場後, 流體瞬間由牛頓流體變為賓漢塑性體, 增加流體流經活塞與外筒間隙的流動阻力, 則壓縮室與伸張室的壓力差變大, 其除了降服應力 ( ) 成正比外, 另外與活塞的長度 ( ) 成正比, 活塞與外筒間隙 ( ) 成反比, 利用下列數學式表示 : 所以施加磁場以後, 流經活塞與外筒間隙包含有牛頓流體及賓漢塑性體的特性, 其總壓力降為 (2) 式和 (3) 式相加, 則磁流變液拉伸室與壓縮室的總壓降可寫成 : (3) 圖 6 Bingham 塑性流體模型應力 - 應變關係圖 (4) 三磁流變液避震器 (5) 磁流變避震器是利用磁流變效應的特性控制阻尼性能, 是一種智能的控制裝置, 其結構簡單響應速度快動態範圍大本研究之磁流變液避震器, 其示意圖如圖 7 所示圖 7(a) 為磁流變液避震器拉伸行程示意圖, 圖 7(b) 為磁流變液避震器壓縮行程示意圖 (c) 氣室內的壓降氣室內空氣的壓力利用熱力學公式, 則 (6) (7) : 指數值約 1.2, : 受壓力後的體積, : 初使壓力, : 初使體積綜合以上, 可得總壓降 (8) (d) 摩擦阻力活塞運動時, 受庫倫摩擦及流體摩擦黏性阻力, 可以下式表示 (9) (a) 拉伸行程 (b) 壓縮行程圖 7 磁流變液避震器示意圖 2.1 磁流變液避震器的力學模式為了簡化活塞與外筒間隙的流場性質, 磁流變液避震器之活塞與外筒間隙的流場可視為一種 Couette- Poiseuille 流動模式,Couette-Poiseuille 流動模式為 Couette 與 Poiseuille 流動模式, 兩種流場組合而成磁流變液避震器作動時, 各部份結構所產生的阻尼力, 以數學式表示, 可分成 (a) 慣性力,(b) 拉伸室壓力與壓縮室壓力之間的壓降,(c) 氣室內的壓降,(d) 摩擦力為摩擦阻尼力係數, 為指數 ( 通常小於 1) 當活塞桿為拉伸時, 拉伸面積, 當活塞桿為壓縮時, 壓縮面積為最後經拉伸行程與壓縮行程的力平衡式, 可得阻尼力 : (10) 上式第 2 及 3 項為正時是拉伸行程阻尼力, 為負時是壓縮行程阻尼力 (a) 慣性力 : (1) 207

三磁流變液避震器的磁路分析磁流變液避震器是在一封閉性的壓缸內裝置一磁流變閥, 當磁流變液因活塞運動迫使磁流變液流經磁流變閥的流道時, 受到磁場的控制, 使流體改變其黏度及降伏應力, 使磁流變液流動速度改變, 因而改變活塞的阻尼力因此磁流變液避震器的設計, 主要在設計磁流變閥控制磁流變閥流道的流體主要是磁場, 而幾何結構也是影響磁場分佈及大小的重要因素, 如圖 8 磁流變液避震器之磁迴路圖

激磁線圈所產生的磁力線是一封閉的迴路, 根據封閉磁力線的迴路, 可計算出經過氣隙內的磁場強度磁迴路中各段的磁阻分別為 : (1) 中心軸的磁阻為 (17) (2) 軛環磁阻為 (18) (3) 間隙 h 的磁阻為 (19) (4) 外管磁阻為 (20) 圖 8 磁流變液避震器之磁流變閥磁迴路圖磁流變閥之磁迴路設計程序 :[30] (1) 由使用裝置的控制系統所需的降服應力決定磁流變液的磁感

