磁流變液的汽車碰撞緩沖吸能裝置設(shè)計(jì)

趙樹(shù)恩，張俊飛，李玉玲,2，林繁國(guó)

（1.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074；2.陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723000；3.長(zhǎng)城汽車股份有限公司，河北 保定 071000）

磁流變液的汽車碰撞緩沖吸能裝置設(shè)計(jì)

趙樹(shù)恩1，張俊飛1，李玉玲1,2，林繁國(guó)3

（1.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074；2.陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723000；3.長(zhǎng)城汽車股份有限公司，河北 保定 071000）

為了解決目前汽車保險(xiǎn)杠剛度不可控、對(duì)不同碰撞環(huán)境適應(yīng)性差的問(wèn)題，針對(duì)磁流變液流變特性可控且吸能量大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出阻尼力可控的保險(xiǎn)杠緩沖吸能裝置。以最大阻尼力和動(dòng)態(tài)范圍為優(yōu)化目標(biāo)，采用Matlab遺傳算法對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。分別建立裝有傳統(tǒng)吸能式保險(xiǎn)杠和裝有磁流變液緩沖吸能裝置的整車碰撞模型，進(jìn)行碰撞仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明：裝有磁流變液緩沖吸能裝置的汽車整車變形和最大碰撞力明顯減小，可以有效減小對(duì)人員的傷害，提高汽車的被動(dòng)安全性。

振動(dòng)與波；保險(xiǎn)杠；磁流變液；緩沖吸能；碰撞

隨著汽車擁有量與保有量的不斷提升，機(jī)動(dòng)車交通事故數(shù)量呈逐年遞增的趨勢(shì)，汽車碰撞過(guò)程中的安全問(wèn)題和碰撞維修費(fèi)用越來(lái)越受到重視。汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，保險(xiǎn)杠是最先接觸的部件，不僅要避免內(nèi)侵量過(guò)大，減小車輛其他部件的損壞，還要通過(guò)吸能裝置的壓潰變形來(lái)吸收碰撞能量，避免駕駛艙有過(guò)大的變形，其吸能性能對(duì)保護(hù)乘客安全和減小維修成本至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)依據(jù)汽車的碰撞特性，從連接方式、吸能部件結(jié)構(gòu)、新型材料及輕量化等方面對(duì)提高保險(xiǎn)杠的耐撞性進(jìn)行了大量的研究，取得了大量的研究成果。曾必強(qiáng)等人通過(guò)仿真分析對(duì)比了汽車保險(xiǎn)杠與前縱梁分別采用焊點(diǎn)和阻尼連接時(shí)對(duì)行人腿部的碰撞情況，結(jié)果表明阻尼連接的方式可大幅降低對(duì)行人腿部的傷害[1]；清華大學(xué)許述財(cái)?shù)然谥癫慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出的仿生吸能管，提高了薄壁管的吸能特性[2]；吉林大學(xué)鄒猛等人基于牛角耐撞性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)出了具有牛角結(jié)構(gòu)特征的仿生管，有效提升了薄壁管的耐撞性[3]；劉海江等將7075鋁合金應(yīng)用到保險(xiǎn)杠系統(tǒng)中，通過(guò)建立模型進(jìn)行輕量化和碰撞分析，結(jié)果表明在滿足碰撞要求的同時(shí)保險(xiǎn)杠質(zhì)量下降20.5%[4]。M.M.Davoodi與S.M.Sapuan對(duì)汽車保險(xiǎn)杠聚合物復(fù)合材料吸能件進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)，并將概念設(shè)計(jì)模型采用試驗(yàn)分析證明該方法有效[5]。這些保險(xiǎn)杠都是恒定剛度，適應(yīng)性差，且碰撞一次就要報(bào)廢的。磁流變液是一種新型功能材料，具有磁流變效應(yīng)特性、響應(yīng)時(shí)間短、功耗低、剪切屈服強(qiáng)度大且可控等特點(diǎn)[6]?；诖帕髯円杭夹g(shù)設(shè)計(jì)的緩沖吸能裝置可以通過(guò)磁場(chǎng)的變化調(diào)節(jié)阻尼力的大小，實(shí)現(xiàn)剛度可調(diào)，根據(jù)不同情況下的碰撞實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制，且可重復(fù)使用，對(duì)提高汽車的安全性能具有重要意義。

