基于磁流變彈性體的坦克發(fā)動(dòng)機(jī)減振研究

陳澤強(qiáng)，朱 煒，芮筱亭，杜偉軍，陳剛利

（南京理工大學(xué) 發(fā)射動(dòng)力學(xué)研究所，南京 210094）

基于磁流變彈性體的坦克發(fā)動(dòng)機(jī)減振研究

陳澤強(qiáng)，朱 煒，芮筱亭，杜偉軍，陳剛利

（南京理工大學(xué) 發(fā)射動(dòng)力學(xué)研究所，南京 210094）

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性是影響坦克車輛的機(jī)動(dòng)性和人員舒適性的重要因素之一。由于發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率隨著工況的改變而發(fā)生改變，利用磁流變彈性體的剛度可控特性，采用避開(kāi)車身振動(dòng)頻率的方式，提高懸置系統(tǒng)隔振效果。基于建立的發(fā)動(dòng)機(jī)兩自由度動(dòng)力學(xué)模型，獲得避開(kāi)機(jī)身共振頻率所需磁流變彈性體懸置系統(tǒng)的剛度變化范圍。設(shè)計(jì)了一種新型的壓縮式磁流變彈性體隔振器，用有限元法對(duì)隔振器的磁路進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，并采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)該隔振器進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)改變外加電流大小，該隔振器滿足了坦克發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的剛度變化范圍。

振動(dòng)與波；發(fā)動(dòng)機(jī)懸置；磁流變彈性體；磁路設(shè)計(jì)；隔振器；仿真

發(fā)動(dòng)機(jī)是坦克系統(tǒng)的主要振源，減少發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)向機(jī)身的傳遞不僅能夠保護(hù)坦克的各種精密零件提高發(fā)射精確度，而且能夠提高乘坐舒適性，提高戰(zhàn)斗人員的戰(zhàn)斗力。理想的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置，為衰減因路面和發(fā)動(dòng)機(jī)怠速燃?xì)鈮毫Σ痪鶆蛞鸬牡皖l大幅振動(dòng)，應(yīng)具有低頻高剛度、大阻尼特性；為降低車內(nèi)噪聲，提高操縱穩(wěn)定性，應(yīng)具有高頻小剛度、小阻尼特性[1]。客觀上要求發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)具有頻變和幅變特性。目前，我國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)1 m噪聲水平與國(guó)外同類產(chǎn)品有不小的差距，柴油機(jī)一般在100 dB(A)以上，發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲水平整體偏高[2]。研究表明，橡膠懸置在低頻段隔振效果較好，但在高頻時(shí)會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)硬化導(dǎo)致其動(dòng)剛度顯著增大[3]，不能滿足高頻隔振降噪要求。相比于近年研究的液壓懸置，橡膠懸置有更好的可靠性，結(jié)構(gòu)可改性，維護(hù)性，且有成本優(yōu)勢(shì)。實(shí)行對(duì)橡膠懸置的改進(jìn)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出效率和減振效果的一種有效方法。

磁流變彈性體(Magnetorheological Elastomer, MRE)是一種新型的智能材料，在外加磁場(chǎng)的作用下，其力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性能將會(huì)發(fā)生改變，并且這種變化是可控的、可逆的，且響應(yīng)速度快。因此，磁流變彈性體在近年引起了普遍的關(guān)注，在工程應(yīng)用方面有著巨大的潛力。Yancheng Li等對(duì)近年的磁流變彈性體設(shè)備作了一個(gè)詳細(xì)的綜述[4]。Faramarz使用硅橡膠制備不同厚度的磁流變彈性體樣品，并分別研究了其壓縮模式及剪切模式的磁致可控性，結(jié)果表明壓縮模式下的磁流變彈性體的磁致可控性要比剪切模式的好[5]。李銳等將磁流變技術(shù)應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)隔振控制，在建立系統(tǒng)三自由度模型基礎(chǔ)上，驗(yàn)證了彈性體與磁流變液組成的并聯(lián)懸置系統(tǒng)在較寬頻范圍把力和力矩的絕對(duì)傳遞率降低約30%以內(nèi)，可提高乘坐舒適性[6]。李季等利用磁流變彈性體剛度阻尼可控的特性，設(shè)計(jì)了一種新型的隔振器，通過(guò)試驗(yàn)表明該隔振器通過(guò)改變外加電流的大小可以達(dá)到移頻減振的目的[7]。胡宗成設(shè)計(jì)了一種艦用新型磁流變彈性體隔振器，通過(guò)有限元對(duì)其靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行分析，并對(duì)隔振器進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)，證實(shí)了結(jié)構(gòu)的合理性[8]。

坦克車輛為了克服各種復(fù)雜的路況，發(fā)動(dòng)機(jī)需要非常大的沖程來(lái)提供大的輸出扭矩，因而坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一般會(huì)很低。某型坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為2 400 r/min，因此坦克發(fā)動(dòng)機(jī)需要在低頻下減振。本文通過(guò)自制的磁流變彈性體樣品，設(shè)計(jì)一種能夠應(yīng)用于坦克發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的新型壓縮式隔振器，并對(duì)該隔振器進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證與Matlab仿真。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)減振動(dòng)力學(xué)模型

