付江華,尹亞坤,蘇錦濤,陳 明,陳哲明,陳 寶

(1.重慶理工大學(xué) 車輛工程學(xué)院,重慶 400054;2.重慶理工大學(xué) 車輛NVH技術(shù)研究所,重慶 400054;3.吉林大學(xué) 博士后流動(dòng)站,長(zhǎng)春 130012;4.重慶賽寶工業(yè)技術(shù)研究院有限公司,重慶 401332)

0 引言

磁流變液作為一種智能材料,由磁性顆粒和絕緣載液構(gòu)成,其流變特性可通過(guò)外加磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)急劇改變,且連續(xù)可逆[1]。由于磁流變液的流變特性,使磁流變液器件在汽車、軍事、建筑和醫(yī)療等領(lǐng)域的振動(dòng)控制中得到應(yīng)用[2-5]。

用于汽車動(dòng)力總成的磁流變懸置是較為流行的磁流變器件之一。一般來(lái)說(shuō),汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)可分為3類：被動(dòng)懸置系統(tǒng)、半主動(dòng)懸置系統(tǒng)和主動(dòng)懸置系統(tǒng)。被動(dòng)懸置在工作中無(wú)法改變剛度和阻尼,由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、便于維修,是目前車輛中應(yīng)用最為廣泛的懸置,但其隔振性能有一定的不足,其中被動(dòng)液壓懸置和橡膠懸置是2種最為常見的被動(dòng)懸置[6-7]。半主動(dòng)懸置與被動(dòng)懸置相比,剛度和阻尼可控,應(yīng)用于現(xiàn)代中高級(jí)轎車上,可以較好地滿足乘車舒適性的要求。與主動(dòng)懸置相比,半主動(dòng)懸置隔振思路是根據(jù)車輛工作狀況,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)自身剛度和阻尼來(lái)達(dá)到最佳的隔振效果;主動(dòng)懸置通過(guò)作動(dòng)器主動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)力,與激振源產(chǎn)生的振動(dòng)相抵消,從而消除振源振動(dòng)向車內(nèi)的傳遞。半主動(dòng)懸置按結(jié)構(gòu)和性能分為電磁可調(diào)式半主動(dòng)懸置、真空可調(diào)式半主動(dòng)懸置、磁流變半主動(dòng)懸置、電流變半主動(dòng)懸置[8-12]。主動(dòng)懸置一般由被動(dòng)懸置、傳感器、控制器和作動(dòng)器組成,但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高,目前只在少數(shù)高檔轎車上使用,其類型按作動(dòng)器可以分為壓電式主動(dòng)懸置、電磁式主動(dòng)懸置、電致伸縮式主動(dòng)懸置和氣動(dòng)式主動(dòng)懸置[13-16]。

磁流變懸置作為一種半主動(dòng)懸置,其剛度和阻尼可調(diào)控、響應(yīng)迅速、所需能耗低,能夠很大程度上實(shí)現(xiàn)寬頻隔振,減少高速行駛時(shí)車內(nèi)的振動(dòng)、降低車輛噪聲、提高車輛乘坐的舒適性,是汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)主動(dòng)隔振的重要發(fā)展方向之一[17]。因此,為保證磁流變懸置發(fā)揮最大的隔振性能,諸多專家學(xué)者對(duì)其結(jié)構(gòu)和控制算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。其中,Lin等[18]設(shè)計(jì)了一種可控多通道磁流變懸置,其可調(diào)的動(dòng)態(tài)剛度和阻尼能夠滿足寬頻隔振要求。Deng等[19]提出一種基于整車隔振控制的磁流變懸置多目標(biāo)優(yōu)化方法,優(yōu)化后懸置在啟停和勻速工況下隔振性能得到提高。Seyed等[20]設(shè)計(jì)了一種磁流變懸置的PID控制器,運(yùn)用該控制器的懸置在共振處和寬頻處的振動(dòng)傳遞率都下降50%左右。Aziz等[21]針對(duì)磁流變減振器的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模型分析、工程運(yùn)用和實(shí)驗(yàn)分析進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并對(duì)比論證了旁路式減振器在阻尼力和可控性上更具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

