城際交通車輛永磁體磁流變阻尼器懸架的研究*

肖 平,王其東,牛禮民,高 洪

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009； 2. 安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，蕪湖 241000；3. 安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淮南 232000; 4. 安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，馬鞍山 243002)

2016098

城際交通車輛永磁體磁流變阻尼器懸架的研究*

肖 平1,2,王其東1,3,牛禮民1,4,高 洪2

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009； 2. 安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，蕪湖 241000；3. 安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淮南 232000; 4. 安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，馬鞍山 243002)

為提高城際交通車輛的平順性，將永磁體引入普通磁流變阻尼器，對(duì)其懸架進(jìn)行研究。首先，根據(jù)城際交通車輛的工況特點(diǎn)，考慮減小阻尼器調(diào)控電流等因素，對(duì)阻尼器的磁路進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算永磁體尺寸參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，建立該懸架數(shù)學(xué)模型與仿真模型；然后，分別以高速公路工況和城市道路工況進(jìn)行仿真；最后搭建1/4懸架試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。仿真與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的懸架系統(tǒng)可以提高汽車的平順性，其調(diào)控電流普通磁流變阻尼器有所減小。

城際交通車輛；磁流變阻尼器懸架；仿真；臺(tái)架試驗(yàn)

前言

懸架系統(tǒng)對(duì)汽車的舒適性有著重要的影響，一直是汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[7]中分別對(duì)無人駕駛汽車、重型貨車、履帶式汽車、拖拉機(jī)、電動(dòng)汽車和礦用自卸車的懸架系統(tǒng)進(jìn)行了研究。在國(guó)內(nèi)外的研究中，將永磁體引入懸架的磁流變阻尼器對(duì)汽車的平順性進(jìn)行研究的還較為少見。為提高城際交通車輛平順性，減小其阻尼器調(diào)控電流，本文中根據(jù)城際交通車輛大部分時(shí)間以相近的速度行駛在等級(jí)相同的高速公路上，其懸架振動(dòng)速度、阻尼力等具有一定規(guī)律的工況特點(diǎn)，提出一種將永磁體引入磁流變阻尼器從而減小其調(diào)控電流的設(shè)計(jì)方法?；诖?，建立了城際交通車輛內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架模型，在不同工況下進(jìn)行了仿真和臺(tái)架試驗(yàn)。

1 內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)

1.1 總體思路

城市間運(yùn)行的車輛大部分時(shí)間都行駛在高速公路上，其行駛速度相對(duì)穩(wěn)定，路面的功率譜相對(duì)固定，因此，懸架在工作過程中其振動(dòng)速度和阻尼力等符合一定的規(guī)律?；谏鲜龇治?，可將永磁體與電磁線圈混合磁場(chǎng)引入磁流變阻尼器懸架中，將永磁體磁場(chǎng)單獨(dú)工作產(chǎn)生的阻尼力設(shè)計(jì)在懸架工作時(shí)的阻尼力均值點(diǎn)上；當(dāng)阻尼力偏離均值點(diǎn)，可通過向電磁線圈施加正向、反向的電流來實(shí)現(xiàn)阻尼力的調(diào)節(jié)；同時(shí)，當(dāng)懸架的振動(dòng)加速度在舒適性允許范圍內(nèi)時(shí)，停止向電磁線圈施加電流，由永磁體磁場(chǎng)單獨(dú)作用，通過這種方法可實(shí)現(xiàn)阻尼器調(diào)控電流的最小化。

1.2 磁路設(shè)計(jì)

內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器調(diào)控電流較小，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是使永磁體磁場(chǎng)單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的阻尼力處于阻尼力的均值點(diǎn)，同時(shí)可以通過對(duì)電磁線圈施加不同方向和大小的電流來實(shí)現(xiàn)對(duì)阻尼力的調(diào)節(jié)。本文中設(shè)計(jì)的懸架阻尼器活塞采用單級(jí)磁路設(shè)計(jì)，如圖1所示。

由圖可見，磁力線沿A1→A2→A3→A4→A3→A2→A1首尾相接，A1，A2，A3和A4處的磁阻Rm1，Rm2，Rm3和Rm4分別為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:μ0為空氣導(dǎo)磁率；μr1,μr2,μr3和μr4分別為A1，A2，A3和A4處相對(duì)磁導(dǎo)率；L,L1，r1,r2,r3和r4為尺寸參數(shù)，含義見圖1。

當(dāng)勵(lì)磁線圈的輸入電流為零時(shí)，阻尼通道的磁場(chǎng)由永磁體單獨(dú)提供，磁路模擬電路圖如圖2所示。

由磁路歐姆定律[8]可得

(5)