3 三磁流變液避震器的磁路分析磁流變液避震器是在一封閉性的壓缸內裝置一磁流變閥, 當磁流變液因活塞運動迫使磁流變液流經磁流變閥的流道時, 受到磁場的控制, 使流體改變其黏度及降伏應力, 使磁流變液流動速度改變, 因而改變活塞的阻尼力因此磁流變液避震器的設計, 主要在設計磁流變閥控制磁流變閥流道的流體主要是磁場, 而幾何結構也是影響磁場分佈及大小的重要因素, 如圖 8 磁流變液避震器之磁迴路圖愈短, 則總磁阻愈小磁流變液避震器之磁流變閥設計, 主要決定其幾何尺寸, 首先假設下列參數 : (1) 磁流變閥之活塞半徑為 r1,(2) 外管內徑為 r2,(3) 外管外徑為 r3,(4) 線圈內徑為 r4,(5) 磁流變閥磁通之間隙,(6) 線圈寬度為 L2,(7) 在外管的磁極長度為 Lc,(8) 在活塞中的磁極長度為 Lc, 由圖 8 之磁流變閥磁迴路, 若忽略漏磁因素的影響, 激磁線圈所產生的磁力線是一封閉的迴路, 根據封閉磁力線的迴路, 可計算出經過氣隙內的磁場強度磁迴路中各段的磁阻分別為 : (1) 中心軸的磁阻為 (17) (2) 軛環磁阻為 (18) (3) 間隙 h 的磁阻為 (19) (4) 外管磁阻為 (20) 圖 8 磁流變液避震器之磁流變閥磁迴路圖磁流變閥之磁迴路設計程序 :[30] (1) 由使用裝置的控制系統所需的降服應力決定磁流變液的磁感 (magnetic induction) (2) 從磁流變液的磁感及磁場強度的關係來決定磁流變液的磁場強度 (3) 由總磁通 (magnetic induction flux) 求鋼的磁感, 為有效的磁通面積 (11) (4) 決定鋼的磁場強度 (5) 使用磁迴路之 Kirchoffs 定律, 求出所需的安培 - 匝 (amp-turns), (12) 為磁極長度, 為間隙總長度, 如圖 8 首先以簡化磁路計算, 利用磁路歐姆定律分析磁路中磁通量與磁動勢的關係, 計算激磁電流與磁路中磁場強度關係的基本公式, 是設計磁流變閥的原理和基礎由圖 8 磁流變閥之簡化磁迴路圖所示, 環形鐵心構成磁路, 假設橫截面積為 S, 激磁線圈數為 N 匝, 激磁電流為 I, 磁路平均長度為 L, 並假設鐵心的磁場是均勻, 由安培環路定律得到, 即 (13) 磁路的總磁阻為 (21) 將磁路總磁阻代入磁路歐姆定律, 再以間隙處的磁感應強度公式, 即可進行磁路分析設計四磁流變液避震器的設計製作及實驗由磁流變液避震器之磁路及阻尼力分析後, 設計磁流變液避震器如圖 10, 並製作磁流變液避震器如圖 11, 進行測試圖 12 為磁流變液避震器之磁流變閥線圈之磁通量 (T) 與電流 (I) 之關係實驗特性圖使用避震器阻尼力特性測試機量測磁流變液避震器之阻尼力 (F) 與位移 (D) 之特性圖如圖 13, 以及阻尼力 (F) 與速度 (V) 之特性圖如圖 14 測試速度 V=0.1m/s, 電流改變以 I= A( 安培 ) 所量測之特性圖上式中稱為磁動勢, 稱為磁壓降, 其物理意義為磁路中磁場強度等於作用在磁路單位長度上的磁動勢從磁感應強度關係式和磁通量公式, 得到 (14) 圖 10 磁流變液避震器設計圖為鐵心的磁導率假設 (15) 則 (16) 為總磁阻, 即物質對磁通量通過的阻礙作用由 (15) 式得知, 磁導率愈大, 磁路橫截面積 S 愈大, 磁路圖 11 自製之磁流變液避震器 208

圖 12 線圈之磁通量 (T) 與電流 (I) 之關係圖圖 13 磁流變液避震器阻尼力 (F) 與位移 (D) 之特性圖 (V=0.1m/s, 電流 I=0 0.1 0.4 0.

因此活塞設計上應考慮支撐點的穩定平衡將可改善參考文獻 [1] 周玉豐陳花玲, 磁流變阻尼器結構改進設計與性能研究, 寧夏工程技術, 第 4 卷, 第 4 期, 2005, 第 325-327 頁 [2] 電 / 磁流變液國際會議 :http://ic.newmaker.com/ art_6311.html. [3] 中國電 / 磁流變液會議 : http://www.cstam.org.

[5] D a v i d S i m o n, M e h d i A h m a d i a n, V e h i c l e e v a l u a t i o n o f t h e p e r f o r m a n c e o f magnetorheological dampers for heavy truck suspensions, Journal of Vibration

