汽車單筒充氣磁流變減振器特性的試驗(yàn)研究＊

賈永樞 周孔亢 徐 興 翁茂榮

（1.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.江蘇大學(xué)）

1 前言

本文分析了汽車單筒充氣磁流變減振器的結(jié)構(gòu)和阻尼力模型，通過試驗(yàn)研究了汽車單筒充氣磁流變減振器阻尼力特性、磁流變液特性、磁路特性以及溫度特性，為磁流變減振器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2 單筒充氣磁流變減振器結(jié)構(gòu)與阻尼力模型

圖1為基于流動(dòng)模式的單筒充氣磁流變減振器，活塞由工字形鐵心與導(dǎo)磁套筒通過焊接相連，并形成環(huán)形阻尼通道，漆包線繞制在鐵心上并通過注塑保護(hù)表面，電源線通過空心活塞桿引出。輸入0～2 A電流將在環(huán)形阻尼通道磁極處產(chǎn)生不同的磁場，改變流經(jīng)通道的磁流變液粘度，實(shí)現(xiàn)阻尼力控制。壓縮行程時(shí)，活塞桿占用筒內(nèi)體積，磁流變液需臨時(shí)儲(chǔ)存；拉伸行程時(shí)，活塞桿移出筒內(nèi)，下腔體積增大需要補(bǔ)償液體，否則會(huì)形成空行程，產(chǎn)生畸變。因此，需要在儲(chǔ)氣室內(nèi)充入2 MPa壓力的氮?dú)庥糜诨钊麠U的體積補(bǔ)償。

流動(dòng)模式閥體兩端的壓力差模型可以參考Phillips推導(dǎo)的模型[5]:

式中，Δpη為與磁場無關(guān)的粘滯應(yīng)力分量；Δpτ（H）為與磁場有關(guān)的可控應(yīng)力分量；η為零磁場粘度；h為阻尼通道間隙；v為活塞相對外筒的運(yùn)動(dòng)速度；l為活塞有效長度；τy為不同磁場的磁流變液剪切屈服應(yīng)力；D為環(huán)形阻尼通道直徑；A為減振器活塞的有效面積；c為 [2，3]范圍內(nèi)的一個(gè)常數(shù)，當(dāng)小于 1時(shí)，c取 2，當(dāng)大于100時(shí)，c取 3。

結(jié)合文獻(xiàn)[6]車輛單筒充氣磁流變減振器阻尼力數(shù)學(xué)模型建立及試驗(yàn)仿真，汽車減振器產(chǎn)生阻尼力可以描述為:

式中，F(xiàn)l為拉伸行程減振器阻尼力；Fy為壓縮阻尼力；p1為活塞上腔內(nèi)的壓強(qiáng)；p2為活塞下腔內(nèi)的壓強(qiáng)；pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)；Ah為活塞有效面積；Ag為活塞桿有效面積；Ff為摩擦力；S為活塞振動(dòng)位移；p0為活塞壓到底時(shí)充氣壓力；V0為活塞壓到底時(shí)儲(chǔ)氣室體積；p3為儲(chǔ)氣室充氣壓力；lg為活塞桿長度。

聯(lián)立公式（1）、公式（2）即為單筒充氣磁流變減振器數(shù)學(xué)模型。

3 單筒充氣磁流變減振器特性試驗(yàn)

試驗(yàn)采用已經(jīng)商業(yè)化的國外某汽車懸架單筒充氣磁流變減振器，該減振器外徑50 mm，長度620 mm，活塞桿直徑13 mm，活塞線圈電阻1 Ω，輸入電流0～2 A。如圖2所示，減振器裝在多速程控示功機(jī)上進(jìn)行特性試驗(yàn)。

本來，在此前“義必成”鏢局護(hù)送文華齋裴主事的計(jì)劃中，李陸峰必死無疑，但是，拿人錢財(cái)、替人消災(zāi)在多數(shù)情況下是有底線的，那就是盡量不殺生害命。義必成鏢局就是這么做的，他們順利地護(hù)送裴主事出城，并將文華齋貴重古玩全部運(yùn)出。鏢局最怕攤上人命案，哪怕是面對兇徒，一般也不會(huì)動(dòng)殺機(jī)。主要原因有兩個(gè)：一來鏢局需要不停接手生意，沒有時(shí)間和精力跟人家打人命官司；二來鏢局要生存，要盈利，沒有閑錢、也不值得為人命案付出高昂代價(jià)——就算是格殺兇徒，死者家屬不敢深究，鏢局也會(huì)被官府敲去一大筆燒埋錢。

3.1 減振器示功特性試驗(yàn)

為測試減振器耗能和阻尼力特性，對減振器進(jìn)行示功特性試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)輸入電流為0～2 A，在每個(gè)輸入電流下激勵(lì)頻率選用0.17 Hz、0.42 Hz、0.83 Hz、1.25 Hz、1.67 Hz、2.5 Hz，振幅±50 mm，最大速度為0.524 m/s，得到如圖3、圖4所示的阻尼力特性曲線。

對比不同頻率、不同電流下的阻尼力特性曲線，可以得出如下結(jié)論:

a.示功曲線非常飽滿，減振器具有很強(qiáng)的耗能特性，且耗能特性隨著輸入電流、激勵(lì)頻率的增大而增加。

b.減振器具有良好的可控性，隨著輸入電流的增大，壓縮與復(fù)原阻尼力不斷增加。

c.在振幅相同條件下，隨著輸入電流增大，激振頻率對阻尼力的影響逐漸下降。在輸入電流為2 A時(shí)，隨著頻率的增加，頻率對阻尼力影響變小。由式（1）數(shù)學(xué)模型可知，粘滯阻尼力與激振頻率有關(guān)；可控阻尼力與剪切屈服應(yīng)力有關(guān)，隨著電流增大，可控阻尼力迅速增大，并大于粘滯阻尼力，所以阻尼力整體呈現(xiàn)出對激振頻率不敏感的特性。