1 磁流變液緩沖吸能裝置的工作原理及磁路分析

當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)，磁流變液緩沖吸能裝置的活塞桿推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，磁流變液在活塞與缸體的間隙流動(dòng)，產(chǎn)生阻尼力。通過(guò)控制線圈的電流大小來(lái)改變磁場(chǎng)，發(fā)生磁流變液效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)阻尼力可調(diào)的目標(biāo)。磁流變液緩沖吸能裝置的磁路可以簡(jiǎn)化為圖1所示。

圖1 緩沖吸能裝置的磁路簡(jiǎn)圖

由圖1可知當(dāng)活塞線圈通電時(shí)，緩沖吸能裝置內(nèi)將產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁路方向可以描述為：磁力線從活塞一端的中心發(fā)出，經(jīng)過(guò)磁流變液進(jìn)入缸體，在缸體內(nèi)指向活塞的另一端，磁力線在活塞的另一端再經(jīng)過(guò)磁流變液從缸體發(fā)出進(jìn)入活塞中心形成閉合磁力線。

緩沖吸能裝置的磁路可以化簡(jiǎn)成由鐵芯組成的環(huán)形磁路，如圖2所示。

圖2 緩沖吸能裝置的簡(jiǎn)化磁路

圖2中鐵芯的橫截面積為S，激勵(lì)電流為I，磁路平均長(zhǎng)度為l，激勵(lì)線圈的匝數(shù)為N，由于鐵芯的內(nèi)徑和外徑差別不大，可以認(rèn)為鐵芯內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度H處處相等，由安培環(huán)路定律得

由上式可推導(dǎo)出鐵芯內(nèi)的磁場(chǎng)為

根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度公式B=μH以及磁通量公式φ= BS，可求出

式中μ為鐵芯的磁導(dǎo)率，μ=μ0μr，μ0為鐵芯材料的真空磁導(dǎo)率，μr為鐵芯材料的相對(duì)磁導(dǎo)率。

鐵芯的總磁阻為Rm

那么式（3）也可以寫(xiě)為

由式（4）可以推導(dǎo)出緩沖吸能裝置四段主要部分的磁阻如下：

活塞與缸體間隙的磁阻R1為

活塞端面的磁阻R2為

活塞中心軸段的磁阻R3為

缸體壁內(nèi)的磁阻R4為

所以緩沖吸能裝置磁路的總磁阻為

磁流變液緩沖吸能裝置間隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

由式(5)、式(11)得緩沖吸能裝置間隙處的磁場(chǎng)強(qiáng)度H0為

2 磁流變液緩沖吸能裝置設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)將磁流變液應(yīng)用到汽車保險(xiǎn)杠吸能裝置的設(shè)計(jì)資料較少，在設(shè)計(jì)磁流變液緩沖吸能裝置部分尺寸時(shí)可以參考磁流變液減震器的設(shè)計(jì)方法。文中參考國(guó)內(nèi)某款汽車模型的有關(guān)尺寸以及所對(duì)應(yīng)的碰撞吸能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 磁流變液緩沖吸能裝置結(jié)構(gòu)方案

由于緩沖吸能裝置的應(yīng)用背景以及安裝尺寸的要求，采用如圖3所示的單桿單筒式結(jié)構(gòu)。采用波紋管作為補(bǔ)償裝置，其具有一定剛度并且可以保證發(fā)生碰撞結(jié)束后吸能裝置可以恢復(fù)原來(lái)形狀。