4 圖 12 線圈之磁通量 (T) 與電流 (I) 之關係圖圖 13 磁流變液避震器阻尼力 (F) 與位移 (D) 之特性圖 (V=0.1m/s, 電流 I= A 安培 ) 圖 14 磁流變液避震器阻尼力 (F) 與速度 (V) 之特性圖五結論由實驗結果顯示, 磁流變液避震器之阻尼力可由改變電流控制磁流變液避震器之阻尼力特性, 所需的動力極小, 可做半主動控制實驗時, 輸入高電流及高速量測之阻尼特性呈現較不穩定, 其原因是活塞在外筒內高速運動及高阻尼力時, 活塞因懸浮在外筒內呈現不穩定, 故阻尼特性亦呈現不穩定現象, 因此活塞設計上應考慮支撐點的穩定平衡將可改善參考文獻 [1] 周玉豐陳花玲, 磁流變阻尼器結構改進設計與性能研究, 寧夏工程技術, 第 4 卷, 第 4 期, 2005, 第頁 [2] 電 / 磁流變液國際會議 : art_6311.html. [3] 中國電 / 磁流變液會議 : index.asp. [4] Rabinow J. The magnetic fluid clutch, AIEE 209 Transactions, 1948, pp [5] D a v i d S i m o n, M e h d i A h m a d i a n, V e h i c l e e v a l u a t i o n o f t h e p e r f o r m a n c e o f magnetorheological dampers for heavy truck suspensions, Journal of Vibration and acoustics, USA, 1998, pp [6] Papell,S.S., Manufacture of Magnetofluids, U.S.Patent,NO ,1965. [7] R.E.Rosensweig,R.Kaiser and G.Miskolczy, Viscosity of Magnetic Fluid in a Magnetic Field, J.Colloid and Interface Sci,Vol.29 p.4,1969. [8] Z.P.Shulman,V.I.Kordonsky,E.A.Zaltsgendler,I. V.Prokhorov, B.M.Khusid and S.A.Demchuk,1986. Structure,Physial Properties and Dynamics of Magnetorheological Suspensions, Int. J.Multiphase Flow,Vol.12 No.6,p ,1986 [9] W. I. Kordonsky, Z. P. Shulman, S. R. Gorodkin, S. A. Demchuk,I. V. Prokhorov, E. A. Zaltsgendler and B. M. Khusid, Physical Properties of Magetizable Structure-Reversible Media",J. Magn.Magn. Mater.,1990 [10] E.M.Shtarkman,U.S.Patent 4,992,360,1991 and U.S. Patent 5,167,850,1992 [11] K.D.Weiss al, High Strength Magneto-and Electro-rheological Fluids"Society of Automotive Engineers,SAE Paper No932451,1993 [12] J.D.Carlson et al, Magnetorheological Fluid Damper"U.S.Patent5,277,282 and 5,284,330, 1994 [13] J.D.Carlson and K.D.Weiss, A Growing Attraction To Magnetic Fluids"Machine Design,Aug.8 p61-66,1994 [14] G i n d e r J M,D a v i s L C, S h e a r s t r e s s e s i n m a g n e t o r h e o l o g i c a l f l u i d s:r o l e o f m a g n e t i c s a t u r a t i o n, A p p l i e d P h y s i c s Letters,USA,1994,pp [15] Ginder J M,Davis L C,Elie L D, MR Suspensions and associated technology, World Scientific,vol. 5,no. 3,1996,pp [16] Carlson J D, MR fluids and devices in the real world, International Journal of Modern Physics B, USA, 2005, pp [17] Y. M. HAN,* M. H. NAM,S. S. HAN,H. G.LEE AND S. B.CHOI, Vibration Control Evaluation of a Commercial Vehicle Featuring MR Seat Damper,Journal Of Intelligent Material Systems And Structures, Vol. 13 September 2002 [18] J.M.He, J.Huang, L.J.Fu, Design analysis of a magnetorheological damper, ICMIT 2005 Proc. Of SPIE Vol B-1 [19] Jeong-Hoi Koo,Fernando D Goncalves,Mehdi Ahmadian, A comprehensive analysis of the response time of MR dampers,smart Materials And Structures Smart Mater. Struct. 15 (2006) [20] A.C.Shivaram and K.V.Gangadharan, Statistical modeling of a magnetorheological fluid damper using the design of experiments approach, Smart Materials And Structures Smart Mater.

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218 技術學刊第二十六卷第四期民國一百年 characteristics. A flow mode MR damper was fabricated and tested using a dynamic test rig, and the results were obtained in the

218 技術學刊第二十六卷第四期民國一百年 characteristics. A flow mode MR damper was fabricated and tested using a dynamic test rig, and the results were obtained in the 技術學刊第二十六卷第四期民國一百年 217 Journal of Technology, Vol. 26, No. 4, pp. 217-223 (2011) 流動式磁流變液阻尼器之研究郭文化 1 楊大中 2 許嘉哲 2 邱煥哲 1 1 東南科技大學機電科技學系 2 元智大學機械工程學系摘要磁流變液是一種新式的智慧型材料, 是由非導磁流體易磁化微細粉末及分散劑所組成當外加磁場輸入時, 磁流變液在數微秒內,