3.2 減振器溫度特性試驗(yàn)

為了測試汽車單筒充氣磁流變減振器工作時(shí)溫度變化對減振器阻尼力特性的影響，對減振器進(jìn)行溫度特性試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，減振器裝在減振器示功臺(tái)架上，采用正弦激勵(lì)施加循環(huán)載荷，用熱敏電阻式溫度計(jì)記錄減振器平衡位置的溫度和阻尼力。

圖5所示為電流I為1.5 A、速度v為0.524 m/s時(shí)，活塞在平衡位置時(shí)阻尼力與溫度的關(guān)系曲線。如圖6所示為不同電流與激振頻率下，溫度與時(shí)間的關(guān)系。

從圖5可以看出，隨著溫度升高，拉伸阻尼力下降，而壓縮阻尼力上升，拉伸與壓縮阻尼力的衰減率分別為7.3%和-6.7%。主要是由于充氣減振器隨著溫度升高，充氣壓力增大,導(dǎo)致拉伸阻尼力減小而壓縮阻尼力增大，這與阻尼力理論模型式（2）描述的阻尼力一致。

分析圖6可以得出，減振器升溫的快慢與電流和工作速度有關(guān)。速度一定時(shí)，減振器工作溫度隨電流的增大而升溫變快；電流一定時(shí)，減振器工作溫度隨速度增大而升溫變快。

3.3 磁流變液流變特性試驗(yàn)

磁流變液性能直接決定磁流變減振器的阻尼特性和可控性。為了測試外加磁場對磁流變液特性的影響，對某汽車單筒充氣磁流變減振器內(nèi)的磁流變液進(jìn)行流變特性試驗(yàn)。試驗(yàn)在奧地利安東帕公司的MCR301型流變儀內(nèi)完成，使用PP20測量夾具，即直徑為19.961 mm的兩個(gè)平行板。如圖7所示，該儀器可以產(chǎn)生最大1T的磁場，可以完全由軟件自動(dòng)記錄所有剪切應(yīng)力、剪切速度、溫度、磁場等參數(shù)。

a.剪切應(yīng)力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度20℃，設(shè)定儀器轉(zhuǎn)速95.7 r/min，剪切速率為100 s-1，控制外加磁場0～0.757 T線性增長，試驗(yàn)時(shí)通過軟件記錄不同剪切速率下的剪切應(yīng)力，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到如圖8所示關(guān)系曲線。

從圖8中可以看出，剪切應(yīng)力隨外加磁場的增大而增大，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到0.75 T時(shí)剪切應(yīng)力達(dá)到60 kPa，磁流變液具有很好的可控性。結(jié)合單筒充氣磁流變減振器數(shù)學(xué)模型式（1）、式（2），外加磁場可以最終控制減振器的阻尼力，即減振器具有良好的可控性。

b.剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置剪切速率0～100 s-1線性增長，設(shè)定外加磁場為0、0.4 T、0.75 T，通過軟件記錄參數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到如圖9所示的曲線。從圖9中可以看出，剪切速率一定時(shí)，剪切應(yīng)力隨外加磁場的增大而迅速增大；當(dāng)外加磁場一定時(shí)，剪切應(yīng)力隨剪切速率的增大而線性增大。

3.4 減振器磁路磁場特性試驗(yàn)

磁流變減振器通過控制活塞線圈電流改變減振器活塞阻尼通道的磁場，從而控制磁流變液的剪切應(yīng)力及粘度，產(chǎn)生不同的阻尼力，因此磁路磁場直接關(guān)系到減振器的減振效果。如圖10所示，使用上海高端GM-2高斯計(jì)測試減振器內(nèi)部活塞阻尼通道磁極處的磁場，試驗(yàn)時(shí)阻尼通道的介質(zhì)為空氣。通過穩(wěn)壓器輸入0～2 A電流，利用高斯計(jì)顯示并記錄活塞阻尼通道磁極在不同電流時(shí)的磁場，得到如圖11所示在空氣狀態(tài)下的磁場特性曲線。

分析圖11可知，活塞阻尼通道的磁場感應(yīng)強(qiáng)度隨電流增大而增大，具有較強(qiáng)的可控性，在電流1.8 A左右，磁場增大幅度開始變小，主要是由于活塞的鐵心與活塞套筒材料的磁路開始趨于磁飽和，以及磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)影響所致。

4 結(jié)束語

a.汽車單筒充氣磁流變減振器具有很強(qiáng)的耗能特性。隨著輸入電流的增加，活塞阻尼通道的磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大，磁流變液剪切應(yīng)力增大，使得阻尼力增大，當(dāng)電流達(dá)到一定時(shí)通道磁場出現(xiàn)飽和，阻尼力將趨于穩(wěn)定。

b.單筒充氣磁流變減振器振幅一定時(shí)，隨著輸入電流增加，激振頻率大小對阻尼力影響逐漸下降。

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4 舒紅宇，王立勇，吳碧華，等.一種磁流變減振器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn).農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37（5）:166～168.

5 Phillips R W.Engineering applications of fluids with a vari?able yield stress.Berkeley:University of Califonia，1969.

6 賈永樞，周孔亢.車輛單筒充氣磁流變減振器數(shù)學(xué)模型及試驗(yàn)仿真.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（12）:272～278.