主动悬架减震器.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流主动悬架减震器.精品文档.3 三种主动悬架减震器3.1 电流变减震器3.1.1 电流变效应 电流变效应是指某些特殊流体的表观粘度、剪切应力等在施加外电场以后随电场强度的变化而急剧变化，而且这种变化是可逆的。 电流变液是极性且易于极化的分散介质均匀分散在绝缘连续介质中形成的悬浮液或乳浊液, 其流变特性和物理状态随外加电场的变化而改变【9】。 由于电流变技术本身涉及多种学科，不同的研究学者采用不同的材料和配比得到不同的试验结果，但是绝大多数学者较为赞同场致极化理论【10】, 认为电流变流体在外加静电场的作用下, 均匀悬浮于其中的电介质粒子产生极化, 被极化的粒子相互吸引,按电场方向形成规则的键状结构, 破坏了未加电场时的布朗运动规律, 增加了液体的粘性,并使之产生屈服强度。在电场的作用下，这类悬浮液的表观粘度在毫秒级的时间内, 原来可以流动的液体变稠、变硬, 直至停止流动, 达到固化, 此时的电流变液具有固体的特征,既保持一定的形状、表现出具有明显的屈服应力或体现固体特征的弹性模量有明显的变化。电场撤消后,电流变液立即变稀, 恢复原来流动的液体状态。这一现象称为电流变效应。它是电流变液在电场作用下,从流动性能良好的牛顿流体变成为屈服应力很高的粘弹塑性体的结果。3.1.2 流体性能分析 电流变流体多为两相多组分的悬浮液，这种悬浮液一般由基础液、固体颗粒和使粒子表面活化和增加粒子悬浮稳定的添加剂组成【11】。固体颗粒一般有无机非金属粒子、有机半导体材料粒子、高分子有机半导体材料粒子和复合材料粒子等形式。 各种电流变液体的组成成分各不相同，但从基本构成上来讲，绝大多数电流变液是由细微的固体颗粒均匀分散在非极性低粘度绝缘液体中制得的悬浮体，为了进一步改善电流变液的性能，还适当加一些添加剂【12】。优秀的电流变液体一般都具备以下特性： （1）高沸点、低凝点，以便应对长时间处于工况的要求；粘度低，以便于在没有施加电场时液体粘度低阻尼小，一般在没有施加电场时液体可以当做牛顿流体处理； （2）应有足够宽的工作温度，并能保证在此温度范围内有有效稳定的电流变效应； （3）固体颗粒具有较高的相对介电常数和较强的极性，与基础液的比重适当防止沉淀，适当的颗粒大小和适当的形状； （4）基础液一般需要高电阻和低电阻率，即绝缘性良好，密度尽可能的大并且化学性能稳定； （5）电流变效应明显，在没有施加电场时具有低的抗剪切应力和表观粘度，当施加了电场后能够快速响应没有迟滞现象并且具有较高的抗剪切应力和表观粘度； （6）对达到固化状态的电场强度要求不大，过高的电场强度增加电能的消耗，电场过高还可能击穿电流变流体，使得流体变质减少使用寿命； （7）对外界的条件如温度、湿度的变化以及长期存储等都不敏感，使得在长期的使用和存储过程中性能保持稳定，不会退化或变质。3.1.3 电流变减震器工作模式 电流变减震器按其工作流体的流动形态可以分为三类【13】：流动模式、剪切模式和复合模式。图1.1 电流变阻尼器工作原理图 （1）流动模式 正负极板保持不动（如图1.1），电流变液流过极板间隙，通过改变施加于极板的电场强度，可以改变流过极板的电流变液的粘度，从而导致进出口两端的压差发生变化，从而可以调节阻尼器的阻尼。流动模式的阻尼器主要由活塞杆、活塞体、工作电极和蓄能器组成，它与剪切模式的阻尼器结构上最大的差别就是活塞体与工作电极正极是分离的。这种阻尼器极板的面积可以设计的很大，提供较大的阻尼，对于重工的选择比较合适，如果阻尼器由旁通则阻尼器的体积就相对比较大【12】，另外这种阻尼器的零电场的阻尼都相对比较大，阻尼可控的范围就窄了。流动模式的优点就是正负极板之间没有相对运动，极板定位要求也比较低，极板之间的间距可以设计的很小，可以获得较高的电场强度易于加工。 （2）剪切模式 剪切模式的电流变减震器是利用活塞壁与筒壁的相对运动剪切电流变液体而获得阻尼的【14】。剪切模式阻尼器是由活塞杆、活塞体、电极和工作缸组成的，活塞沿垂直于电场方向运动，利用电流变液与电极表面的摩擦产生阻尼，通过电场控制电压改变电流变液的粘度和屈服应力来控制阻尼力的大小。剪切模式的阻尼器结构简单，加工方便，零电场时阻尼力和屈服应力都相对较小，阻尼可控的范围较大。由于极板是运动的，一般极板的结构尺寸都比较小，相对运动的极板面积有限，因此阻尼力的绝对值较小。 （3）复合模式 复合模式综合了剪切和流动模式的特点, 阻尼力一部分来自活塞体对电流变液的剪切作用, 一部分来自活塞体与工作缸间隙对流体的节流作用（如图1.1）。复合模式阻尼器也是有活塞杆、活塞体、工作缸和蓄能器组成。通过控制电极之间的电压从而改变电场强度，这样流过电极的液体状态发生改变从而控制阻尼力的大小。复合模式的阻尼器结构简单、加工方便，综合了流动模式与剪切模式的优缺点，是一种理想的工作模式。3.1.4 电流变减震器结构设计分析由于电流变减震器设计的指导思想是应用电流变技术改进现有的液力减震器，使之成为阻尼力可调的主动式减震器，根据其工作原理以及结构可知，在进行设计时应注意一下几方面的要求：电极的面积足够大，减震器要实现宽范围的阻尼调节度就必须在结构基础上保证足够大的电极面积，在同样的电场度下课调节的阻尼力相对要大。电极间的间隙【9】要慎重选择，在电压一定的情况下，较大的间隙会使得电场强度减小，为了弥补只能增大减震器外部尺寸增加极板面积，如果极板较小在高电压加上时很可能将极板击穿，导致极板失效，因此合适的极板间隙非常重要。极板绝缘，正负极板的电压在工作时相当高，保证两极板之间绝缘以避免极板击穿或者电晕失效。散热，高温不利于电流变减震器的正常工作，高温下流体的饱和气压将降低，流体容易产生乳化作用，在减震器回弹的过程中高温和负压将使流体产生气泡并且流体粘度降低，减震器通过电压来调节阻尼力，由于流体受高温影响将会大大降低阻尼力的产生而使减震器失效。为了保证电压调节阻尼力的大小，在减震器的结构上尽可能的让大部分的电流变液体通过极板间隙，保证电流变液发挥最大的效能。结构上保证无论是压缩行程还是回复行程都不要出现空行程，同时控制压缩行程的阻尼力要小于回复行程的阻尼力。极板加工要平整，不得带有毛刺，防止尖端放电。 兼有液力减震器与电流变减震器的结构，这样在电路出现问题时减震器还能够发挥液力减震器的作用不至于完全失效。3.1.5 电流变减震器实例结构分析根据电流变减震器的工作模式，研究学者在对其进行结构上设计的时候也有偏向，大部分的研究还是针对筒式电流变减震器【9 15 16】上。筒式电流变减振器是人们研究得比较多的电流变装置, 它是利用电流变液的屈服后性质, 即屈服应力的可控性, 可以制成各种电流变液的可控器件, 电流变减振器可以实时调整阻尼参数, 而又不施加能量给被隔振系统, 能耗极低, 具有一般被动或主动阻尼器无法企及的优点。而筒式电流变减震器也有流动、剪切、复合模式。其中流动模式主要是通过调节流体流过电极间隙时的抗剪切应力和表观粘度来控制电流变减震器的阻尼。 充气式电流变减震器由活塞杆、活塞、浮动活塞、电流变液体、工作缸和环形筒组成。减震器内外筒之间有一定的间隙，高压电源的正极与内筒壁相连，负极与外筒壁相连，在间隙中行程电场。浮动活塞下充满高压氮气，来补偿活塞杆运动造成的工作缸体积的变化。当减震器的活塞上下运动时，活塞上下腔的电流变液通过内筒壁的上下小孔经过内外筒之间的环形间隙，使得活塞上下的电流变液进行交换。流体通过环形间隙产生阻尼力，同时通过改变施加在内外筒壁上的电压改变流经内外筒壁间隙流体的表观粘度和抗剪切应力来改变流体阻尼力的大小实现调节。