軍車(chē)磁流變半主動(dòng)懸掛關(guān)鍵部件研制概述

馮占宗，張進(jìn)秋，劉峻巖

(1.中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京100072;2裝甲兵工程學(xué)院裝備試用與培訓(xùn)大隊(duì)，北京100072)

磁流變半主動(dòng)懸掛具有控制力響應(yīng)時(shí)間短(小于4 ms)、對(duì)雜質(zhì)不敏感等優(yōu)點(diǎn)，因而在民用車(chē)上得到了廣泛應(yīng)用[1-2].其關(guān)鍵技術(shù)主要包括磁流變液、磁流變減振器以及控制算法三部分.其中，磁流變液 (Magneto rheological Fluid，MRF)是一種流變性能隨調(diào)節(jié)磁場(chǎng)變化而改變的智能材料，是變阻尼的物質(zhì)基礎(chǔ)[3].而合理的磁流變閥結(jié)構(gòu)則有利于發(fā)揮磁流變液的流變效應(yīng)，使控制力的大小與控制時(shí)機(jī)達(dá)到控制要求[4].而控制算法決定控制力的大小與輸出時(shí)機(jī).采用適當(dāng)?shù)目刂扑惴ㄓ欣谔岣呖刂菩Ч?、彌補(bǔ)減振器力學(xué)特性的不足.

本文綜述了國(guó)內(nèi)外軍用車(chē)輛懸掛系統(tǒng)研制的概況，比較了系統(tǒng)間存在的差異.

1 MR減振器基本要求及結(jié)構(gòu)概述

1.1 軍車(chē)MR減振器基本要求

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，軍車(chē)主要行駛在越野路面上.一般情況下，經(jīng)重型車(chē)輛反復(fù)輾壓的路面，平均波長(zhǎng)介于5～12 m，長(zhǎng)度接近一個(gè)車(chē)體.當(dāng)車(chē)輛通過(guò)時(shí)，車(chē)體以俯仰振動(dòng)為主，最容易產(chǎn)生“懸掛擊穿”，此時(shí)車(chē)體受的撞擊約為靜載的十幾倍;而在田野以及被重型車(chē)輾壓損壞的路面上，常常有漂石、雨裂及深坑等路面障礙物，車(chē)輛高速輾壓時(shí)車(chē)輪受到的沖擊加速度可達(dá)60～100g(時(shí)速54 km/h，障礙物高127 mm).這2種極端工況極大惡化車(chē)輛行駛平順性.

為適應(yīng)上述工況，要求減振器具有:

1)較大的變阻尼范圍.大阻尼有利于迅速抑制車(chē)輛俯仰振動(dòng)，防止“懸掛擊穿”;小阻尼有利于提高車(chē)輛在良好路面行駛的乘坐舒適性.

2)雙向卸壓、過(guò)載保護(hù)功能.壓縮行程或遇到凸起障礙物時(shí)，減少經(jīng)減振器傳遞至車(chē)體的車(chē)輪沖擊;防止拉伸行程時(shí)因懸掛“倒掛”不能及時(shí)回位而喪失緩沖功能.

3)阻尼非對(duì)稱(chēng)特性.當(dāng)車(chē)輪在不平路面行駛時(shí)，垂直向上的速度遠(yuǎn)大于向下的速度.這是因?yàn)?，懸掛的壓縮行程由路面凸起引起，為受迫振動(dòng)，而拉伸則由彈簧釋放能量引起，為自由振動(dòng).若壓縮行程與拉伸行程阻尼相同，則壓縮行程阻尼力將大于拉伸行程，車(chē)身有抬高的趨勢(shì).這部分能耗對(duì)減振無(wú)益，且容易導(dǎo)致減振器過(guò)熱、浪費(fèi)功率.

4)安全失效特性(fail-safe).戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要求軍車(chē)行動(dòng)系統(tǒng)具有較高的可靠性.磁流變減振器本質(zhì)上為液壓減振器，當(dāng)控制器失效時(shí)，系統(tǒng)可降格為被動(dòng)懸掛，完成懸掛系統(tǒng)基本功能.為此，要求減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧無(wú)控制狀態(tài)下阻尼力值.

