基于磁流变液的车辆变刚度振动系统研制.pdf

第 卷 第 期 年 月龙 岩 学 院 学 报 工业技术基于磁流变液的车辆变刚度振动系统研制王悦新，黄 亮，刘毅萍，卢 玮（龙岩学院 福建龙岩）摘要：应用于车辆上的磁流变液减振器是一种变刚度阻尼系统，它利用磁流变液随磁场快速响应特性，可在不同的磁场强度下改变阻尼值。为此建立了一套磁流体减振器试验系统，通过分析多组实验数据发现可变阻尼减振器在不同的振动工况下都会有一个最优的阻尼值，此时系统的减振效果最好。变刚度阻尼系统用于车辆悬架系统中可以提供更好的乘坐舒适性。关键词：磁流变液阻尼器；测试系统；磁场强度；振动频率中图分类号：文献标识码：文章编号：（）目前汽车悬架系统中搭载的减振器大多属于液力式。其原理是当活塞在减振钢筒内往复运动时，筒内的阻尼介质在各阀门之间不断地来回穿梭使得分子之间通过相互摩擦来吸收、转换冲击的动能。传统液力减振器其阻尼值是不可控的，如果乘客想获得更舒适的驾乘体验就要求悬架系统可根据不同的驾驶模式、路况作出实时的响应。磁流变液阻尼器可用于主动或半主动减振系统，与传统阻尼器的最大区别就是筒内的阻尼介质替换成了磁流变液（），为此可以通过电磁系统来及时调控其阻尼值。可变阻尼可更好地适应使用者的驾乘需求，大大提高汽车行驶的舒适性。磁流变现象由外国学者 在实验中发现，并通过多次实验研制出磁流变液这一新型材料。目前磁流变液的制备技术已经相对成熟，根据现有的研究已经可以生产出性能稳定、效应显著的磁流变液产品，但是就其应用而言还是比较欠缺的。美国的 公司、研究所在磁流变液应用方面有着较为突出的成就，研制出来的产品可运用于建筑、乘用车、军事等诸多方面。我国 世纪 年代末才开始有部分的研究所对该领域展开初步研究，这相比于国外起步还是比较晚的，如今在磁流变液原理与力学分析领域已取得了重大的科研成果。汽车领域中应用磁流变液主动减振技术的代表有凯迪拉克、法拉利 、兰博基尼 等高端车型，国内市场中搭载磁流变液减振器的车型十分罕见，所以通过实验的方式深入研究磁流变液减振技术的应用。磁流变液减振器测试系统该测试系统主要用于验证磁流变液减振器在不同振动工况和磁场强度下的减振效果。换言之就是其内部阻尼器的阻尼值可随外部磁场大小变化而变化，不同振动下想要获取最佳的减振效果就应有一个最佳的阻尼值与之相对应。该测试系统可进行多次减振对比实验，记录下经变阻尼减振系统后相关数值的变化，并在这些实验的基础上建立数学模型来分析，可得到最佳振动效果时的各项参数值。映射到汽车上就是可根据不同的路况来实时调整电磁系统的输出，以此获得最佳的行驶舒适性。测试系统主要由磁场发生器、振动源、磁流变液阻尼器模型等组成，如图 所示。收稿日期：作者简介：王悦新，男，黑龙江绥化人，博士，龙岩学院物理与机电工程学院副教授，主要研究方向为车辆结构设计及电控技术。基金项目：福建省科技厅自然科学基金项目（）。基于磁流变液的车辆变刚度振动系统研制工业技术机架；励磁线圈；磁流变液减振器；振动凸轮；电磁控制系统；实验台控制箱；电机；激光位移传感器；加速度传感器图 减振实验系统 磁场发生系统磁场产生装置由励磁线圈和控制器组成，其原理是通过控制器输出不同的电流来改变线圈产生的磁场，电流和磁场强度有着良好的线性关系。系统产生的磁场主要作用在磁流变液阻尼器内部的磁流体上，磁场强度不同磁流体的流体特性也就发生改变。磁场发生装置的结构及安装如图 所示。励磁线圈结构的简化示意图、基本参数分别如图 和表 所示，由此可以根据方程 计算励磁线圈产生的最大磁场。图 车辆变刚减振测试系统 图 线圈结构参数示意图 表 励磁线圈参数表参数名称对应值线圈长度 外径 内径 线径 总匝数 允许载入最大电流 允许载入最大电压 最大磁场强度 ()（）上式中，是磁感应强度；是真空中的磁通量；是每米的匝数；是电流；、是轴线中心点到励磁线圈两端之间的角度。通过高斯计测量的实际电流和磁场强度如表 所示，可见与式（）计算的结果基本一致。