在压缩行程中, 液体由下腔经过间隙流入上腔, 下腔压力大于上腔压力, 使活塞向下的运动受阻; 在复原行程中, 液体由上腔经过间隙流入下腔, 上腔压力大于下腔压力, 使活塞向上的运动受阻。因此, 活塞上下运动都将消耗很大的振动能量, 使振动消失, 并且这种耗散振动能量的能力随着外加电场强度的变化而变化。3.2 磁流变减震器3.2.1 磁流变液及特性 磁流变液英文名称Magnetorheological Fluids，简称MRF【17】。磁流变液体一般由三部分组成：基液、可极化的磁性微粒和稳定剂。基液是磁流变液的基体，要求极为严格，一般可以是硅油、变压器油、矿物油、合成油、水、优质煤油、辛烷、甲烷脂类等等，通常以硅油应用最多【17】。磁性微粒的粒径一般在110微米范围内，通常采用铁、钴、镍等磁性材料，或者是以上的磁性材料的复合再加上一些硅、硼等少量元素组成的具有明显磁流效应的材料。稳定剂是用来保证磁性微粒在基液中的团聚稳定性和沉降稳定性的，通常稳定剂具有特殊的分子结构：一端对磁性颗粒界面能够产生较高的亲和力，吸附于磁性颗粒的表面；另一端为极易分散于基液中的具有适当长度的弹性基团。一般采用氧化硅胶添加剂或者其他表面活化剂。 磁流变液主要应用于各个领域的主动半主动阻尼器，为了满足要求磁流变液必须有以下的特性【21】： （1）汽车减震器工作温度一般范围较宽，且长时间工作，要求磁流变液体工作范围要广，避免温度太高或者太低失去磁流变效应而失效。 （2）磁性微粒要求要有较高磁饱和度、高磁导率、低矫顽力。磁饱和度越高所能提供的屈服应力也就越高，综合价格与效果铁粉的选择更加合适；磁导率高的磁性颗粒能在较小的磁场下就能形成较大的磁性颗粒，较大的磁性颗粒能产生大的屈服应力，能满足低能耗的要求；较低的矫顽力可以使磁性液体具有很好的退磁效果，在没有磁场施加时磁场能够很快恢复到零磁场的状况下。 （3）基液要求低粘度、高沸点、低凝点，粘度低在零磁场的时候剪切屈服应力较低，可调阻尼范围也增加；沸点高凝点低则磁流变减震器的工作范围广，在极端天气的状况下也能稳定工作不罢工。 （4）基液磁导率比较高，化学性能稳定；为保证在控制磁场的过程中基液不会被高磁场击穿要求基液的磁导率要高；无论是高温、高压、湿度不同的情况下，基液都不能与磁性颗粒或者稳定剂发生任何物理或者化学反应。 （5）沉降稳定性，磁流变液中的磁性颗粒体积比较小，进入基液以后容易吸附在大粒子上，使得液体容易沉降、结团；基液与磁性颗粒的密度差别比较大，在稳定状况下容易形成沉淀分层，使得液体失效。针对磁性颗粒的吸附性，可以添加稳定剂或者表面活性剂；基液选择最好使用密度比较大的，磁性颗粒的直径也可以适当的减小。 （6）无毒无异味价格低廉 （7）磁流变液随着磁场的增强，其剪切屈服应力也增强，才能满足阻尼力变化的需求。同时响应时间短，控制在几毫秒以内，使得磁流变液能够跟的上控制系统的响应速度。 （8）磁流变性能长期有效，以保证磁流变器件长期可靠的工作，外界环境的变化，特别热循环、工作压力、摩擦产生的微粒等可能引起磁流变体的性能发生变化，严重影响磁流变器件的正常工作。3.2.2 磁流变效应 磁流变液随磁场变化，磁流变液的剪切屈服应力发生明显的变化【17 19】。在无磁场时磁性颗粒的分布式杂乱无章的（如图2.1【20】），其流体性能也适用于牛顿流体学，剪切屈服应力就是流体本身的剪切应力。在外加磁场的作用下磁性颗粒在两极板之间形成链束状结构，像桥一样横架在两极板之间，阻碍了流体的正常运动。从微观角度解释可以描述为：在外磁场的作用下磁性颗粒产生磁偶极矩，磁偶极子之间相互作用形成长链，外加磁场增强链状结构进一步发生聚集形成复杂的团簇，链束数量增加，长度增长，直径变粗，剪切这些链束所需要的剪切应力增加，磁流变液的剪切屈服强度也相应增加。当磁场较小时链束聚集程度较小，链束数量少，长度短，直径小，剪切这些链束所需要的剪切力也小。由于磁流变液的这些特性也造就了磁流变液的工程应用。