式中:F′和R′分別為永磁體磁勢(shì)和磁阻；φ為磁路磁通量；kf為漏磁系數(shù)。

當(dāng)勵(lì)磁線圈被輸入正向電流時(shí)，阻尼通道處磁場(chǎng)由永磁體和勵(lì)磁線圈共同產(chǎn)生，磁場(chǎng)被增強(qiáng)，其磁路的模擬電路圖如圖3所示。

由磁路歐姆定律可得

(6)

式中F″為勵(lì)磁線圈的磁勢(shì)。

當(dāng)勵(lì)磁線圈被輸入反向電流時(shí)，阻尼通道處磁場(chǎng)由永磁體和勵(lì)磁線圈共同產(chǎn)生，磁場(chǎng)被減弱，其磁路的模擬電路圖如圖4所示。

由磁路歐姆定律可得

(7)

1.3 永磁體尺寸參數(shù)計(jì)算

為計(jì)算所研究的城際交通車輛懸架阻尼器永磁體尺寸參數(shù)，首先須對(duì)該汽車進(jìn)行道路試驗(yàn)，實(shí)測(cè)其阻尼力和懸架振動(dòng)速度等，根據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算平均阻尼力和懸架平均振動(dòng)速度，即

(8)

(9)

(10)

其中：

(11)

(12)

式中:Ap為活塞橫截面積；b為平板寬度；h為阻尼通道的高度；η為液體的塑性黏度；k和α為與磁流變液有關(guān)的系數(shù)。

于是，可計(jì)算阻尼通道處的由永磁體單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B′為

B′=μ0μr3H′

(13)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，R′，Rm1,Rm2和Rm4的值都遠(yuǎn)小于Rm3，于是由式(5)可得

(14)

于是,根據(jù)永磁體的性質(zhì)可得永磁體長(zhǎng)度L為

L=F′/Hc′

(15)

式中Hc′為磁鐵的等效矯頑力。

由磁路基爾霍夫第一定律可知，阻尼通道處的磁通與永磁體的磁通相等，于是可計(jì)算永磁體的外徑R為

(16)

式中B1為所選永磁體截面上的平均感應(yīng)強(qiáng)度。

2 懸架模型與仿真

2.1 懸架模型

所研究的懸架物理模型如圖5所示[9-10]。為了建立懸架數(shù)學(xué)模型，首先根據(jù)圖2～圖4所示的磁路模擬電路圖計(jì)算阻尼力。

設(shè)勵(lì)磁線圈的匝數(shù)為N，輸入電流為I，則

F″=NI

(17)

結(jié)合式(6)和式(7)可得

(18)

式中:當(dāng)線圈輸入正向電流時(shí)取加號(hào)，輸入反向電流時(shí)取減號(hào)。

于是，可得阻尼通道處磁感應(yīng)強(qiáng)度B為

B=

(19)

則臨界剪切屈服應(yīng)力為

τy=

(20)

(21)

式中：xs和xt分別為簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量位移;l為阻尼通道的長(zhǎng)度。

由圖5可得，汽車簧載質(zhì)量運(yùn)動(dòng)方程為

(22)

式中：ms，mt和ks分別為簧載質(zhì)量、非簧載質(zhì)量和懸架彈簧剛度系數(shù)。

(23)

式中：xr和kt分別為路面干擾輸入和輪胎剛度系數(shù)。

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，建立1/4懸架仿真模型，并基于該模型進(jìn)行仿真分析。

2.2 仿真分析

為檢驗(yàn)所研究的城際交通車輛內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架能否正常工作，阻尼器調(diào)控電流能否減小，以某款城際交通車輛為研究對(duì)象進(jìn)行仿真分析，車型主要參數(shù)為：ms=330kg，mt=50kg，ks=20kN/m，kt=210kN/m；分別對(duì)城市間高速公路行駛工況和城市內(nèi)行駛工況進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與傳統(tǒng)的無永磁體磁流變阻尼器懸架和被動(dòng)懸架進(jìn)行比較。

2.2.1 城際高速公路工況仿真

仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)可以看出，在高速公路上行駛時(shí)，與傳統(tǒng)磁流變阻尼器懸架車輛和被動(dòng)懸架車輛相比，采用內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架時(shí)，城際交通車輛的車身振動(dòng)加速度較小、汽車平順性較好。3種懸架的車身加速度均方根值分別為0.427，0.614和0.375m·s-2。因此，采用新型懸架的城際交通車輛平順性比傳統(tǒng)磁流變阻尼器懸架和被動(dòng)懸架的車輛平順性分別提高了13.87%和63.73%。由圖6(b)可以看出，在高速公路上行駛時(shí)，有永磁體的磁流變阻尼器調(diào)控電流比無永磁體的磁流變阻尼器調(diào)控電流小，其調(diào)控電流的均值分別為0.413和0.682A，前者比后者減小了39.44%。