基于磁流变液的车辆变刚度振动系统研制工业技术表 电流和磁场强度对应表参数名称对应值电流 磁场强度 上浮板；减振弹簧；振动凸轮；减振器模型；磁场空间；下浮板图 振动模拟装置 振动源振动源是利用凸轮旋转运动来模拟车辆在道路行驶时受到的冲击，其结构如图 所示。磁流变液阻尼器放置在励磁线圈内孔中并把两端固定在上下浮板之间。当凸轮转动时下浮板会随之上下振动，改变转速时，下浮板的振动频率也就不同。通过测量系统直接监测浮板振动的加速度、位移，就可确认减振器的减振效果。磁流变液阻尼器实验模型磁流变液在没有磁场的情况下内部磁性颗粒会均布在载液中，此时具有一般牛顿流体的特性。当磁流变液放置在磁场中就会导致内部的磁性颗粒瞬间被磁化，进而聚集成链状或者簇状结构，表现出非牛顿流体的特性。为了更好探究磁流变液在不同磁场强度作用下流体特性对阻尼器阻尼的影响，对目前汽车悬架系统中的油液阻尼器进行结构简化，制作出磁流变液阻尼器的实验模型。该实验模型同现有磁流变液阻尼器的最大区别就是采用外部磁场。本次实验所用模型可分为单筒式和双筒式这两类，如图 所示。（）模型 双筒式 （）模型 气室外置式 （）模型 气室内置式图 阻尼器实验简化模型模型 是由双筒式减振器模型简化而成，内外两筒经过底部的底阀座上的压缩阀、补偿阀进行连通，活塞上又布置有伸张阀和流通阀，外筒上方充入一定的高压气体，通过气体的压缩来补偿由活塞杆上下移动引起的容积差，内筒及其余容室全部充满磁流变液，各阀门上均布置有弹性阀片，不同的冲击速度会导致阀片变形量不同，从而各阀门的开度也不同。为了更好地研究磁场和磁流体之间的关系，尽可能地消除其余影响，所以改进的模型 中取消了阀片机构，直接在阀体上开节流孔，底阀改为气液分隔浮动活塞，同时将气室移动至外部且从尾部引入可调气源，可以更好地调整至实验所需的初始阻尼值。鉴于模基于磁流变液的车辆变刚度振动系统研制工业技术型 中磁流变液在流向外部气室这一段路程是不受磁场控制的，所以进一步改进的模型 中直接把浮动活塞放置在缸筒内部，原理同单筒阻尼器类似。由于实验采用的是外部磁场，为了减少磁化现象导致磁流变液附着在各结构上的阻滞影响，实验模型均全部采用铝合金材质或者难以磁化的材质。图 磁流变液减振器的数学模型凸轮转角（）图 振动凸轮时序图 减振系统的理论建模可变阻尼减振系统的数学模型如图 所示，值是导向柱上的弹簧刚度，上浮板质量为，下浮板质量为。对该模型取向上为正方向，将 隔离出进行力学分析，如式（）所示。（）（）（）对上式进行拉氏变换得到下式（）。（）（）（）（）弹簧刚度为四根导柱上弹簧 值之和，如式（）所示。（）为振动凸轮输入的位移，其时序图如图 所示。减振实验把三种减振器模型装入减振测试系统进行实验时可以发现模型 中磁流变液流经连接管路时极易发生固化堵塞，直接导致外部气室无法对活塞杆移动引起的容积差进行补偿，导致活塞杆难以上下振动，所以后期实验以、这两种模型为主。实验前期需要调整除磁场强度以外的影响系统减振效果的要素，例如弹簧刚度、尺寸、上浮动板的簧 表 凸轮转速和振动频率转换参数名称对应值转速（）振动频率 表 磁场变液流变学性能指标参数名称对应值型号磁性颗粒羟基铁粉密度 （）零场粘度 （）剪切应力 屈服应力 上质量、阻尼器内部气室压力和节流孔大小等。不断调整这些参数使得系统在没有施加磁场情况下有明显的减振效果。实验过程中采用固定振动输入频率，依次改变磁场强度的单一变量形式，转速和频率对应关系见表。阻尼器内部使用低密度磁流变液来作为阻尼介质，基本参数如表 所示。表 中剪切应力和屈服应力所对应的实验磁场强度为 。实验数据分析与处理 加速度折线图分析实验选取在振动频率为 、模型 减振器、磁场电流从 至 递增的实验条件下进行数据分析。图 是基于磁流变液的车辆变刚度振动系统研制工业技术当电流为 时经振动源输入下浮板的振动加速度和经磁流变液减振系统后上浮板输出的加速度曲线图，重力加速度值取 。（）下浮板输入振动加速度曲线（）上浮板输出振动加速度曲线图 、时上下浮板加速度曲线图对比图（）（），可以得出输入振动加减速时加速度可以接近到 左右，而经过减振系统后输出的加速度为 之内，可见在没有添加磁场时磁流体减振器同普通的油压减振器一样具有一定的减振效果。