5)磁流變液穩(wěn)定性.

磁流變液沉降穩(wěn)定性是制約該技術(shù)工程應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一.由于磁流變液的組份中磁性顆粒與載液的密度相差較大，磁流變液易分層，導(dǎo)致阻尼力值不穩(wěn)定.

1.2 MR減振器節(jié)流閥基本結(jié)構(gòu)

磁流變節(jié)流閥是磁流變減振器的關(guān)鍵部件，具有液壓節(jié)流、調(diào)節(jié)磁場(chǎng)兩種基本功能，決定了磁流變減振器力學(xué)特性.

磁流變液對(duì)磁場(chǎng)具有各向異性，僅當(dāng)磁流變液流動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向相垂直時(shí)發(fā)生流變效應(yīng).根據(jù)上述原理，lord公司于1994年提出了以下節(jié)流閥結(jié)構(gòu)并申請(qǐng)專(zhuān)利保護(hù)[5-7].可分為兩大類(lèi)，涵蓋了目前常見(jiàn)車(chē)用磁流變減振器節(jié)流閥結(jié)構(gòu).

1)同軸環(huán)形間隙節(jié)流結(jié)構(gòu).

同軸環(huán)形間隙節(jié)流結(jié)構(gòu)是指致使流體發(fā)生流變效應(yīng)的兩磁極之間間隙為如圖1(a)所示的環(huán)形.在該結(jié)構(gòu)中，活塞體呈“工”字形，勵(lì)磁導(dǎo)線繞在活塞體上“工”字形結(jié)構(gòu)內(nèi)，磁流變液在環(huán)形間隙內(nèi)沿軸向流動(dòng).當(dāng)線圈通電時(shí)，“工”字形結(jié)構(gòu)四個(gè)突出區(qū)形成磁極，與缸筒或?qū)蛎芊鈾C(jī)構(gòu)構(gòu)成磁場(chǎng)閉合回路.間隙內(nèi)流動(dòng)的磁流變液在磁場(chǎng)作用下，發(fā)生流變效應(yīng)，引起活塞兩側(cè)腔體內(nèi)壓差發(fā)生改變.這種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用最廣泛.

圖1 lord公司提出的節(jié)流閥結(jié)構(gòu)

2)盤(pán)形徑向節(jié)流閥.

盤(pán)形徑向節(jié)流結(jié)構(gòu)是指致使流體發(fā)生流變效應(yīng)的兩磁極之間間隙為盤(pán)形(disc).在該結(jié)構(gòu)中，節(jié)流間隙可由兩片或數(shù)片圓盤(pán)構(gòu)成.當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體經(jīng)活塞上的導(dǎo)流孔進(jìn)入節(jié)流閥區(qū)，在盤(pán)形間隙內(nèi)沿徑向流動(dòng).勵(lì)磁導(dǎo)線纏繞方式如圖1所示.通電時(shí)磁場(chǎng)沿軸向穿越盤(pán)片，引起流體產(chǎn)生流變效應(yīng).圖1中，(b)、(c)之間的差異主要是線圈的纏繞位置，而(b)、(c)與(d)之間差異是導(dǎo)向孔位置不同.結(jié)構(gòu)(d)由于導(dǎo)向孔不對(duì)稱(chēng)將導(dǎo)致活塞因受力不均而發(fā)生密封環(huán)異常磨損.

2 國(guó)外磁流變半主動(dòng)懸掛技術(shù)概述

軍用車(chē)輛方面，美軍已在20 t級(jí)以下車(chē)輛上進(jìn)行了大量演示驗(yàn)證試驗(yàn)[8].

2.1 美軍車(chē)用磁流變減振器

研制工作主要由內(nèi)華達(dá)大學(xué)與Millenworks公司分別承擔(dān).磁流變減振器均采用減振器與蓄能器分列式.減振器設(shè)計(jì)成單筒式，利于散熱，也便于增大活塞直徑，為勵(lì)磁單元預(yù)留充足的設(shè)計(jì)空間;降低活塞兩側(cè)腔體間壓差，利于密封.