本文中綜述了近年來(lái)磁流變懸置在結(jié)構(gòu)、控制算法、仿真分析方法3個(gè)方面的研究進(jìn)展,指出了當(dāng)前研究所存在的不足。其中,在結(jié)構(gòu)方面,單一模式磁流變懸置的隔振性能遠(yuǎn)不如混合模式,但在目前的研究中仍以單一為主,缺少實(shí)車驗(yàn)證;在控制算法方面,由于國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚,其效果還存在一定的不足,多種算法聯(lián)合控制才剛剛起步,雖控制效果較好,但研究相對(duì)較少;在仿真分析方面,鍵合圖理論和有限元仿真應(yīng)用較多,前者需建造復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,后者分析雖簡(jiǎn)單直觀,但耗時(shí)較長(zhǎng),且缺少溫度場(chǎng)的影響。最后,根據(jù)目前研究中存在的不足,展望了磁流變懸置研究的未來(lái)發(fā)展方向。

1 磁流變懸置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化

相關(guān)專家學(xué)者在研究動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)時(shí),針對(duì)磁流變懸置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化進(jìn)行了深入研究。從結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化3個(gè)方面概述了當(dāng)前磁流變懸置的研究現(xiàn)狀,并對(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)下磁流變懸置的性能特點(diǎn),及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)隔振性能的影響。

1.1 磁流變懸置結(jié)構(gòu)類型

磁流變懸置隔振性能主要通過(guò)剛度和阻尼的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn),其原理是改變外加電流的大小,使懸置內(nèi)部磁場(chǎng)發(fā)生變化,磁流變液受其磁場(chǎng)的作用,內(nèi)部磁極粒子沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng),逐漸形成鏈狀結(jié)構(gòu),如圖1所示,在鏈化過(guò)程中,體積形態(tài)發(fā)生了由液體到固體的轉(zhuǎn)變,從而改變磁流變液的粘度,增大內(nèi)部阻尼力,最終達(dá)到動(dòng)剛度調(diào)節(jié)的目的[22]。

圖1 磁流變效應(yīng)

目前常見的磁流變懸置工作模式分為單一模式和混合模式,其中單一模式可分為流動(dòng)、擠壓和剪切,不同模式下的磁流變懸置優(yōu)缺點(diǎn)不盡相同。在工程應(yīng)用時(shí)選擇結(jié)構(gòu)合適的懸置,以達(dá)到理想的減振效果。其中,流動(dòng)模式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、輸出阻尼大等優(yōu)點(diǎn),但阻尼通道結(jié)構(gòu)會(huì)使磁感應(yīng)強(qiáng)度過(guò)早飽和,導(dǎo)致磁流變性能無(wú)法得到充分利用[23]。擠壓模式具有結(jié)構(gòu)緊湊、壓力差高、阻尼力大、可移植、能耗低等特點(diǎn),適用于高頻小振幅的工況,在較大的激振力下,仍保持較好的隔振效果[24]。剪切模式可以在磁感應(yīng)強(qiáng)度較小的情況下對(duì)動(dòng)剛度進(jìn)行小范圍調(diào)控,在小范圍激振情況下較為實(shí)用,因而多應(yīng)用在離合器和制動(dòng)器上[25]。圖2為常見的單一模式磁流變液的工作類型。

圖2 磁流變液工作模式

混合模式綜合了2種單一模式,并發(fā)揮2種工作模式的優(yōu)點(diǎn)。常見的混合模式有流動(dòng)-剪切混合式[26]、流動(dòng)-擠壓混合式[27]、擠壓-剪切混合式等。圖3為擠壓-剪切混合模式磁流變懸置磁路結(jié)構(gòu)[28]。

圖3 擠壓-剪切混合模式磁流變懸置磁路結(jié)構(gòu)

1.2 磁流變懸置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

磁流變懸置根據(jù)工作模式可以劃分為流動(dòng)、擠壓、剪切和混合模式,不同工作模式的磁流變懸置內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不相同。為了更有效地隔離車身與動(dòng)力總成的振動(dòng)傳遞,諸多專家學(xué)者對(duì)磁流變懸置的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了發(fā)明設(shè)計(jì)。

