汽車磁流變減振器的靜動(dòng)態(tài)特性分析

郝泉成，于洪路，關(guān)鐵鷹

（1.長(zhǎng)春市企業(yè)家協(xié)會(huì)，長(zhǎng)春130033；2.吉林省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春130012；3.長(zhǎng)春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012）

0 前言

磁 流 變 液 （Magnet－orheological Fluid，簡(jiǎn) 稱MRF）是一種新型的智能工程材料，在外部磁場(chǎng)作用下，可在瞬間（＜10ms）由液態(tài)轉(zhuǎn)變成類固態(tài)、變化過程可逆、變化范圍寬。所以利用磁流變液的特性可以制作各種新型的減振器［1－4］，進(jìn)而開發(fā)智能懸架系統(tǒng)來提高汽車的安全性和舒適性。近年來已經(jīng)引起國內(nèi)外汽車制造商和科研機(jī)構(gòu)的高度重視，并開展了相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)研究，主要包括：（1）加強(qiáng)MR液的流變機(jī)理研究，建立和修正簡(jiǎn)單實(shí)用的偽靜力模型和動(dòng)力滯回模型；針對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的特殊環(huán)境，研究智能控制理論與MR液流變模型的結(jié)合應(yīng)用。（2）研究和完善MR液的流變滯后特性、耗能特性、動(dòng)力響應(yīng)效果以及散熱性能，并基于此提出可供廣泛參考和比較的準(zhǔn)則；深入分析油的可壓縮性導(dǎo)致遲滯現(xiàn)象、稀化（稠化）效應(yīng)導(dǎo)致剪切力—速度之間發(fā)生變化、油氣混合物的物理變化。（3）研究新型穩(wěn)定劑及在MRF中的應(yīng)用。

我國在這方面的研究還處于起步階段，因此，對(duì)磁流變減振器的設(shè)計(jì)原理和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入研究，研制性能優(yōu)良、價(jià)格適中的磁流變液，以及設(shè)計(jì)制造結(jié)構(gòu)合理的磁流變液裝置，將成為發(fā)展磁流變液技術(shù)并使其能在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，對(duì)開發(fā)汽車磁流變減振器和智能懸架系統(tǒng)具有非常重要的意義［5］。

為使磁流變減振器盡快在汽車等產(chǎn)業(yè)中得到應(yīng)用，本文采用JETTA轎車減振器聯(lián)接尺寸及外部結(jié)構(gòu)，在所設(shè)計(jì)的磁流變減振器（見圖1）基礎(chǔ)上，利用FEM方法尋求機(jī)械結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，優(yōu)化了磁流變減振器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，分析了磁流變減振器的動(dòng)態(tài)特性，為新型汽車磁流變減振器開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

圖1 磁流變減振器三維圖

1 磁流變減振器的靜態(tài)特性分析

1.1 磁流變減振器的靜態(tài)應(yīng)力

減振器在有效使用壽命期內(nèi)失效的主要原因是活塞桿力學(xué)性能欠佳，因而設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)找出減振器結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，進(jìn)行有效優(yōu)化，可有效地提高減振器的使用壽命。

針對(duì)以上分析，對(duì)減振器中的重要元件活塞、活塞桿進(jìn)行了應(yīng)力仿真模擬，為了簡(jiǎn)化應(yīng)力，特做出以下2個(gè)約定：減振器兩端吊耳位于同一平面內(nèi)，且兩端吊耳僅受沿活塞桿方向的拉、壓應(yīng)力。減振器的安裝方式采用一端固定，一端鉸接。

仿真模擬測(cè)試中給定了線性激勵(lì)，測(cè)取了有關(guān)數(shù)據(jù)。建立的模型如圖2所示。

圖2 減振器應(yīng)力仿真模型

活塞桿材料45＃優(yōu)質(zhì)碳素鋼，體積為135mm3。單元屬性為實(shí)體網(wǎng)格，劃分為6 014單元，10 040節(jié)點(diǎn)。表1為活塞桿所受應(yīng)力，表2為活塞桿合成位移，圖3應(yīng)力分布圖，圖4為合成位移圖。

仿真模擬結(jié)果表明，活塞桿的最薄弱環(huán)節(jié)在固定活塞的細(xì)軸根部，其極限應(yīng)力為6MPa，因而需對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化處理，經(jīng)過分析，將活塞桿強(qiáng)化處理，處理后可以滿足要求，從而優(yōu)化了設(shè)計(jì)。

圖3 應(yīng)力分布圖

圖4 合成位移圖

表1 活塞桿所受應(yīng)力

表2 活塞桿合成位移

1.2 磁流變減振器的動(dòng)態(tài)特性分析

減振器主要用以緩沖吸振，降低汽車的顛簸，提升駕駛的平順性。因而其本身振動(dòng)特性（如固有頻率、振幅等）影響汽車性能。資料表明，人在自然狀況下行走時(shí)身體上下振動(dòng)頻率大約是1.6Hz，因而從身體的舒適度來講，底盤的共振頻率在1.6Hz左右是較為理想的。結(jié)合實(shí)際中駕駛時(shí)底盤的振動(dòng)模型，建立了曲柄滑塊激勵(lì)模型，將仿真模擬中的減振器對(duì)車體的激勵(lì)頻率設(shè)為1.6Hz，即在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，給定的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)為100r/min，測(cè)試在外界驅(qū)動(dòng)接近人體共振頻率時(shí)，在減振器的作用下，底盤振幅大小作為評(píng)價(jià)汽車的平順性的指標(biāo)之一，建立的模型如圖5所示。表3為活塞桿材料屬性，劃分7 826實(shí)體單元，13 457節(jié)點(diǎn)。

圖5 減振器低頻振動(dòng)仿真結(jié)構(gòu)圖

表3 活塞桿材料屬性

表4 活塞桿所受應(yīng)力

表5 活塞桿合位移

表4～5及圖6～7結(jié)果表明，在低頻（1.6Hz）的激勵(lì)作用下，經(jīng)過減振器吸振后，底盤的振幅經(jīng)比例換算后為2.6mm，低于預(yù)期4mm的要求。說明給定的結(jié)構(gòu)參數(shù)是合理的。

圖6 活塞桿所受應(yīng)力圖

圖7 活塞桿合位移圖

2 結(jié)語

通過仿真模擬，尋求出活塞桿的最薄弱環(huán)節(jié)在固定活塞的細(xì)軸根部，其極限應(yīng)力為6MPa，強(qiáng)化處理后可以滿足要求，從而優(yōu)化了設(shè)計(jì)。

仿真結(jié)果表明，在低頻（1.6Hz）激勵(lì)作用下，經(jīng)過減振器的吸振后，底盤的振幅經(jīng)比例換算后為2.6mm，低于預(yù)期4mm的要求。由此說明給定的結(jié)構(gòu)參數(shù)是合理的。

［1］Rabinow.The magnetic fluid clutch［J］.AIEE Transactions，1948，67：1308－1315.

［2］Kavlicoglu B，Gordaninejad F，Evrensel C，etc.A semi active，high torque，magnet－orheological fluid limited slip differential clutch［J］.J Mater Sci Eng，2005，180（4）：37.

［3］姜德生，Richard O.智能材料器件、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用［M］.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［4］杜善義.智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［5］廖昌榮，陳偉民，余淼，等.汽車磁流變減振器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則探討［J］.中國機(jī)械工程，2002，13（9）：723－726.