1、毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化阻尼可变式跑步机健身器材设计摘要简要介绍了磁流变液的基本理论，磁流变阻尼器的工作原理，磁流变阻尼器的应用，介绍了目前磁流变技术在国内外的研究状况及工程中的应用，介绍了跑步机的发展状况及其分类。提出了磁流变阻尼器在跑步机中的应用。关键词磁流变液磁流变阻尼器跑步机0前言磁流变液MAGNETO2RHEOLOGCA1FLUID,MRF13是一种具有良好发展前景和工程应用价值的新型智能材料,在外加磁场作用下,会产生明显的磁流变效应在固体与液态之间进行毫秒级快速可逆转化，其粘度保持连续无级变化,可实现实时主动控制,耗能极小,因而广泛应用于机械、汽车、航空、精密加工、建
2、筑、医疗等领域。1945年WINSLOW发现电流变效应后,美国学者RABINOW于1948年发明了磁流变液。但磁流变液在最初应用过程中遇到了稠化、沉降及磨损等难题。因此,大部分研究人员的研究转向了电流变液。但电流变液抗剪切屈服强度较低,对普通污染物如水敏感,且需要高电压,工作温度范围较窄,因而限制了它的应用。而磁流变液的抗剪切屈服强度大约比电流变液大一个数量级,对污染不敏感,且一般采用低电压,工作温度范围较宽,因而自20世纪90年代初以来磁流变液又重新引起研究者们的兴趣。随着稠化等问题的解决,各工业国竞相展开了对磁流变液及器件的研究,加速了磁流变液的进展。1磁流变液的特点磁流变液是一种在外加磁
3、场作用下流变特性发生急剧变化的材料。它在无外场作用下表现为流动良好的液体状态,然而在强磁场作用下可在短时间毫秒级内表观粘度增加两个数量级以上,并呈现类似固体的力学性质,其强度由剪切屈服应力来表征而且粘度的变化是连续、可逆的,即一旦去掉磁场后,又变成可以流动的液体。112磁流变液阻尼器的工作模式6根据磁流变液流动特性的不同,磁流变器件的工作模式主要有两种流动模式和剪切模式。21流动工作模式流动模式是上、下极板固定不动,流体以一定速度流过极板间隙,如图21所示。外加磁场垂直于极板方向,磁流变液在相对静止的极板间运动,磁流变液在流经极板间隙产生的压力差受到外界磁场的控制。图21流动工作模式图22剪切
4、工作模式剪切模式是上、下极板以相对速度平行运动,如图22所示。外加磁场同样垂直于极板相对运动方向,磁流变液在两相对运动的极板间流动,形成剪切变形。外加磁场受激励电流或电压控制,通入不同的电流将产生不同的磁场强度,其相应的剪切屈服应力强度也会随之变化,因此可以通过改变电流或电压值的大小来控制阻尼力的大小。图22剪切工作模式图3磁流变阻尼器件的应用磁流变液阻尼器可广泛用于各种振动控制系统,具有阻尼力大、电功率消耗低等特点。阻尼器的结构形式较多,按其工作模式可分为如下几种类型。31流动模式的阻尼器1阻尼器是流动模式下磁流变液最典型的应用。阻尼器由于能产生强大的阻尼力,且可根据外部振动的不同自行调节磁
5、场强度大小,使阻尼器阻尼通道两端的压力差发生变化,达到主动减振的目的。LORD公司在流动模式下开发了一种车辆座椅悬架阻尼器,大大提高了乘坐的安全性和舒适性,其性能远优于传统的减振器,图31和表31示出了磁流变液流动模式下阻尼器的主要特性。2002年DELPHI公司将其研发的磁流变悬架系统应用在CADILLAC高档车上,磁流变液能在1MS之内响应,比以前传统可调减振器系统快5倍以上。图31磁流变阻尼器表31流动模式特性32剪切模式的阻尼器1在此种模式下磁流变液器件主要依靠磁流变液的剪切应力来传递转矩,由于磁流变液的屈服应力受外加磁场控制且相变的过程在毫秒量级内完成。因此,可以做成敏捷度极高的控制
6、元件,用于连接和传递两部件之间的力或力矩。在这一类的磁流变液器件中,离合器和制动器都是典型的例子。1999年美国LORD公司制造的小型旋转式制动器是一种回转阻力可控、结构紧凑、运行平稳、功耗较低的器件,目前已用于自行车式和台阶登攀式健身机,它与速度反馈装置连接,可实时控制转矩,从而迫使练习者保持希望的目标速度。图32和表32示出了剪切模式下磁流变液制动器的主要特性。1998年GARY等人研制的被动式磁流变离合器,利用固化的磁流变液来传递动力。为了解决屈服应力小的问题,采用热敏材料受热膨胀产生应力,使控制系统推动法兰盘轴向移动,减少磁流变液存在空间,使其屈服强度得到提高,从结构上看,控制系统较为