Wereley等[29]從理論上分析了轉(zhuǎn)盤式磁流變減振器(如圖4所示),并將其與線性結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)鼓式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比,論證了本構(gòu)模型對(duì)剪切型MRF減振器的影響。廖昌榮等[30]設(shè)計(jì)了一種基于圓盤擠壓式的磁流變液阻尼器,對(duì)該阻尼器性能進(jìn)行了理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖4 盤式磁流變減振器

Goncalves等[31]設(shè)計(jì)了一種梯度箍縮結(jié)構(gòu)的磁流變液閥(如圖5所示),該閥不僅可以提高磁流變液在通道中粘性流量利用率,還可以在同等電流激勵(lì)下產(chǎn)生更大的磁場(chǎng)強(qiáng)度。蔡強(qiáng)等[32]設(shè)計(jì)了一種與梯形結(jié)構(gòu)相似的錐形阻尼通道結(jié)構(gòu)的磁流變懸置。該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)徑向阻尼通道相比,其通道內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和點(diǎn)有所提升。

圖5 梯度箍縮結(jié)構(gòu)磁芯示意圖

Nguyen等[33]提出了一種混合模式的磁流變懸置。該懸置綜合了流動(dòng)和擠壓2種懸置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其動(dòng)態(tài)剛度具有很寬的變化范圍。Chung等[34]設(shè)計(jì)了一種帶傾斜角度的磁流變懸置(如圖6所示)。該結(jié)構(gòu)能夠減少“液鎖”現(xiàn)象,同時(shí)可以提高懸置的阻尼力和力比。

圖6 具有傾斜角度的磁流變懸置結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)對(duì)磁流變懸置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究可知,單一模式的磁流變懸置在可控性和阻尼力上存在不足,而混合模式的磁流變懸置可控性和阻尼力比較完善,但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致耗能和制造成本升高。因此,還需在懸置結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,來(lái)彌補(bǔ)磁流變懸置現(xiàn)有不足。

1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

磁流變懸置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)常基于某種特定的模式,從磁流變液流向、慣性通道數(shù)量、阻尼通道結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu)著手,以已掌握的懸置類型為基礎(chǔ),確定優(yōu)化目標(biāo)參數(shù),并根據(jù)力學(xué)理論等確定設(shè)計(jì)參數(shù)。

Nguyen等[35]對(duì)一種流動(dòng)模式下的磁流變懸置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,通過(guò)有限元分析對(duì)優(yōu)化后懸置進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,優(yōu)化后的懸置阻尼力得到了提高。Jeong等[36]提出一種基于磁流變彈性體的變剛度差動(dòng)安裝件,采用響應(yīng)面法對(duì)磁流變彈性體的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到目標(biāo)剛度水平。Phu等[37]運(yùn)用ANSYS APDL對(duì)所設(shè)計(jì)的磁流變懸置進(jìn)行磁路結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使懸置的隔振效果達(dá)到最優(yōu)。為了較好地控制外加磁場(chǎng),Yang等[38]對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了分析,運(yùn)用仿真軟件對(duì)磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖7所示。驗(yàn)證結(jié)果表明,該懸置在高頻振動(dòng)和低頻振動(dòng)時(shí)的控制性能得到改善。

圖7 優(yōu)化設(shè)計(jì)后磁流變懸置結(jié)構(gòu)示意圖

鄧召學(xué)等[39]對(duì)磁流變懸置橡膠主簧、流動(dòng)阻尼通道進(jìn)行初步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),建立了多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,將所設(shè)計(jì)懸置的磁路優(yōu)化流程用框圖表示,并基于模糊集合理論對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化的Pareto集進(jìn)行選優(yōu)?；贗SIGHT和Matlab聯(lián)合仿真優(yōu)化平臺(tái),Li等[40]對(duì)磁流變液壓閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,優(yōu)化后的液壓閥能產(chǎn)生更大的阻尼力。