2.2.2 城市工況仿真

本文中研究的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架是針對(duì)城際交通車輛設(shè)計(jì)的，但該車輛也有少部分時(shí)間行駛在城市中，為了研究其在城市中的行駛性能，采用B級(jí)路面和中國(guó)典型的城市工況CYC_CHINA15進(jìn)行仿真，如圖7(a)所示，結(jié)果如圖7(b)和圖7(c)所示。由圖7(b)可以看出，與傳統(tǒng)磁流變阻尼器懸架車輛和被動(dòng)懸架車輛相比，新型懸架城際交通車輛在不同車速段上的車身振動(dòng)加速度都較小，汽車平順性較好。由圖7(c)可以看出，在不同車速段上，內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器的調(diào)控電流較傳統(tǒng)的無永磁體磁流變阻尼器調(diào)控電流小。因此即便在城市工況下，內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架也比傳統(tǒng)磁流變阻尼器懸架的性能有所提高。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

將設(shè)計(jì)的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器安裝在長(zhǎng)春科新生產(chǎn)的PA-20-Z型20kN電液伺服汽車懸架試驗(yàn)臺(tái)上組裝成1/4懸架試驗(yàn)系統(tǒng)?；奢d質(zhì)量和非簧載質(zhì)量采用質(zhì)量塊模擬，輪胎采用安裝在激振頭上的彈簧模擬，電流傳感器采用HBC10ES5霍爾傳感器，電壓傳感器采用CHV-25P霍爾傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用NI ELVIS數(shù)據(jù)采集卡。試驗(yàn)輸入采用B級(jí)路面，車速為90km/h。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

由圖8(a)可以看出，懸架振動(dòng)特性良好，最大加速度不超過0.675m·s-2，加速度均方根值為0.382m·s-2，與仿真結(jié)果基本吻合；同時(shí)，對(duì)比圖6(a)仿真曲線與圖8(a)臺(tái)架試驗(yàn)曲線,可見仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果基本一致，說明所設(shè)計(jì)的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架可以提高汽車的平順性。由圖8(b)可以看出，阻尼器的調(diào)控電流很小，最大不超過0.691A，電流均值為0.407A，這與仿真結(jié)果基本吻合；同時(shí)，對(duì)比圖6(b)仿真曲線與圖8(b) 臺(tái)架試驗(yàn)曲線可見，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，說明所設(shè)計(jì)的新型阻尼器具有減小調(diào)控電流的作用。仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析表明，仿真結(jié)果可信，驗(yàn)證了所建立的懸架模型的正確性。

4 結(jié)論

本文中根據(jù)城際交通車輛的工況特點(diǎn)，提出一種將永磁體引入傳統(tǒng)磁流變阻尼器，設(shè)計(jì)具有較小調(diào)控電流的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架的方法；然后對(duì)該懸架磁流變阻尼器的磁路進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上建立內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器力學(xué)模型和懸架模型；分別針對(duì)城市間高速公路工況和城市內(nèi)交通工況進(jìn)行仿真，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的懸架在兩種工況下都能提高汽車的平順性，同時(shí)調(diào)控電流也比傳統(tǒng)磁流變阻尼器?。蛔詈罄迷O(shè)計(jì)的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器搭建了1/4懸架試驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果證明了仿真結(jié)果的正確性。

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A Research on Intercity Vehicle Suspension with Permanent-magnet Magnetorheological Damper

Xiao Ping1,2, Wang Qidong1,3, Niu Limin1,4& Gao Hong2

1.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230000; 2.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu241000; 3.SchoolofMechanicalEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232000; 4.SchoolofMechanicalEngineering,AnhuiUniversityofTechnology,Ma’anshan243002

To enhance the ride comfort of intercity vehicles, permanent magnets are introduced into ordinary magneto-rheological (MR) damper and the corresponding suspension is studied. Firstly, based on the traffic conditions of intercity vehicles and taking reducing regulating current of MR damper into consideration, the magnetic circuit of damper is designed and the dimensional parameters of permanent magnets are calculated. On this basis, the mathematical and simulation models for suspension are built. Then, simulations with both expressway and city road conditions are carried out respectively. Finally, a quarter suspension test rig is constructed with bench tests conducted. The results of simulations and bench tests indicate that the designed suspension system with permanent magnet MR damper can improve the ride comfort of vehicle with a smaller regulating current compared with ordinary MR damper.

intercity vehicles; magneto-rheological damper suspension; simulation; bench test

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51175135，51275002 )和安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2016A799)資助。

原稿收到日期為2015年12月15日，修改稿收到日期為2015年4月10日。