圖3 磁流變緩沖吸能裝置裝配圖

2.2 材料選擇

活塞、活塞桿和缸體的材料應(yīng)該在滿足機(jī)械性能的同時(shí)擁有良好的磁導(dǎo)率。20號(hào)低碳鋼不僅擁有良好的磁學(xué)性能，還擁有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和機(jī)械加工性能[7]。因此采用20號(hào)低碳鋼作為活塞、活塞缸和缸體的材料，其磁學(xué)性能如表1中。其中μr為相對(duì)磁導(dǎo)率，μmax為最大相對(duì)磁導(dǎo)率，Bs為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，Hc為矯頑力。

表1 20號(hào)低碳鋼的磁學(xué)性能

磁流變緩沖吸能裝置中的磁流變液選為寧波杉工公司生產(chǎn)的SG-MRF2035型磁流變液，其具體參數(shù)如表2[8]。

表2 SG-MRF2035型磁流變液性能參數(shù)

SG-MRF2035型磁流變液剪切屈服應(yīng)力τy與磁通密度B關(guān)系式為[9]

2.3 緩沖吸能裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于緩沖吸能裝置是安裝在保險(xiǎn)杠的吸能盒中，在設(shè)計(jì)緩沖吸能裝置的安裝尺寸時(shí)必須參考吸能盒的尺寸。參考所選車型的保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)的吸能盒尺寸為長(zhǎng)331 mm、寬87 mm，、高123 mm。

通過(guò)對(duì)整車質(zhì)量為1 262 kg的整車模型在50 km/h速度下進(jìn)行正面仿真碰撞試驗(yàn)，得到碰撞時(shí)間為90 ms。假設(shè)碰撞能量全部由緩沖吸能裝置吸收，且不發(fā)生二次碰撞，忽略地面摩擦，則由動(dòng)量定理可得阻尼力為

由能量守恒定律可得緩沖吸能裝置的工作行程為

通過(guò)計(jì)算得F=194.79 kN，S=625 mm。工作行程已超出了吸能盒的尺寸。由于尺寸的限制，高速碰撞時(shí)碰撞能量不可能完全由緩沖吸能裝置吸收。以緩沖吸能裝置吸收汽車低速(10 km/h)碰撞時(shí)75%的碰撞能量來(lái)設(shè)計(jì)，通過(guò)式(13)和式(14)求出緩沖吸能裝置的最大阻尼力Fmax=29.175 kN，S=125 mm。

參考吸能盒尺寸，緩沖吸能裝置的最大長(zhǎng)度為300 mm，缸體外徑取為74 mm，缸體內(nèi)徑取54 mm。擬設(shè)計(jì)出汽車在50 km/h的撞擊速度下緩沖吸能裝置產(chǎn)生最大阻尼力為30 kN，動(dòng)態(tài)可調(diào)范圍為大于1.3。

磁流變緩沖器阻尼力理論計(jì)算采用修正的Bingham模型，最大阻尼力計(jì)算公式和動(dòng)態(tài)范圍如下

式中Fs為庫(kù)倫阻尼力；Fτ為與屈服應(yīng)力成正比而與速度無(wú)關(guān)的庫(kù)倫阻尼力；D為動(dòng)態(tài)范圍；Vd為磁流變液流速；AP為活塞截面積；ΔPη為2區(qū)域到4區(qū)域的壓力損失；ΔPEE為區(qū)域1到2和區(qū)域4到5的壓力損失；ΔPml為區(qū)域2到區(qū)域4間的壓力損失；ΔPcoil為區(qū)域3內(nèi)的壓力損失；f和fc為達(dá)西摩擦系數(shù)；Kentry和Kexit為進(jìn)出口壓力損失系數(shù)，一般為0.5和1[10]。

由式（17）可知當(dāng)活塞與缸體的間隙h增大，則吸能裝置的阻尼力就會(huì)減小，若活塞與缸體的間隙h太小，會(huì)增加緩沖器的制造難度。因此，間隙h是一個(gè)非常重要的參數(shù)，需要在吸能裝置的阻尼力和可調(diào)范圍間取得平衡，在設(shè)計(jì)中間隙h一般取0.5 mm～2 mm[8]，這里我們?nèi)￠g隙h=1.5 mm。