通過(guò)對(duì)比分析,結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的懸置在阻尼力和隔振性能方面都得到了大幅度的提升,但目前針對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),以磁流變懸置單體結(jié)構(gòu)優(yōu)化為主的較多,優(yōu)化目標(biāo)比較單一,不太符合實(shí)際情況。未來(lái)針對(duì)磁流變懸置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以重點(diǎn)放在基于整車隔振控制方面進(jìn)行研究,從而提升整車的隔振性能。

2 磁流變懸置控制算法及其優(yōu)化

動(dòng)力總成懸置控制算法直接關(guān)系到懸置系統(tǒng)的響應(yīng)速度和隔振性能,因此,在設(shè)計(jì)懸置系統(tǒng)時(shí)往往要考慮控制算法。磁流變懸置具有不確定性和非線性,所以在控制算法使用及優(yōu)化上,需進(jìn)一步深入研究。

2.1 磁流變懸置控制算法研究

磁流變懸置作為一種半主動(dòng)懸置,可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)阻尼和剛度,通過(guò)電子控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)力總成系統(tǒng)的工作狀態(tài)及激振強(qiáng)度,把相關(guān)數(shù)據(jù)傳給處理器,計(jì)算最佳剛度和阻尼,以此來(lái)調(diào)節(jié)磁流變懸置的剛度和阻尼,而磁流變懸置控制算法的使用就是這一流程中的關(guān)鍵技術(shù)。圖8為磁流變懸置控制系統(tǒng)示意圖,其中應(yīng)用較多的控制算法有天棚、模糊、最優(yōu)、自適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等[41]。

圖8 磁流變懸置控制系統(tǒng)示意圖

天棚控制是由美國(guó)學(xué)者Karnopp D C提出的,是(半)主動(dòng)懸架的經(jīng)典控制方法[42]。其原理簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),根據(jù)懸置相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的方向,便可對(duì)懸置實(shí)施阻尼力的調(diào)節(jié)與控制。Choi等[43]在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置控制上,提出了一種單自由度天棚控制器。

模糊控制不用對(duì)被控對(duì)象建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型,便可實(shí)現(xiàn)較好的控制。劉會(huì)兵等[44]基于磁流變懸置提出了一種模糊控制系統(tǒng),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)半主動(dòng)懸置控制系統(tǒng),高樂[45]提出了一種模糊控制器,并驗(yàn)證了該控制器有提高懸置隔振性能的能力。

最優(yōu)控制是在給定約束條件下,從眾多滿足約束條件的控制策略中,選擇一種最佳的控制策略。郝志勇等[46]通過(guò)研究發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)控制系統(tǒng),推導(dǎo)出全狀態(tài)最優(yōu)控制規(guī)律和部分狀態(tài)次最優(yōu)控制規(guī)律。薛兵[47]設(shè)計(jì)了一種能夠提高磁流變減振器隔振性能的H2最優(yōu)控制器。

自適應(yīng)控制主要應(yīng)用在不確定受控制對(duì)象結(jié)構(gòu)參數(shù)的隔振系統(tǒng),將期望值與實(shí)際值進(jìn)行比較,不斷調(diào)節(jié)控制器參數(shù),以達(dá)到最優(yōu)控制。馬寶山等[48]對(duì)自適應(yīng)LMS算法應(yīng)用到懸架的隔振系統(tǒng)做了相關(guān)研究。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是目前應(yīng)用較為廣泛的控制算法,其魯棒性和自適應(yīng)能力強(qiáng),所以常用來(lái)描述復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。Fadly等[49]設(shè)計(jì)了一種可以主動(dòng)隔離發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理,段偉建[50]基于磁流變懸置設(shè)計(jì)了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器。與傳統(tǒng)PID控制器相比,其控制效果更優(yōu)。

通過(guò)研究對(duì)比,每個(gè)控制算法都有各自的特點(diǎn),但在多目標(biāo)控制上,單一控制算法仍存在不足。為了達(dá)到更好的控制效果,可以采用多種算法聯(lián)合控制或在原有控制算法上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。其中,回學(xué)文[51]設(shè)計(jì)了一種天棚-PID聯(lián)合控制算法,此控制算法彌補(bǔ)了天棚控制的不足。孟建軍等[52]提出了一種模糊PID復(fù)合控制方法,采用該方法的磁流變減振器能有效提高乘客的乘坐舒適性。范偉[53]設(shè)計(jì)了一種LQR最優(yōu)控制器,該控制器可以實(shí)現(xiàn)不同頻率間的高效隔振。

