朱茂飛， 谷 曼， 張春鵬， 邢文靜， 吳 瓊

(1.合肥學(xué)院先進(jìn)制造工程學(xué)院,安徽 合肥 230601;2.江淮汽車技術(shù)中心,安徽 合肥 230601)

0 引 言

車輛懸架系統(tǒng)對車架起支撐作用，并有效隔離路面不平引起的振動和沖擊，以滿足車輛的乘坐舒適性和行駛安全性要求[1]。近年來，利用磁流變液的流變特性易受外加磁場控制的原理開發(fā)磁流變減振器是可調(diào)阻尼器發(fā)展的方向。由于磁流變減振器具有可控性好、功耗低、響應(yīng)速度快、阻尼力連續(xù)可調(diào)等特點(diǎn)，成為汽車半主動懸架領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[2-4]。

磁流變減振器的結(jié)構(gòu)有雙筒單出桿、單筒雙出桿、單筒單出桿三種形式[5]。采用雙筒結(jié)構(gòu)的磁流變減振器不需要設(shè)計專門的導(dǎo)向和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，得到較為廣泛的研究[6-7]，但是為解決雙筒堵塞問題會使得減振器結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。雙出桿與單出桿相比，在同等長度下，減振器最大行程將縮小1/3～1/2，而汽車懸架動撓度較大，減振器需要較大的工作行程，因此汽車半主動懸架系統(tǒng)不宜采用雙出桿結(jié)構(gòu)[8]。此外，準(zhǔn)確獲得磁流變減振器動態(tài)特性，包括阻尼力大小、可調(diào)范圍以及動態(tài)響應(yīng)時間，直接關(guān)系到半主動懸架的控制策略設(shè)計和控制周期的確定。

結(jié)合汽車用減振器的工作特點(diǎn)和技術(shù)要求，設(shè)計了基于混合工作模式的單出桿單筒磁流變減振器。根據(jù)流體力學(xué)理論，建立混合工作模式下磁流變減振器計算模型，對磁流變減振器的阻尼力、動態(tài)響應(yīng)時間及其影響因素進(jìn)行了理論分析，研制了汽車用磁流變減振器樣機(jī)。在MTS809試驗(yàn)機(jī)上對研制的磁流變減振器進(jìn)行動態(tài)特性測試，得到不同輸入電流和激勵條件下的示功圖和速度圖、分析磁流變減振器的動態(tài)可調(diào)范圍，并對磁流變減振器的動態(tài)響應(yīng)時間進(jìn)行了試驗(yàn)測試，從而為磁流變減振器的開發(fā)及其在汽車半主動懸架中實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 磁流變減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)所選用轎車的技術(shù)參數(shù)：整備質(zhì)量1360kg、減振器最長420mm、最短310mm、最大行程110mm、外徑45mm，設(shè)計的氮?dú)庋a(bǔ)償式單出桿單筒磁流變減振器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氮?dú)庋a(bǔ)償式單筒減振器結(jié)構(gòu)圖

考慮到磁流變減振器的外形及安裝尺寸能適合所選車型，設(shè)計的磁流變減振器的最大拉伸長度405mm，最小壓縮長度312mm，最大工作行程93mm，液壓缸內(nèi)徑36mm。磁流變減振器阻尼通道間隙直接影響減振器的阻尼特性，根據(jù)文獻(xiàn)[9]設(shè)計為1.5mm，可得電磁活塞外徑33mm。活塞結(jié)構(gòu)上采用并聯(lián)雙線圈的形式，阻尼通道有3個，累計總長為20mm。在活塞桿的尾部設(shè)計了導(dǎo)向活塞，在其上開有3個足夠大的通孔以保證磁流變液的正常流動。為了補(bǔ)償活塞運(yùn)動過程中由于活塞桿的存在導(dǎo)致的兩工作腔體積之差，在減振器的底部布置氮?dú)馄つ疫M(jìn)行補(bǔ)償，其壓力選擇為2Mpa。

2 磁流變減振器動態(tài)特性理論分析

2.1 磁流變阻尼特性分析

混合工作模式的磁流變減振器簡化為磁流變液在兩相對運(yùn)動的平板之間的流動，其阻尼力可以看成工作于流動模式下的阻尼力和工作于剪切模式下阻尼力的疊加[10]，見圖2。

圖2 混合模式下的速度分布

假設(shè)磁流變液只在x方向以體積流速Q(mào)層流、考慮定常、連續(xù)、不可壓縮、忽略質(zhì)量力，由流體力學(xué)平衡得運(yùn)動方程式