对于磁流变阻尼器，在不施加电场时阻尼力仅仅是液体产生的剪切应力，随着电场施加增加，减震器所产生的阻尼力也相应的增强。图2.1 磁流变液流变机理 磁流变液这种随外界磁场强度变化而改变流变特性的现象被称为磁流变效应。磁流变效应使得磁流变液走向工程应用，具有以下特征： 连续性，它能随磁场强度变化而变化，因而随磁场强度的增强，其阻尼力也随之连续性增强；可逆性，在施加电场之后，磁流变液又恢复到原来的状况而没有附加的变化；安全控制，可采用低电压小电流控制磁场来实现磁流变效应的实现，安全可靠能耗小；反应迅速，流变特性在毫秒级就能发挥效果。 磁流变体在磁场作用下改变其流变特性，在没有磁场作用时，磁流变体表现为牛顿流体特性，其剪应变和剪应力成正比。在外加磁场作用时，磁流变体表现为 Bingham 特性【17】。 17 式中为磁流变体的全部屈服强度，(H)是由磁场引起屈服强度，为磁流变体的粘度,为剪应变。磁流变体的屈服强度范围大约在50100kPa。其中： (H)=KH K与是与磁流变液相关的试验常数。3.2.3 磁流变减震器工作模式 磁流变减震器根据工作模式可以分为：流动模式、剪切模式、挤压模式和流动剪切模式。现介绍如下：图2.2 磁流变减震器工作模式（1） 流动模式 如图2.2，流动模式磁流变减震器上下极板固定不动，极板之间充满磁流变液体，在外加压力的作用下磁流变液流过上下极板间隙，外加磁场经过极板垂直作用于两极板间的磁流变液，控制磁场的变化来控制磁流变液的流动性能，从而使推动磁流变液流动的活塞所受的阻力发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。这种模式的减震器结构最为简单但同等条件下的阻尼力较小。这种工作模式可以用来设计伺服控制阀和减震器等磁流变器件【19】。（2） 剪切模式 如图所示，上下极板相对运动，极板之间充满相对固定不动的磁流变液，外加磁场经过极板垂直作用在两极板间的磁流变液上，磁极以相对速度做相对运动，使得磁流变液受剪切作用。外加磁场的改变可以改变磁流变液的流动性能，即切应力和切应变速率，从而使推动极板运动的活塞阻力发生变化，而达到外加磁场控制阻尼力的功能。剪切工作模式减振器的粘滞阻尼力所占的比例很小,因此阻尼力可调范围较大,应用起来比较灵活,但是它所能提供的阻尼力相对较小,它特别适合于用于控制转子的转动【22】。剪切模式的阻尼器一般产生的阻尼力不是很大，一般用来设计开发制动器、流体离合器、机床夹具和减震器等磁流变器件。（3） 挤压模式 在挤压模式下, 磁极在与磁场几乎平行的方向上移动, 磁场方向垂直磁流变液，磁极受外力作用而上下运动，由于与磁场方向几乎平行，磁流变液在磁极的作用下处于交替拉伸和压缩状态, 并发生剪切。磁场发生变化磁流变液的流体性能也跟随变化，磁极在运动的时候所受的阻尼力发生变化，从而达到控制磁场强度来控制阻尼力的目的。该模式一般受减振器结构的限制,磁极相对移动距离比较小,但是磁流变阻尼减振器产生的阻尼力比较大,因此该模式主要用于振动幅度比较小而且要求阻尼力比较大的场所。（4） 流动剪切模式 根据各工作模式的结构特点知道【19】：流动模式液体通过间隙所产生的阻尼力比较高也因此阻尼力控制的范围比较窄；剪切模式所产生的阻尼力相对较小可调范围广；挤压模式所产生的阻尼力较大但活动位移较小不适合作为汽车减震器。混合模式减震器汲取了流动模式与剪切模式的优点，所产生的位移和阻尼力都相对较大。对于混合模式来说，当减震器活塞由于汽车车身与底盘的相对运动而在工作缸中作往复直线运动时，处于阻尼通道中的磁流变液既可像流动模式中的磁流变液那样受到挤压而被迫通过间隙，又像剪切模式的磁流变液一样受到两相对运动的极板产生的剪切力的作用。图2.3 流动混合模式的减震器结构图 流动混合模式减震器结构简单并能够产生较大的阻尼力，如图所示一般采用活塞缸式结构。