7、复杂,加工与装配都比较困难,并且对热敏元件有很强的依赖性。2001年美国CARLSON研制出了将转子与飞轮做成一体的磁流变液制动器。通过控制磁场强度和改变飞轮的结构,可以得到不同的输出转矩。2002年美国内华达州大学的KAVLIEOGLU研制的双圆盘式大转矩磁流变液离合器,其试验转矩达到79NM。2000年中国科技大学试制的有加压装置的磁流变液离合器,在不需要其他辅助装置的情况下能实现两轴的离合,但在大转矩传递的问题上,还存在一定的局限性。因为其径向加压区段的固相磁流变液在受到加压时会往后移动,实验转矩只能达到7NM。图32磁流变液制动器原理表32剪切模式特性4跑步机的发展状况及分类跑步是目前
8、国际流行并被医学界和体育界给予高度评价的有氧健身运动，是保持一个人身心健康最有效、最科学的健身方式，也越来越受到大家喜爱。只是随着都市的大气变得污浊，生活节奏变得紧张，户外长跑变得不那么流行了，而跑步机则成了时下健身最热门的健身器械。跑步机不仅可以让我们免受汽车尾气之苦，也使我们可以选择自己方便的时间随时锻炼。跑步机在中国体育健身器械行业的兴起阶段70年代末80年代初台湾的SPORTSART、TRUE、JOHNSON后为中国产、MAGTONIC、HUSE牌跑步机开始进入市场，其中的许多厂商是在为美国及英国厂商进行合作生产配件过程中，发展成为自创品牌或贴牌生产使用美、英产品商标，在台湾进行生产。
9、而在电动跑步机的制造上，我国直到90年代末才出现了万年青、乔山、汇祥、百利恒等自主品牌，这是中国健身器材工业的真正开始，而我国跑步机也正是在这个时期发展起来的。1241机械式跑步机机械式跑步机是依靠跑步者脚与跑步带的摩擦力带动来运行的。这种跑步机结构简单，价格便宜，维修方便，但有时候达不到运动者的需要，性能不够完善。42电动式跑步机电动跑步机是健身房及家庭较高档的器材，它通过电机带动跑带使人以不同的速度被动地跑步或走动。由于被动地形成跑和走，从动作外形上看，几乎与普通在地面上跑或走一样，但从人体用力上看，在电动跑步机上跑、走比普通跑、走省去了一个蹬伸动作。正是这一点使每一个在电动跑步机上走跑的
10、人感到十分轻松自如，可使人比普通跑步多跑13左右的路程，能量消耗也比普通走、跑为多。另外，由于电动跑步机上的电子辅助装备功能非常多，可体验不同的跑步环境，如平地跑、上坡跑、丘陵跑等，您可根据您的锻炼目的进行选择。电动式跑步机是现代主流的跑步机。5磁流变阻尼器在跑步机中的应用传统的机械式跑步机，通过锻炼者自身臂部、膝部、踝关节及相关肌肉产生向后的推力，推动跑步机产生运动。这类跑步机简单，耐用，省电。但是脚踏板皮带旋转所需的力量是固定的，因为对于不同的人群，所需的力量不同，所以达不到锻炼的要求。电动式跑步机，运动性能不错，是市场上主流的跑步机，但是价格昂贵，而且耗电量巨大，了达到安全舒适的目的，跑
11、带越来越宽、越来越长，相应占地面积比机械跑要大。对于传统的机械式跑步机，在前滚轮结构处加入磁流变液阻尼器，可以通过电流来控制所需力量的大小，从而达到各个运动者的要求。设计这种跑步机的关键在于磁流变液阻尼器的设计。6亟待解决的问题（1）阻尼器的磁流变液的选择，通过力学性能的分析，选出合适的磁流变液，要综合考虑各个方面，如安全，性价比等。（2）设计出适合各个人群的跑步机，对于不同身高体重的人都能正常，安全使用。（3）分析人体下肢健身锻炼过程对跑步器材的技术要求，选择合理的材料，并且设计结构合理。7结论通过跑步机的设计，可以了解有关磁流变液的知识，阻尼器的结构原理，跑步机的结构原理，更好的掌握机械方
12、面的原理知识。并且，通过此设计，可以更好的理解体育锻炼的重要性，科学的健身方式的意义。参考文献1王鸿云，郑惠强，李泳鲜磁流变液的研究与应用J200852王惠，杨臻，韩世俊磁流变液技术及其应用机械工程与自动化201083崔治磁流变液装置研究及其在非球面研抛中的应用D2009054苏会强，郑堤基于磁流变液的回转式阻尼器设计与有限元分析J2007，45张登友，鲁嘉，刘奇等磁流变阻尼器的研究及应用现状J2008036汪建晓，孟光磁流变液装置及其在机械工程中的应用J机械强度，2001，017苏会强基于磁流变液的回转式阻尼器及其性能研究D20078GBOSSIS,SLACIS,AMEUNIER,OVOLK
13、OVA,MAGNETORHEOLOGICALFLUIDS,JOURNALOFMAGNETISMANDMAGNETICMATERIALS,VOLUME252,NOVEMBER2002,PAGES2242289JAEHWANKIM,KYOUNGMIPARK,MATERIALCHARACTERIZATIONOFMRFLUIDATHIGHFREQUENCIES,JOURNALOFSOUNDANDVIBRATION,VOLUME283,ISSUES12,6MAY2005,PAGES12113310蔡永飞，周瑾，徐龙祥等磁流变液阻尼器在磁悬浮轴承中的应用J2010，211徐拥军，宛霞跑步机在中国健身器械行业发展历程的探究J2009，1