缸體內(nèi)徑和活塞桿直徑的關(guān)系為：d=λD1[11]，單筒式λ一般取為0.3～0.35，這里取為0.35，所以活塞桿直徑為d=λD1=0.35×54 mm=18.9 mm，這里取為整數(shù)20 mm。

活塞桿的有效磁極長(zhǎng)度根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸的大小確定范圍是20 mm至40 mm，初選為30 mm。

因?yàn)榛钊麠U、活塞和缸體采用的是高磁導(dǎo)率材料，其磁阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于緩沖吸能裝置間隙的磁阻，在計(jì)算總磁阻時(shí)可以忽略?？偞抛杩捎孟率接?jì)算

將式（19）和磁通量公式φ=BS代入式(5)，可得線圈的匝數(shù)計(jì)算式

激勵(lì)電流I設(shè)為3A，帶入?yún)?shù)求得線圈匝數(shù)為247.5，取整數(shù)248，參考活塞有效長(zhǎng)度預(yù)估活塞的總長(zhǎng)為45 mm。

3 磁流變液緩沖吸能裝置的多目標(biāo)優(yōu)化

3.1 磁流變液緩沖吸能裝置的優(yōu)化模型

圖3中活塞有效長(zhǎng)度L1、活塞與缸體的間隙h、線圈的厚度hb和線圈與缸體的距離ha對(duì)緩沖器的最大阻尼力和動(dòng)態(tài)范圍有著很大的有影響，要對(duì)這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。所需優(yōu)化參數(shù)的取值范圍及步長(zhǎng)如表3。

表3 優(yōu)化變量結(jié)構(gòu)參數(shù)

受限于裝配尺寸以及實(shí)際情況，線圈的厚度hb和線圈與缸體的距離ha、阻尼力Fmax和動(dòng)態(tài)范圍D有以下約束條件

以緩沖吸能裝置的阻尼力和動(dòng)態(tài)范圍最大為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)式(15)和式(16)計(jì)算，目標(biāo)函數(shù)為

采用Matlab中的多目標(biāo)遺傳算法對(duì)上述多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，參數(shù)變量初始值設(shè)置為：L1=30 mm，h=1.5 mm，hb=5 mm，ha=4 mm。其他參數(shù)：最大代數(shù)為150，交叉率為0.8，變異率為0.1，活塞速度為3 m/s，磁流變液密度ρ=3.09 g/ml，電流I=3A。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

圖4為優(yōu)化后得到的Pareto前沿解，從圖中可以看到最大阻尼力Fmax和動(dòng)態(tài)范圍D無(wú)法同時(shí)取得最大值，其中一個(gè)目標(biāo)值的增大必然伴隨另一個(gè)目標(biāo)值的減小。根據(jù)最大阻尼力和動(dòng)態(tài)范圍的要求，在Pareto前沿解中選出一組最合適的解，同時(shí)擁有大的阻尼力和動(dòng)態(tài)范圍：L1=31 mm，H=1.2 mm，Hb=2 mm，Ha=7 mm，F(xiàn)max=30.6 kN，D=1.45。圖5為優(yōu)化后緩沖吸能裝置磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。

圖4 Pareto前沿解

圖5 優(yōu)化后緩沖吸能裝置磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

4 整車碰撞仿真分析

對(duì)所參考車型，通過(guò)CATIA和Hypermesh等軟件建立裝有傳統(tǒng)吸能式汽車保險(xiǎn)杠的汽車整車碰撞模型。對(duì)保險(xiǎn)杠吸能盒部分進(jìn)行修改，用一組相互重合的阻尼彈簧模擬磁流變液緩沖吸能裝置[12]，建立裝有磁流變液緩沖吸能裝置的整車碰撞模型，分別進(jìn)行碰撞仿真。根據(jù)《GB11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》的技術(shù)要求[13]，模擬碰撞速度設(shè)為50 km/h，此時(shí)傳統(tǒng)保險(xiǎn)杠的吸能盒已經(jīng)被壓饋[14]，車輛前部變形大，需要提高被動(dòng)安全性。通過(guò)LSDyna計(jì)算，并用hyper View對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理。