活塞上缠绕电磁线圈，电磁线圈通入电流以后活塞与活塞壁形成两个极板，极板间隙之间充满磁流变液，活塞在缸筒内往复运动磁流变液通过两极板间隙，电流通过电磁线圈产生磁场，磁场垂直于极板方向作用于磁流变液，磁场强度改变流体性能发生变化，是的活塞运动的阻尼力发生变化，从而到达通过控制磁场来控制阻尼力的目的。3.2.4 磁流变结构设计 汽车磁流变减振器是利用磁流变效应实现阻尼力无级可调的减振器，影响其性能的因素较多，如磁流变液的性能、铁芯材料的选用、磁路的磁饱和与剩磁、磁场方向、体积补偿、阻尼通道的结构等【23】。以下就一些主要因素进行解析：（1）要使得磁流变减震器在工程上很好的应用，磁流变液首先要具备一定的性能，零场粘度低，在不施加电场时液体剪切应力低，才能使阻尼可调范围要广；外加磁场后，磁饱和要高，随着磁场强度的增强流变液的抗剪切应力粘度增强，而磁饱和度高也使得磁流变液能产生更高的阻尼力，阻尼力调节范围也相应增加；工作温度范围广，汽车减震器由于要长时间工作，并且会在各种不同的极限状况下工作，因此液体工作温度要宽；磁流变液响应时间短，至少要跟上控制系统的反应时间；液体化学性能稳定，不会跟其他的物质发生化学反应。（2）阻尼通道的结构和尺寸直接影响到磁流变减振器的阻尼特性，阻尼通道有下列几种形式：阻尼通道位于活塞内；阻尼通道位于活塞和工作缸之间；阻尼通道位于工作缸之外。一般流动模式的减震器设计为阻尼通道位于活塞内，剪切模式和流动剪切模式的减震器会将阻尼通道设计在活塞和工作缸之间，阻尼通道位于工作缸外的设计减震器结构偏大，一般用于旁通阻尼式结构减震器。图2.4 阻尼通道与阻尼力的关系【23】 阻尼通道的设计主要就是阻尼间隙与阻尼通道长度的设计。如图2.4是阻尼通道与阻尼力的关系，阻尼通道的间隙越小，流体的磁阻也就越小，阻尼通道中的磁场强度也就越大，间隙中的磁流变液的抗剪切应力也就增强，阻尼力增大，其次，由于阻尼力的通道减小，被动阻尼力也相应的增大。因此，随着阻尼间隙的减小阻尼力会增加。阻尼通道长度增加，会使得更多的磁流变液产生磁流变效应，磁流变液在阻尼通道中的流动阻力增大，减震器上下腔之间产生更大的压力差，因此随着阻尼通道的增长减震器阻尼力也会增加（如图2.4）。（3）活塞的有效面积是指活塞的截面积与活塞杆截面积之差，减震器的阻尼力随活塞有效面积的增加而增加，因此要提高阻尼力应尽可能的提高活塞有效面积。活塞杆作为传动部件，在工作中要承受拉力、压力和弯曲力等作用力，因而保证活塞杆的强度和刚度要求是提高活塞有效面积的前提。（4）在磁路中磁芯材料所其的作用是增加磁感，改变磁路的磁通密度、减小漏磁等。磁芯材料有多种选择，但价格和性能差别也比较大，作为磁芯材料要求磁导率要高，要求材料的磁滞回线所包括的面积小，矫顽力低，磁导体中有小涡流损失和磁滞损失。磁芯材料的电阻与电抗应尽量小，这样控制电流相对较低能耗较少。铁磁材料的磁化曲线是非线性的，当磁场强度增长到一定数值以后，磁感应强度的增长开始变的缓慢，逐渐达到饱和状态如图2.5。由于磁导率u=B/H，从磁导率曲线可以观察到，当随着电场增加磁导率到达um之后开始磁导率下降，随着磁场强度的增加铁磁材料的磁阻会相应的增加，因此磁导率的峰值点也是材料选取的参考点。因此应该选择具有高饱和磁感应强度的材料作为铁芯材料。 图2.5 铁磁材料的磁化曲线（5）在磁路中各段都存在漏磁，漏磁与磁路的几何形状有关系。工作间隙断面会产生漏磁，而且工作间隙断面越长漏磁越多，还会受到断面的形状和相对位置的影响；磁体表面漏磁，活塞作为整个磁体，磁体越大漏磁也就越多。根据漏磁情况合理的减小工作间隙可以减小漏磁，在计算磁通量时应该将漏磁计算在内，首先排除漏磁的磁通量来计算效果。（6）由于平行于磁流变液流动方向的磁力线分量对磁流变效应贡献较小，垂直于磁流变液流动方向的磁力线分量对磁流变效应贡献较大，因此采用剪切模式和流动模式的阻尼器磁力线的方向必须垂直于阻尼通道内磁流变液流动的方向。