(1)

式中L為阻尼孔累計總長度;ΔPO 阻尼通道兩端的壓力差;τ為磁流變液的剪切應(yīng)力

磁流變液在不施加磁場作用下表現(xiàn)為Newton流體，其剪切應(yīng)力用下式描述

(2)

在外加磁場作用下，磁流變液表現(xiàn)為Bingham流體，其本構(gòu)關(guān)系可用下式近似描述[11]

(3)

其中τr為與磁場強(qiáng)度有關(guān)的剪切屈服應(yīng)力;η為磁流變液粘度;v為磁流變液在阻尼孔內(nèi)的流動速度

2.1.1 流動模式的阻尼力

無外加磁場作用下，磁流變液運(yùn)動方程為

(4)

由邊界條件v(h/2)=v(-h/2)=0解方程(4)得

(5)

在外加磁場作用下，在阻尼孔中，流動模式磁流變液可分成三個不同的區(qū)域，見圖2(a)。

區(qū)域Ⅰ：屈服流動，rc/2≤r≤h/2，τ>τr

由式(1)和式(3)可得

(6)

(7)

區(qū)域Ⅱ：剛性流動，-rc/2≤r≤rc/2，τ≤τr

中心剛性流動區(qū)域的寬度為rc=2Lτr/ΔP,把r=rc/2帶入式(7)得流速分布方程

(8)

由于區(qū)域Ⅲ的流速分布與區(qū)域Ⅰ關(guān)于x軸對稱，因此磁流變液在阻尼孔間隙內(nèi)的體積流速為

(9)

引入無量綱變量M和N

(10)

由式(10)可化簡式(9)為

M3-(1+3N)M2+4N3=0

(11)

根據(jù)磁流變減振器參數(shù)對式(11)近似計算可得

M=1+3N

(12)

將式(10)帶入式(12)中可得

(13)

則流動模式下磁流變減振器的阻尼力為

(14)

Ap炎電磁活塞的有效面積;

2.1.2 剪切模式的阻尼力

由圖2(b)可見，在阻尼孔中，剪切模式磁流變液的流速在阻尼孔內(nèi)線性分布且發(fā)生屈服流動，由式(2)可得

(15)

剪切模式下的阻尼力為

(16)

由式(14)和式(16)可得混合工作模式磁流變減振器的阻尼力為

(17)

考慮到氮?dú)庋a(bǔ)償室的壓力，氮?dú)庋a(bǔ)償式單出桿單筒磁流變減振器的總阻尼力為

(18)

2.2 磁流變減振器動態(tài)響應(yīng)時間分析

在活塞運(yùn)動速率不變條件下，磁流變減振器的動態(tài)響應(yīng)時間可以看作磁場強(qiáng)度改變導(dǎo)致的磁流變液由穩(wěn)態(tài)Newton流體發(fā)生流變直到變成穩(wěn)態(tài)Bingham流體所需的時間。

圖2的平行板間的磁流變液以壓差ΔP作穩(wěn)定流動的Newton流體壓差瞬變到ΔP′，其微分方程為

(20)

式中λ(t)滿足：t>0,λ(t)=1;t≤0,λ(t)=0。

利用初始條件式(5)可求得方程(20)的解為

在外加磁場作用時，壓差為ΔP′的穩(wěn)定Newton流體瞬間變?yōu)锽ingham體，其流速分布方程為

(21)

初始條件為

(22)

利用式(22)可求得方程(21)的解為

(23)

可以看出，外加磁場強(qiáng)度改變時，磁流變減振器的動態(tài)響應(yīng)時間主要由T和T′決定，而影響其響應(yīng)時間常數(shù)的主要因素是磁流變液的粘度和阻尼孔間隙大小，與磁流變液的剪切屈服應(yīng)力和阻尼孔兩端壓差無關(guān)。

3 磁流變減振器實(shí)驗(yàn)測試與分析

根據(jù)所選車輛懸架的技術(shù)要求，選用杉工SG-MRF2035磁流變液設(shè)計制作了磁流變減振器，如圖3(a)所示。參考機(jī)械工業(yè)部筒式減振器臺架試驗(yàn)方法(QT/T545-1999)在MTS809材料試驗(yàn)機(jī)上對設(shè)計的磁流變減振器進(jìn)行動態(tài)特性測試，試驗(yàn)現(xiàn)場見圖3(b)，測試采用正弦波位移加載，活塞最大速度為0.3m/s，勵磁電流為0-2A。