1)內(nèi)華達(dá)大學(xué)磁流變減振器.

圖2(a)為內(nèi)華達(dá)大學(xué)研制的磁流變減振器[9].其中第一代以常見(jiàn)液壓減振器為基礎(chǔ)，節(jié)流閥為閥片控制開(kāi)口的常通孔.這種結(jié)構(gòu)具有薄壁節(jié)流孔的優(yōu)點(diǎn)，其加工公差容易掌握，零場(chǎng)阻尼散布小.但由于鋼磁導(dǎo)率高于磁流變液，難以使磁場(chǎng)穿過(guò)孔，磁流變液流變效應(yīng)差.因減振器外廓尺寸過(guò)大而不能安裝在螺旋彈簧內(nèi).

圖2 內(nèi)華達(dá)大學(xué)磁流變減振器

第二代磁流變減振器如圖2(c)所示[10]，其節(jié)流閥采用圖1(a)所示的盤(pán)形間隙結(jié)構(gòu).試驗(yàn)表明，盤(pán)形間隙的磁場(chǎng)分布能有效發(fā)揮流變效應(yīng).圖2(d)為示功圖.圖中表明，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)速度為0.031 4 m/s、通電電流為3 A時(shí)，阻尼力為4 kN，是不通電流(0A)時(shí)的20倍，最大耗能僅31.5 W.

2)Millenworks公司磁流變減振器[11].

Millenworks公司的磁流變減振器(MROADS)如圖3(a)所示.其工作缸與蓄能器之間通過(guò)油管連接，可根據(jù)懸掛空間靈活布置.圖3(c)為第一代磁流變減振器及其在HMMWV上的安裝圖;圖3(d)為第三代磁流變減振器，用于Stryker車(chē).

圖3 MROADS減振器及其在車(chē)輛上的安裝

減振器磁流變節(jié)流閥分兩部分，分別設(shè)置在減振器主活塞與蓄能器副活塞內(nèi)，均采用圖1(a)所示環(huán)形間隙節(jié)流結(jié)構(gòu).主、副活塞均采用多級(jí)“工”字結(jié)構(gòu)(圖4).

圖4 MROADS減振器主活塞結(jié)構(gòu)

多級(jí)流變可提高阻尼變化范圍.在控制過(guò)程中，若需要阻尼較小，則僅向主活塞上的線圈供電;若需要較大阻尼，則同時(shí)向主、副活塞上的繞線供電.為防止活塞桿處于懸臂狀態(tài)及保證環(huán)形間隙均勻，活塞末端有導(dǎo)向機(jī)構(gòu).繞線經(jīng)活塞桿上的空腔引出，連接至控制電源.

2.2 在軍車(chē)上的應(yīng)用概況

2005年起，MROADS系統(tǒng)被安裝在 USMC LAV-25(圖 5)、M2/M3 Bradley及裝甲運(yùn)兵車(chē)Stryker系列(如ICV、自行火炮MGS，等等)上進(jìn)行了大量演示試驗(yàn)[12].目前完成4 000英里耐久性試驗(yàn)，技術(shù)成熟度7級(jí)[13].

圖5 USMC LAV-25樣車(chē)及磁流變減振器

Stryker MROADS由8個(gè)磁流變減振器及8個(gè)控制器組成.路試表明:(1)駕駛員座椅處的振動(dòng)幅度顯著降低，在6 W吸收功率限制下的越野車(chē)速由36 km/h提高到61 km/h;(2)以同等速度通過(guò)半圓形障礙物路面(half round or curb hits)時(shí)，車(chē)輛加速度峰值降低50%～70%;(3)車(chē)輛俯仰角振動(dòng)速度可降低30%;(4)懸掛系統(tǒng)在公路上行駛時(shí)耗電為75 W，越野路面為135 W;(5)與車(chē)高可調(diào)技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)車(chē)身姿態(tài)調(diào)節(jié)，有利于武器系統(tǒng)行進(jìn)間發(fā)射.