采用挤压模式的阻尼器磁力线的方向必须平行于活塞运动方向。在设计磁流变减振器时应使阻尼通道中的磁流变液的流动方向垂直于磁场方向以便充分利用磁流变效应来改变阻尼器的阻尼力。3.2.5 磁流变减震器结构 根据工作模式磁流变减震器可分为：流动模式的减震器、流动与剪切组合模式的减震器、挤压模式的减震器、剪切模式的减震器；根据磁路形式可分为垂直磁场和水平磁场两种；根据节流通道形状可分为环形节流通道和圆孔阻尼通道；根据活塞缸结构可分为：单出杆活塞缸结构和双出杆活塞缸结构。下面就不同活塞缸结构的减震器进行浅谈： 单杆单筒结构简单，应用也相对广泛，可根据需要进行设计，可用流动模式、剪切模式和混合模式。 图2.6 单杆单筒 1 导线 2 活塞杆 3 导套 4 缸筒 5 阻尼通道 6 线圈 7 活塞 8 磁流变液 9 浮动活塞 10 补偿器单杆单筒式就如图所示结构简单，活塞线圈通过活塞与缸筒之间的间隙与缸筒形成闭合磁路，在结构安装时不受方向的限制。由于是单杆，因此在活塞往复运动时工作缸里体积会发生变化，因此需要补偿器进行体积补偿，补偿器里的气体通过推动浮动活塞改变工作缸的体积，但也要求补偿器和浮动活塞密封性好。导套与活塞杆紧密连接，其作用就是保证活塞杆与缸筒同轴度，并对活塞杆的运动起到导向作用。 图2.7 双杆单筒 1 导线 2 活塞杆 3 导套 4 缸筒 5 阻尼通道 6 线圈 7 活塞 8 磁流变液 双杆单筒，从结构上看比单杆单筒多了一个杆，结构相对复杂一点，单对于安装以及密封性的难易程度上双杆单筒似乎更有优势。双杆单筒一方面可以省略补偿器的结构，另一方面双杆的导向性更好，活塞的稳定性更好，适合于大阻尼结构的应用。缺点就是安装方向固定。在应用中一般会选择应用混合模式【25】。1 导线 2 活塞杆3 导套 4 内缸筒5 气囊 6 阻尼通道7 线圈 8 气囊密封浮动塞 9 外缸筒10 压力阀口 11 磁流变液 12 活塞 图2.8 单杆双筒 单杆双筒：如图所示，该结构的主要优点是通过压力阀口来调节磁流变液在工作缸中的流动，调节过程中通过气囊进行体积补偿，提高了磁流变阻尼减振器的可靠性和可控性。该结构的缺点主要是减振器的内部结构比较复杂，制作麻烦，加工成本较高，一般在大型机械或高档的轿车中采用此种结构较多。3.3 压电式减震器 3.3.1 压电陶瓷特性及性能 压电陶瓷是具有压电效应的陶瓷，简称压电陶瓷。常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3(A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价）型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3）O3和Pb(Co1/3Nb2/3）O3等组成的三元系【26】。它通常是由几种氧化物或者碳酸盐在烧结过程中发生固相反应而形成，其制造工艺与普通的电子陶瓷相似。烧结出来的陶瓷体是多晶体，其自发极化是紊乱取向的，主要成分是铁电体，因此成为铁电陶瓷，没有压电性能。对这样的陶瓷体施加强的磁流电场进行极化处理，原来混乱取向的自发极化就沿电场方向择优取向。去除电场后，陶瓷体仍保留着一定的总体剩余极化，遂使陶瓷体有了压电性能。与压电单晶体材料相比，压电陶瓷的特点是容易制造，可做成各种形状；可任意选择极化轴方向；易于改变瓷料的组分而得到各种性能的瓷料；成本低，适用于大量生产。目前最常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、三元系压电陶瓷、透明铁电陶瓷以及铌酸盐系陶瓷等。 压电材料是一种特殊的弹性体，除了具备普通介质材料所具备的介电性质和弹性性质外，更主要的是具有压电效应。