2.2 磁流變懸置控制算法優(yōu)化研究

隨著人們對(duì)控制效果的要求不斷提高,傳統(tǒng)控制算法已經(jīng)無(wú)法滿足人們的需求,所以國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)控制算法進(jìn)行優(yōu)化研究成為了當(dāng)下研究熱點(diǎn)。磁流變懸置的阻尼和剛度連續(xù)可調(diào),而PID控制算法(如圖9所示)具有魯棒性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),更適合磁流變懸置控制策略設(shè)計(jì),但是單一PID控制也有一定的不足之處,對(duì)此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)應(yīng)用于磁流變懸置的PID算法展開了一系列優(yōu)化研究[54]。

圖9 磁流變懸置PID控制原理示意圖

在磁流變懸置剛性控制方法上,王欽[55]對(duì)PID控制算法做了研究。研究結(jié)果表明,單一PID控制簡(jiǎn)單,難以滿足寬頻調(diào)節(jié)需求。楊玉平[56]設(shè)計(jì)了原始果蠅優(yōu)化PID控制算法和改進(jìn)果蠅優(yōu)化PID控制算法,仿真對(duì)比了2種優(yōu)化算法的控制效果。Talib等[57]采用高級(jí)螢火蟲算法和粒子群算法對(duì)PID控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在提高磁流變懸置隔振性能中,申玉瑞等[58]提出一種改進(jìn)果蠅優(yōu)化算法的PID控制算法,并驗(yàn)證了該優(yōu)化算法的控制效果。潘道遠(yuǎn)等[59]為驗(yàn)證SOA優(yōu)化PID控制系統(tǒng)的實(shí)際效果,將其與傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行了隔振對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn),基于SOA優(yōu)化的PID控制的懸置系統(tǒng)在隔振效果上好于傳統(tǒng)PID控制的懸置系統(tǒng)。

通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn),PID控制算法是應(yīng)用較為廣泛的磁流變懸置控制算法。單一PID控制算法雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是難以滿足控制要求,無(wú)法迅速提供較大阻尼力,且控制精度不高。因此,專家學(xué)者在此基礎(chǔ)上針對(duì)PID控制算法進(jìn)行了不同類型的優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化后的PID控制算法響應(yīng)速度更快,應(yīng)用優(yōu)化PID控制算法的懸置隔振性能更優(yōu)。

3 磁流變懸置性能仿真分析方法

磁流變懸置在以整車隔振為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,涉及到多能量隔振域,而各能量域之間的能量傳遞可通過(guò)鍵合圖理論進(jìn)行描述,懸置系統(tǒng)的動(dòng)特性便由此體現(xiàn)。磁流變懸置在單體優(yōu)化分析時(shí),采用有限元仿真分析法對(duì)模型進(jìn)行仿真分析,不需要對(duì)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型求解分析便可得到高精度的分析結(jié)果。

3.1 鍵合圖理論分析法

通過(guò)建立磁流變懸置動(dòng)特性仿真分析模型,是磁流變懸置基于整車模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提條件。懸置結(jié)構(gòu)參數(shù)用動(dòng)特性模型代替,并與整車NVH性能結(jié)合在一起,形成一種基于整車振動(dòng)控制的關(guān)聯(lián)模型。通過(guò)鍵合圖理論建立鍵合圖模型對(duì)懸置進(jìn)行動(dòng)特性分析,而鍵合圖的基本原則是能量守恒,用特定的符號(hào)和連接方式表示系統(tǒng),即建立系統(tǒng)鍵合圖模型,如圖10所示[60]。