為進(jìn)一步提高LMTV等車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性，2010年，陸軍與lord公司簽署了新訂單[14].輔助、保障等作戰(zhàn)伴隨車(chē)輛的越野速度的提高，意味著機(jī)械化部隊(duì)機(jī)動(dòng)能力全面增強(qiáng).

3 國(guó)內(nèi)磁流變半主動(dòng)懸掛技術(shù)概述

我軍也極重視磁流變半主動(dòng)懸掛技術(shù)的研發(fā).本文作者已于2007年取得國(guó)防發(fā)明專(zhuān)利[15-16]，并于2010年末完成樣車(chē)試驗(yàn).

3.1 減振器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

2005至2009年間，以某型軍用履帶車(chē)輛為應(yīng)用背景，研制了第一代筒式磁流變減振器(圖6)，與原車(chē)減振器完全一致.

圖6 雙筒式磁流變減振器樣機(jī)

在該減振器中，磁流變節(jié)流閥是由活塞體、鐵芯、雙向安全閥等部件構(gòu)成的單級(jí)盤(pán)形徑向間隙節(jié)流結(jié)構(gòu)，具有變阻尼、阻尼非對(duì)稱(chēng)、雙向過(guò)載保護(hù)等功能[17].

1)粘滯阻尼機(jī)理 (fail－safe特性).

活塞體起運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向、導(dǎo)磁、導(dǎo)熱等作用.鐵芯端面與活塞體底之間的盤(pán)形間隙構(gòu)成節(jié)流區(qū).流體流經(jīng)線路為:在壓縮或拉伸行程中，流體在活塞兩側(cè)高低壓差作用下經(jīng)活塞體的導(dǎo)流孔進(jìn)入節(jié)流閥區(qū)，然后沿徑向呈輻射狀流向(背離)盤(pán)形間隙中心，再經(jīng)導(dǎo)流孔流出活塞體.這部分阻尼是減振器具有fail－safe特性的基本保證.

2)庫(kù)侖阻尼機(jī)理.

纏繞在鐵芯上的線圈在通電時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng).磁力線經(jīng)鐵芯、間隙內(nèi)的磁流變液、活塞體形成回路.磁流變液產(chǎn)生庫(kù)侖阻尼的過(guò)程:當(dāng)流體經(jīng)過(guò)盤(pán)形間隙時(shí)，與線圈在盤(pán)形間隙內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)相垂直.流體在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生流變，阻礙流動(dòng)，導(dǎo)致高壓腔壓力進(jìn)一步提高，表現(xiàn)為阻尼力增大.通過(guò)供電電流的大小進(jìn)而控制磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，進(jìn)而可控制減振器輸出力的大小.

3)雙向卸載機(jī)理.

為保證活塞沿軸向受力均衡且最大節(jié)省占用空間，雙向安全閥設(shè)計(jì)在活塞軸線上，由安全閥芯、閥座和彈簧組成.在壓縮行程狀態(tài)下，閥芯在壓力差作用下緊貼在活塞桿的泄流腔內(nèi)，閥座則壓縮彈簧沿軸向移動(dòng).當(dāng)閥座下端滑移至閥芯上的泄流孔時(shí)，高、低壓腔導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)泄壓安全保護(hù).在拉伸行程狀態(tài)下，閥座在壓力差作用下緊貼在鐵芯的泄流腔內(nèi)靜止不動(dòng)，閥芯則壓縮彈簧沿軸向移動(dòng).當(dāng)閥芯上的泄流孔滑移至閥座下端時(shí)，高、低壓腔導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)卸壓保護(hù).

4)非對(duì)稱(chēng)阻尼機(jī)理.