圖3 磁流變減振器及其臺架動態(tài)特性測試

3.1 阻尼特性測試

取振幅為10mm，分別在頻率0.5Hz、1.0Hz、和2.0Hz。取振幅為20mm，頻率為0.5Hz 、1.0Hz；取振幅為25mm，頻率為1.0Hz，每隔0.5A改變勵磁電流進(jìn)行阻尼特性測試，部分測試結(jié)果見圖4-5,曲線從內(nèi)至外依次對應(yīng)電流為為0、0.5、1.0、1.5、2.0A。

圖4 磁流變減振器示功特性曲線

圖5 磁流變減振器阻尼力-速度特性曲線

由圖4可見，隨著電流的增加，示功特性曲線包圍的面積增大，反映磁流變減振器被動地消耗較大的振動能量,減振效果增大。電流較大時，示功特性曲線簇緊密，其原因是由于磁場強(qiáng)度較大時，磁流變液接近飽和剪切屈服強(qiáng)度，電流的持續(xù)增大不會導(dǎo)致阻尼力的顯著變化。示功特性中拉伸行程的阻尼力大于壓縮行程的阻尼力，符合汽車懸架壓縮行程利用彈性元件緩和沖擊，伸張行程利用阻尼元件迅速減振的要求。

當(dāng)電流分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0A時，試驗(yàn)測得阻尼力-速度特性曲線見圖5。由圖可見，阻尼力-速度特性曲線呈明顯的滯回形式；阻尼力與速度為非線性關(guān)系，符合上述的Bingham模型的本構(gòu)關(guān)系。速度較大時，發(fā)生剪切稀化現(xiàn)象，阻尼力隨速度的增加幅度變緩，速度越大稀化量越大。電流較大時，曲線簇緊密，也是與磁流變液接近飽和屈服剪切屈服強(qiáng)度有關(guān)。

3.2 動態(tài)響應(yīng)時間測試

采用文獻(xiàn)[12]中磁流變減振器動態(tài)響應(yīng)時間測試的方法，進(jìn)行振幅為25mm，頻率為0.04Hz的三角波方式加載，即活以4mm/s勻速運(yùn)動，在減振器的拉伸行程中，電流在0-0.5A、0-1.0A、0-1.5A、0-2.0A之間瞬間突變，試驗(yàn)測取電流瞬變引起的阻尼力由一種穩(wěn)定狀態(tài)變化到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過渡過程，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 不同電流瞬變下響應(yīng)時間測試結(jié)果圖

磁流變減振器的動態(tài)響應(yīng)時間定義為阻尼器從其初始阻尼力值變化到初始阻尼力與穩(wěn)態(tài)阻尼間95%的阻尼力值所需要的時間，由圖6結(jié)果曲線計算得到的響應(yīng)時間見表1。

表1 電流瞬變變大時的響應(yīng)時間

表2 電流瞬變變小時的響應(yīng)時間

由表1可以看出，電流瞬變范圍的變化對磁流變減振器的動態(tài)響應(yīng)時間影響較小，上述理論分析也指出了動態(tài)響應(yīng)時間只與阻尼孔間隙和磁流變液的粘度有關(guān)，與磁流變液的屈服強(qiáng)度無關(guān)，電流的變化使磁流變液的屈服強(qiáng)度改變，但對其動態(tài)響應(yīng)時間無明顯影響。此外，電流瞬變增大時的響應(yīng)時間明顯小于電流瞬變變小時的響應(yīng)時間，這主要是由于磁流變減振器磁路中的剩磁引起的，剩余磁場的存在阻礙了減振器阻尼力的快速下降?？梢姡O(shè)計磁流變減振器的動態(tài)響應(yīng)時間不超過32ms，具有較快的動態(tài)響應(yīng)速度。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)轎車懸架的技術(shù)要求，從工程實(shí)現(xiàn)和保證安裝角度出發(fā)設(shè)計了氮?dú)庋a(bǔ)償式單出桿單筒磁流變減振器。

(2)建立磁流變減振器阻尼力理論計算模型，并對其動態(tài)響應(yīng)時間進(jìn)行分析，磁流變液的粘度和阻尼孔間隙大小是影響響應(yīng)時間的主要因素。

(3)MTS材料試驗(yàn)機(jī)上動態(tài)特性測試表明設(shè)計的磁流變減振器能夠滿足汽車對懸架阻尼性能的要求，具有較寬的阻尼調(diào)節(jié)范圍和較小的動態(tài)響應(yīng)時間。

(4)理論分析與動態(tài)特性測試結(jié)果為汽車用磁流變減振器的研制以及應(yīng)用提供了依據(jù)。