利用压电陶瓷材料作为驱动装置主要是利用其逆压电效应，即通过对压电陶瓷（PZT）施加外部电场，将输入的电能转换成机械能以改变结构阻尼、刚度等特性。 压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。压电陶瓷频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。3.3.2 压电效应【27】 所谓压电效应是指压电陶瓷介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是正压电效应。反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。 单个压电陶瓷薄片变形量较小，难以产生所需变形。在实际应用中，通常将多个压电陶瓷片以一定方式叠加起来，构成一个在机械结构上串联，在电学上并联的压电叠堆结构。压电堆栈在电压下产生的变形速度快、位移也较长。工程应用中多采用压电堆栈。 正压电是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。 逆压电是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。图3.3.1 正、逆压电效应 3.3.3 压电式减震器设计原则 压电式减震器在原有液压式减震器基础上从被动转换为主动，在材料选取以及控制方式上都有严格的要求，其中结构上必须跟以前模式基本相同才能使其他部件能相对不变，以下是压电式减震器设计所需注意的：（1） 频率稳定。压电陶瓷材料在工作过程中要长时间的进行充放电，在低频率时压电陶瓷性能相对稳定，当频率增加，压电陶瓷两极温度增加，温度过高压电材料就会失效。所以在选择压电陶瓷材料时要保证压电陶瓷的工作稳定性。（2） 检测信号与执行元件速度要快。压电式阻尼器结合了压电材料的压电效应原理，利用压电式传感器感受车身振动，将信号传递到ecu，再来控制压电堆栈。所以在选择材料时要保证反应时间短。（3） 输出位移。由于压电片单片结构比较薄，如果只用一片，输出位移并不能为工程所应用，在压电式阻尼器中，要保证一定的输出位移才能调节阻尼阀的大小。（4） 压电片输出力。在压电式阻尼器中压电片输出力用来推动活塞，由活塞与推杆放大，在输出力中最高输出力要大，最小输出力要小，但也要保证一定值，输出力的范围决定了阻尼变换阀的变换范围，为了更好的调节阻尼力大小，输出力范围要广。（5） 低电压工作。如果需要施加大电压才能使压电陶瓷响应，既消耗过多的电能又容易使压电陶瓷材料因为高电压而击穿。因此材料选取时要求低电压响应。（6） 强度刚度。利用逆压电效应，压电堆栈会产生位移推动活塞工作，如果压电堆栈的强度不够，无法推动活塞或者出现严重变形量，压电陶瓷材料就不能满足精确控制阻尼力的要求。（7） 发热小，无噪声，不易受到电磁干扰。3.3.4 压电式减震器应用实例压电式减震器根据压电效应原理制成。压电式减震器主要由压电式传感器、压电式执行器和阻尼力变换阀组成。由于压电正效应的作用，汽车在行驶过程中产生的颠簸在压电传感器上大约2us的时间内就可产生电压信号，产生的电压信号迅速传给控制单元ECU，ECU在接到信号以后迅速做出反应对压电执行器施加电压，由100个压电元件所组成的压电执行器，根据电子控制其ECU发出的指令被施加电压后，由于压电负效应的作用而产生位移。此位移被活塞和推杆放大后，使阻尼力控制阀动作。压电式减震器从出现颠簸信号到阻尼力变化阀动作仅仅需要几毫秒的时间，因此压电式减震器用在电子控制悬架中具有相当高的响应能力。图3.3.2 阻尼器结构 由上图结构可知，压电式阻尼器通过压电堆栈在施加电压后产生相变位移，位移通过活塞杆传至大活塞，大活塞在压力作用下使得小活塞产生位移，位移推动阻尼力变换阀，调节阻尼力空的大小，实现电压控制阻尼力的大小。