為實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)阻尼，閥座導(dǎo)向部分的長(zhǎng)度大于與鐵芯配合面的長(zhǎng)度.在拉伸過(guò)程中，閥座緊貼鐵芯，閥座端在閥區(qū)內(nèi)突出Δh，節(jié)流間隙為h－Δh.而在壓縮過(guò)程，隨著壓力升高，閥座壓縮彈簧向活塞桿軸向方向移動(dòng)，突出Δh逐漸消除，節(jié)流間隙變?yōu)閔.由于節(jié)流間隙隨行程不同而動(dòng)態(tài)變化，于是出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)阻尼，使減振器在控制部分失效時(shí)，完全具備普通液壓減振器的功能，即fail-safe特性.

5)二性分散性.

課題組認(rèn)為，由于磁流變液分層不可避免，改善流體二次分散性比提高沉降穩(wěn)定性更容易實(shí)現(xiàn).措施主要有:通過(guò)改變液體添加劑提高二次分散性;底閥設(shè)計(jì)流體循環(huán)導(dǎo)槽改善流動(dòng)狀態(tài).期望利用車(chē)輛起步時(shí)的活塞輕微振動(dòng)使液體迅速混合均勻.

3.2 控制算法及實(shí)現(xiàn)流程

控制模塊如圖7所示.主要包括數(shù)據(jù)平滑處理、車(chē)體振動(dòng)速度估計(jì)、on-off邏輯判斷及PWM波輸出四部分.

圖7 控制邏輯模塊

控制算法采用基于天棚阻尼的on-off控制.該算法不需要精確的阻尼力.其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:c為阻尼系數(shù);cdmax、cdmin為磁流變減振器可實(shí)現(xiàn)的最大、最小阻尼;為車(chē)體在垂直方向上的振動(dòng)速度;為活塞運(yùn)動(dòng)速度.

式(1)的實(shí)現(xiàn)流程如圖7中on-off控制算法模塊所示.當(dāng)車(chē)體與車(chē)輪間相對(duì)速度與車(chē)體運(yùn)動(dòng)速度同向時(shí)，向磁流變減振器勵(lì)磁線圈供電5 V(圖中設(shè)置數(shù)字為0.5，與輸出之間存在10倍換算關(guān)系)，否則供電0 V.

采樣頻率設(shè)置為1 kHz，即采樣周期為1 ms，求中位值的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為10，因而控制時(shí)隔為10 ms，控制時(shí)滯略大于10 ms.

3.3 試驗(yàn)概況

3.3.1 減振器力學(xué)特性試驗(yàn)

2007年，對(duì)第一代磁流變減振器進(jìn)行了力學(xué)特性測(cè)試，其示功圖如圖8(a)、(b)所示.其磁流變液來(lái)自裝甲兵工程學(xué)院智能材料試驗(yàn)室，經(jīng)測(cè)量對(duì)樣品施加磁感應(yīng)強(qiáng)度0.45 T時(shí)，磁流變液剪切屈服應(yīng)力可達(dá)55 kPa，具有良好的沉降穩(wěn)定性.

圖8(a)為零磁場(chǎng)時(shí)減振器在振動(dòng)頻率1.667 Hz的示功圖.圖中顯示，壓縮及拉伸行程，輸出阻尼力值與液壓減振器在相同速度時(shí)的阻尼力值相當(dāng)，且具有阻尼非對(duì)稱(chēng)、雙向過(guò)載泄壓等功能.

圖8(b)為勵(lì)磁線圈通0～0.4A電流時(shí)的示功圖(頻率0.42 Hz).圖中顯示，同一速度下的庫(kù)侖阻尼力隨勵(lì)磁電流增加而增加，但增加量趨于減小.當(dāng)通電2 A時(shí)，庫(kù)侖阻尼力可達(dá)2 180 N.

圖8 磁流變減振器示功圖

3.3.2 隨機(jī)道路試驗(yàn)

2010年，本文研制的半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)安裝在某型履帶車(chē)輛上(圖9所示)，先后在駕駛場(chǎng)、越野路面上進(jìn)行了道路試驗(yàn).其中系統(tǒng)由圖10所示的傳感器、車(chē)載控制器、PWM驅(qū)動(dòng)電耗等組成;全車(chē)共6套子 系統(tǒng)，分別安裝在第1、2、5負(fù)重輪上.