在不同输入频率之下其初始减振效果也不同，图 为振动频率为 的工况下输入、输出的加速度曲线图。图中输入、输出加速度分别为 和 左右，所以在初始小阻尼的状态下对频率高的减振效果更好，但是振动衰减得慢，即振动的动能转换成热能的效率低。（）下浮板输入振动加速度曲线（）上浮板输出振动加速度曲线图 、时上下浮板加速度曲线图输入振动频率为 时，不断地加大电流值，输出的加速度也会随之改变，图 为电流 时曲线基于磁流变液的车辆变刚度振动系统研制工业技术图。图中的加速度值为 左右，相比于初始的 加速度效果显著。随着电流的不断增大会使得减振器的阻尼值越来越大，即减振器变得更“硬”了，图 为电流 时对应的加速度曲线图。图 、时上浮板加速度曲线图 图 、时上浮板加速度曲线图当不断地增大电流直至减振器内部的磁流体基本固化时，就相当于上下浮板直接固接在一起，没有减振系统，上下浮板的加速度应该趋向一致，如图 所示。（）基本固化状态下浮板加速度（）基本固化状态上浮板加速度图 大磁场时上下浮板加速度比较通过对多组不同振动频率的加速度曲线图分析可以知道，在同一频率下随着磁场强度的不断增强会导致经减振系统后输出的加速度值存在一个从大至小后反增的变化趋势。变化中加速度会存在一个最小值，此时可以认为是该振动工况下最佳的减振效果，对应的阻尼值为最佳阻尼值。当频率小于 时改变磁场强度加速度只有增大趋势，说明模型的初始阻尼值已经是较大值了，在无磁场情况下初始阻尼值在频率为 时会达到最佳减振效果。基于磁流变液的车辆变刚度振动系统研制工业技术 上浮板位移折线分析上浮板的振动情况和行驶舒适性密切相关。由图 可知输入振动是振幅为 、频率可变的半波形曲线。同样在频率为 的输入振动工况下测量上浮板的位移，图 是电流为 时的初始位移量，将图中波峰与波谷的纵坐标相减可知经过减振系统后其振幅差大致在 摆动。以每次 递增电流进行位移实验，当到达上述的最小加速值对应的电流 时，其振幅也达到最小值，此时的位移量维持在 左右，整体相比于输入更加平稳连续，如图 所示。图 、时上浮板初始状态位移 图 、最佳减振效果下的位移图在测试高频振动时低阻尼对其抑振性能更好，图 为 时经减振系统输出的上浮板位移曲线图。图 、高频振动输出位移 结论磁流变液减振器作为一种新型的智能抑振装置，因为其阻尼可控性强，可通过建立振动模型和进行多次对比试验就能找到最佳减振效果时对应的阻尼值。因此该减振方式易用于智能化的主动减振系统，系基于磁流变液的车辆变刚度振动系统研制工业技术统可以动态调整减振系统各项参数来满足用户的驾乘体验。新型智能主动减振系统将提高现代汽车在各种路况下的车身稳定性和乘坐舒适性。此外研究磁流变液减振器的耐久性、稳定性、可靠性，为取代传统减振器奠定理论和实验基础。研究结果表明，基于磁流变液的车辆变刚度主动减振系统是可行的，将大大提高车辆的行驶平顺性。参考文献：朱陈汽车减振器结构参数对性能的影响分析湖北农机化，（）：储著金，王智渊，蔡妮璎汽车可变阻尼减振器的设计及性能分析机电工程技术，（）：崔蕾家用汽车乘坐舒适性主客观评价与分析沈阳：沈阳工业大学，杨万安，李小龙，吴建飞智能驾驶车辆乘坐舒适性控制研究汽车技术，（）：王悦新，黄亮，刘毅萍叶片式车载磁流变液缓速器研究交通节能与环保，（）：胡朝晖，穆维维，吴文峰产生匀强磁场的圆柱形线圈组设计方法北京航空航天大学学报，（）：张德根，张波，万能多层密绕圆线圈空间磁场分布的计算与分析宿州学院学报，（）：高洁，张军脉冲输入工况下的汽车平顺性影响因素分析大连交通大学学报，（）：么鸣涛，曹锋，李勇汽车减振器节流阀片对阻尼特性影响研究机械工程与自动化，（）：王维成，罗一平，熊皓单筒充气式磁流变液减振器设计与仿真分析农业装备与车辆工程，（）：胡启国，赵亮一种新型变刚度变阻尼悬架的性能分析及控制现代制造工程，（）：杨晓林，郝凤霞，孙平磁流变液关键参数的数值研究磁学学报，（）：责任编辑：巫永萍 ，（，）：，：；