圖10 鍵合圖模型

鍵合圖模型能夠直觀地了解到系統(tǒng)的動(dòng)特性,其中X(t)為發(fā)動(dòng)機(jī)位移,Ap為橡膠主簧等效面積,Br為橡膠主簧阻尼系數(shù),Kr為橡膠主簧剛度參數(shù),C為懸置模型體積剛度,Im為慣性通道液感,Rm為慣性通道液阻,Id為解耦通道液感,Rd為液體流經(jīng)解耦盤的阻尼[60-61]。一些研究人員將鍵合圖理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合在一起,對(duì)懸置的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)綜合分析。該分析不僅可以提供動(dòng)態(tài)特性仿真參考,還能夠驗(yàn)證鍵合圖理論在動(dòng)態(tài)特性仿真中的可信性[62]。

潘公宇等[63]設(shè)計(jì)了一種新型磁流變懸置。該懸置結(jié)構(gòu)有多個(gè)慣性通道。為驗(yàn)證怠速時(shí)的隔振效果,基于鍵合圖理論對(duì)懸置進(jìn)行動(dòng)特性仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,在怠速工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)使用多慣性通道的磁流變懸置可以達(dá)到更好的隔振效果。蘇錦濤等[61]建立了懸置集總參數(shù)模型,利用鍵合圖理論,考慮磁流變液的相關(guān)性質(zhì),推導(dǎo)出懸置動(dòng)力學(xué)方程,并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性研究。

通過(guò)上述對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),運(yùn)用鍵合圖理論分析法,能夠更加方便快捷地了解系統(tǒng)動(dòng)特性,有助于相關(guān)研究人員進(jìn)行后續(xù)研究工作。

3.2 有限元仿真分析法

有限元仿真分析法是使用較為普遍的分析方法,分析過(guò)程可以概括為3個(gè)階段：前處理、計(jì)算和后處理。前處理階段主要指模型的建立,包括網(wǎng)格的劃分、材料屬性的定義、分析步的設(shè)置、載荷和約束的施加;計(jì)算階段主要針對(duì)前處理階段提交的分析任務(wù)進(jìn)行計(jì)算,該階段因運(yùn)算量較大,對(duì)計(jì)算機(jī)性能有一定的要求;后處理階段主要進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的分析和處理,為后期性能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供合理依據(jù)。

利用有限元分析法可對(duì)磁流變懸置的模態(tài)、剛度、疲勞、流固耦合等特性進(jìn)行仿真分析,這里重點(diǎn)闡述磁流變懸置的靜動(dòng)剛度特性。建立磁流變懸置有限元模型,如圖11所示,其中建立固體模型主要包括定義橡膠材料屬性、添加約束、施加載荷、定義流固耦合邊界等步驟;建立液體模型,主要包括定義液體材料屬性、添加邊界條件等。對(duì)固液模型進(jìn)行有限元仿真分析,便可獲得懸置靜剛度、動(dòng)剛度曲線等。

圖11 磁流變懸置有限元模型

袁杰[64]通過(guò)建立磁流變懸置有限元模型,對(duì)懸置進(jìn)行磁流固多場(chǎng)仿真分析,對(duì)比有無(wú)磁場(chǎng)下磁流變懸置的動(dòng)剛度和滯后角曲線的變化趨勢(shì),得出磁流變懸置的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)隔振性能的影響規(guī)律。王鶴飛[65]運(yùn)用有限元分析法對(duì)懸置靜動(dòng)剛度性能進(jìn)行了仿真分析,結(jié)合分析結(jié)果,對(duì)懸置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證,但仿真缺少了溫度場(chǎng)的影響。

運(yùn)用有限元仿真分析法,不僅可以減少對(duì)復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的使用,還能節(jié)省不必要實(shí)驗(yàn)所造成的成本損失,同時(shí)分析結(jié)果更加形象直觀,為懸置的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù),但分析復(fù)雜模型性能時(shí),其分析時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求較高,與實(shí)驗(yàn)相比可能存在一定的誤差。