圖6和圖7分別為裝有傳統(tǒng)吸能式保險(xiǎn)杠和裝有磁流變液緩沖吸能裝置的整車變形云圖。

圖6 傳統(tǒng)吸能式保險(xiǎn)杠的整車變形云圖

圖6中發(fā)生最大變形的是前保險(xiǎn)杠，為476 mm。圖7中發(fā)生最大變形的是后輪邊緣，這是由于碰撞過(guò)程輪胎旋轉(zhuǎn)，因此不能作為整車變形，圖7中變形最大的應(yīng)該為前保險(xiǎn)杠，為350 mm，比傳統(tǒng)吸能式保險(xiǎn)杠減小126 mm，減小整車變形，為駕乘人員提高了生存空間，提高了汽車安全性。

圖7 磁流變緩沖吸能裝置的整車變形云圖

圖8為碰撞力曲線，由圖可知傳統(tǒng)吸能式保險(xiǎn)杠的仿真模型碰撞力近似為710 kN，磁流變液緩沖吸能裝置碰撞力峰值近似為550 kN，減小了160 kN。磁流變液緩沖吸能裝置的碰撞力小波峰峰值變大，說(shuō)明汽車在碰撞時(shí)磁流變緩沖器將碰撞的單次波動(dòng)能轉(zhuǎn)化為了多向撞擊動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)碰撞能量的多點(diǎn)同步或異步衰減，減小了對(duì)人員的傷害。

圖8 碰撞力曲線

5 結(jié)語(yǔ)

基于磁流變液的特性設(shè)計(jì)了汽車保險(xiǎn)杠緩沖吸能裝置，并采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)碰撞仿真分析，驗(yàn)證了磁流變液緩沖吸能裝置在高速碰撞時(shí)實(shí)現(xiàn)碰撞能量的合理耗散，有效減小了整車變形，降低了最大碰撞力，對(duì)提高汽車的被動(dòng)安全性具有重要意義。

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Design of Vehicle Bumper EnergyAbsorbers based on Magnetorheological Fluid

ZHAO Shu-en1,ZHANG Jun-fei1,LI Yu-ling1,2,LIN Fan-guo3
(1.College of Mechanical andAutomobile Engineering,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China; 2.School of Mechanical Engineering,Shanxi University of Technology, Hanzhong 723000,Shanxi China; 3.Great Wall Motor Company,Baoding 071000,Hebei China)

In order to solve the problems of uncontrollable stiffness and poor environmental adaptability of the current vehicle bumpers under different collision conditions,a vehicle bumper energy absorber with controlled damping force is designed.This design is based on the controllable and large energy absorption characteristics of magnetorheological fluid. With the maximum damping force and dynamic range as the optimization objectives,the structural parameters are optimized by Matlab genetic algorithm.Two vehicle collision models,one with the traditional energy absorbing bumper and the other with the magneticrheological energy absorbing bumper,are built to simulate the vehicle crash.The results show that the body deformation and maximum impact force of the vehicle with magnetorheological bumper are reduced significantly.The magnetorheological bumper can effectively reduce the harm to people and raise the automotive safety.

vibration and wave;bumper;magnetorheological fluid;buffer energy absorption;impact

TH122

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.017

1006-1355(2016)06-0087-05

2016-05-12

陜西省科技廳科研資助項(xiàng)目(2014JM7291)；重慶市科委科研資助項(xiàng)目(cstc2014jcyjA6007)；山地城市交通系統(tǒng)與安全重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(KTSS201305)

趙樹(shù)恩(1972-)，男，陜西省洋縣人，博士，教授，研究生導(dǎo)師，主要從事車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及綜合控制方面的研究工作。E-mail:zse0916@163.com