圖9 磁流變半主動(dòng)懸掛試驗(yàn)樣車(chē)

圖10 半主動(dòng)懸架硬件及控制流程圖

3.3.3 隨機(jī)路面平順性試驗(yàn)

試驗(yàn)路面是一條長(zhǎng)400 m通往建筑工地的起伏、碎石路段.因重載卡車(chē)反復(fù)輾壓，路面嚴(yán)重破損.

試驗(yàn)條件:以恒速 20 km/h、15 km/h、10 km/h通過(guò)路面.

圖11(a)為車(chē)速20 km/h時(shí)，對(duì)懸架進(jìn)行半主動(dòng)振動(dòng)控制與未對(duì)懸架進(jìn)行控制兩情況下，駕駛員地板處加速度信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ葓D.由于磁流變減振器在零磁場(chǎng)時(shí)的力學(xué)特性曲線接近車(chē)輛原裝液壓減振器力學(xué)特性，因此將無(wú)控制工況下的懸架視為被動(dòng)懸架.

圖11 隨機(jī)路面下加速度

圖11(a)表明，磁流變半主動(dòng)懸架能夠較好地抑制車(chē)體小幅度振動(dòng)，而當(dāng)振動(dòng)幅度較大時(shí)，減振效果不顯著.經(jīng)計(jì)算，在此段路面上，車(chē)身加速度均方根值下降12.6%.

圖11(b)為上述數(shù)據(jù)在頻域內(nèi)的比較.圖中表明，車(chē)體垂直振動(dòng)加速度在一階共振峰及其附近明顯降低，峰值降幅26.4%.在人體比較敏感的4～8 Hz之間也有較好減振效果，說(shuō)明在相同振動(dòng)強(qiáng)度下，磁流變半主動(dòng)懸架可提高車(chē)輛機(jī)動(dòng)性.4～8 Hz之間波峰值較多，表明實(shí)際車(chē)輛是復(fù)雜的多體系統(tǒng).

3.3.4 沖擊試驗(yàn)

試驗(yàn)選擇了圖12所示的減速帶，波長(zhǎng)1.2 m，波高150 mm.

圖12(b)為試驗(yàn)車(chē)速為10 km/h時(shí)，駕駛員地板處加速度信號(hào)時(shí)域圖.圖中表明，半主動(dòng)懸掛抑制沖擊不明顯.該結(jié)果與文獻(xiàn)[18]相近.文獻(xiàn)[19]認(rèn)為，由于半主動(dòng)懸掛只能輸出與活塞運(yùn)動(dòng)速度相反的阻尼力無(wú)法使車(chē)輪通過(guò)主動(dòng)控制力“跨越”路障，因此難以有效降低撞擊載荷.減小fail－safe阻尼可實(shí)現(xiàn)更小阻尼cmin，能減小經(jīng)減振器傳遞的沖擊.

圖12 脈沖激勵(lì)路面及加速度時(shí)域?qū)Ρ?/p>

4 結(jié)束語(yǔ)

磁流變減振器響應(yīng)快、抗沖擊能力強(qiáng)、能耗低，在未來(lái)20年內(nèi)，仍將是可控懸掛發(fā)展的主流之一.試驗(yàn)證實(shí):所研制的磁流變半主動(dòng)懸掛能抑制車(chē)體共振，改善車(chē)輛平順性，表明系統(tǒng)的有效性.但還需要采取以下改進(jìn)措施來(lái)提高車(chē)輛性能:

1)采用連續(xù)天棚控制算法，使控制力更精確;

2)采用單筒、多級(jí)、盤(pán)形間隙節(jié)流閥結(jié)構(gòu)，提高控制力可調(diào)范圍;

3)減振器倒置安裝，避免沉降穩(wěn)定性影響;

4)降低fail－safe阻尼，降低撞擊載荷.

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