綜上所述,鍵合圖理論分析法和有限元仿真分析法各有優(yōu)缺點(diǎn),具體情況如表1所示。

表1 鍵合圖理論分析法和有限元仿真分析法對(duì)比

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

從磁流變懸置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制算法和性能仿真分析方法3個(gè)方面對(duì)汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的隔振性能進(jìn)行了綜述,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 混合模式磁流變懸置與單一模式相比,能夠更好地實(shí)現(xiàn)寬頻隔振,且阻尼和剛度調(diào)節(jié)范圍較大,但在能源消耗和制造成本方面有一定的不足。目前,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究中,仍以單一模式磁流變液懸置為主,但其隔振性能方面遠(yuǎn)不如混合模式。綜合來(lái)看,混合模式磁流變懸置,剛度能在更大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié),從而適應(yīng)更多復(fù)雜工況的隔振需求。

2) 磁流變懸置選用時(shí)滯性好、可工程應(yīng)用的控制算法可以大幅度提高響應(yīng)速度,而目前常用的控制算法有天棚、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)、最優(yōu)、PID等。單一的天棚、模糊等控制算法雖原理簡(jiǎn)單,但存在一定的局限性,無(wú)法達(dá)到理想的控制效果。在響應(yīng)速度可接受范圍內(nèi),多個(gè)單一算法形成的復(fù)合控制算法,有較好的控制效果。在磁流變懸置控制方面主要以仿真為主,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證較少,離實(shí)際工程化應(yīng)用還有一定的距離。

3) 磁流變懸置力學(xué)特性分析比較適合使用鍵合圖理論分析法和有限元仿真分析法。鍵合圖理論能夠方便快捷地揭示多能量并存的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性;有限元仿真分析法應(yīng)用較為廣泛,分析時(shí)無(wú)需建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,便可得到直觀的分析結(jié)果,但通常仿真分析時(shí)間較長(zhǎng),仿真的精度還需進(jìn)一步提高。

4.2 展望

隨著新能源汽車的發(fā)展,磁流變懸置的應(yīng)用進(jìn)一步增多。磁流變液懸置今后可從懸置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、控制算法的工程化應(yīng)用、仿真精度的提升等幾個(gè)方面進(jìn)一步開展研究。

1) 混合模式磁流變懸置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可從降低制造成本、減少能源消耗、增大懸置剛度可調(diào)范圍等幾個(gè)方面做進(jìn)一步研究。由于磁流變懸置造價(jià)高,所以常應(yīng)用在中高檔轎車上,降低其制造成本能將它廣泛應(yīng)用到更多車型。目前,新能源汽車主要以電能作為動(dòng)力能源,在一定程度上可以緩解能源消耗。汽車在不同工況下,懸置的振動(dòng)激勵(lì)非常復(fù)雜,它對(duì)懸置剛度要求完全不同,通過(guò)增大懸置剛度可調(diào)范圍,能夠滿足汽車在啟停、怠速等各種工況下的隔振要求。

2) 未來(lái)可對(duì)控制算法的工程化和高效實(shí)用方面做進(jìn)一步研究,將控制算法的響應(yīng)速度、響應(yīng)精度、響應(yīng)穩(wěn)定性作為研究重點(diǎn)。懸置在受到振動(dòng)激勵(lì)時(shí),單一控制算法自身局限性難以滿足使用要求。在滿足響應(yīng)速度、響應(yīng)精度和響應(yīng)穩(wěn)定性的前提下,研究和設(shè)計(jì)由多種算法形成的復(fù)合控制算法,可以使懸置迅速并準(zhǔn)確隔離振動(dòng)。當(dāng)前,各種復(fù)合控制算法仍處于仿真階段,較少進(jìn)行實(shí)際效果的驗(yàn)證,因此,今后實(shí)際工程應(yīng)用中還需做進(jìn)一步的研究。

3) 磁流變懸置的仿真設(shè)計(jì)精度能夠直接影響懸置在整車中的工程應(yīng)用效果,今后可以從仿真設(shè)計(jì)精度上做進(jìn)一步的研究。在力學(xué)性能仿真分析中,磁流變懸置的建模、材料屬性的準(zhǔn)確性、邊界條件和載荷條件的施加均會(huì)影響仿真精度,不利于研發(fā)過(guò)程中磁流變懸置的設(shè)計(jì)與匹配。未來(lái)可以考慮建立更精確的仿真模型,并考慮多種影響因素,深入研究磁流變懸置的多物理場(chǎng)耦合,從而提升仿真精度。