為了更好地分析發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)特性，有必要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。圖1為坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型。將發(fā)動(dòng)機(jī)看作一個(gè)集中質(zhì)量塊，懸置系統(tǒng)由四個(gè)并聯(lián)的磁流變彈性體隔振器組成，等效為一組可變剛度的剛度阻尼元件，由于坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量比較大，勢(shì)必會(huì)對(duì)機(jī)身有一定的下壓，因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型有必要將機(jī)身考慮進(jìn)去。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)主要產(chǎn)生沿垂向的往復(fù)慣性力由牛頓定律可以推出發(fā)動(dòng)機(jī)減振的動(dòng)力學(xué)方程

式中x0、x2和x4分別表示路面、機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)的垂向位移，m2和m4分別表示機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)的總質(zhì)量，c1和k1分別表示坦克懸架的阻尼和剛度，c3、k3和kMR分別表示隔振器的阻尼，剛度和剛度變化。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)減振性能仿真

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的垂向慣性力f擾(t)與路面激勵(lì)x0是相互獨(dú)立的兩個(gè)外力，可分開(kāi)考慮。式(1)中參數(shù)大致如下表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 慣性力對(duì)機(jī)身的影響

當(dāng)路面激勵(lì)是零時(shí)，即x0=0。

取t=0時(shí)的初值即

為了更好地描述系統(tǒng)的頻域特性，利用Matlab繪制系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線[9]。圖2即為機(jī)身位移對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)垂向慣性力的頻率響應(yīng)曲線。

圖2 機(jī)身位移對(duì)垂向力的頻率響應(yīng)曲線

圖2上、下兩部分分別為機(jī)身位移的幅值和相位對(duì)頻率的響應(yīng)曲線，由圖2可以明顯地看出機(jī)身對(duì)擾動(dòng)輸入的頻率響應(yīng)有兩個(gè)諧振峰，第一個(gè)峰是由坦克懸架系統(tǒng)獲得的諧振峰，與隔振器剛度無(wú)關(guān)。第二個(gè)峰是由隔振器產(chǎn)生的諧振峰，隨著剛度的增大，向高頻區(qū)移動(dòng)。由初始值4×106N?m-1增加到8×106N?m-1時(shí)，共振峰的頻率由67 rad?s-1(約為11 Hz)到94.2 rad?s-1(約為15 Hz)，即增加了36%。通過(guò)Matlab仿真結(jié)果，一方面驗(yàn)證了改變隔振器的剛度能夠改變機(jī)身的響應(yīng)諧振峰，即可以通過(guò)控制隔振器的剛度減小機(jī)身對(duì)外界輸入擾動(dòng)的響應(yīng)；另一方面確定了該隔振器的剛度變化范圍是4×106N?m-1到8×106N?m-1，單個(gè)隔振器的剛度變化范圍是1×106N?m-1到2×106N?m-1，為下一步的隔振器設(shè)計(jì)提供理論支持。

2.2 路面激勵(lì)對(duì)車身的影響

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的垂向激振力為零時(shí)，考慮路面激勵(lì)對(duì)機(jī)身的影響，此時(shí)坦克發(fā)動(dòng)機(jī)和懸置可看作一個(gè)變剛度的吸振器。

通過(guò)Matlab得到機(jī)身對(duì)路面激勵(lì)的響應(yīng)曲線，圖3即為在不同懸置剛度下，機(jī)身位移對(duì)路面激勵(lì)的響應(yīng)曲線。

圖3 機(jī)身位移對(duì)路面激勵(lì)的響應(yīng)曲線

由圖3可以明顯地看出隨著懸置剛度的增大，機(jī)身位移對(duì)路面激勵(lì)產(chǎn)生的諧振峰向右移。可以通過(guò)控制隔振器電流的大小調(diào)整剛度，從而可以使機(jī)身位移對(duì)路面激勵(lì)的響應(yīng)減小，保護(hù)機(jī)身上的精密儀器。

3 隔振器的磁路設(shè)計(jì)與仿真

圖4為壓縮式隔振器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中箭頭表示所設(shè)計(jì)隔振器的預(yù)想磁路走向，圖中導(dǎo)磁材料選用電磁純鐵DT4C，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為BS1=2.158T。為使隔振器的變剛度性能最佳，設(shè)計(jì)時(shí)導(dǎo)磁材料應(yīng)該后于磁流變彈性體飽和，即磁流變彈性體飽和時(shí)，電磁純鐵中的磁感應(yīng)強(qiáng)度小于其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。為了能夠更好地控制磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)磁流變彈性體的彈性模量，采用線圈加磁的方法。

圖4 隔振器結(jié)構(gòu)示意圖

磁流變彈性體的初始彈性模量為7 MPa，由公式k=GS/h求得磁流變彈性體的厚度約為10 mm，當(dāng)線圈電流為2 A時(shí)，要求磁流變彈性體中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.6 T。由于導(dǎo)磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于磁流變彈性體的相對(duì)磁導(dǎo)率，在初步計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)，因此，整個(gè)回路的磁阻即為磁流變彈性體的磁阻。磁阻的計(jì)算公式為

式中L為磁路的平均長(zhǎng)度，S為磁路的面積，μ0為真空下的磁導(dǎo)率，μi為材料的相對(duì)磁導(dǎo)率。

根據(jù)NI=φR，磁通φ=∫SBds，則有效線圈匝數(shù)

用Ansys軟件對(duì)彈性體和整個(gè)隔振器分別進(jìn)行磁路仿真。得到如圖5和圖6所示的輸入電流為2A時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。

由圖5可知，彈性體的最小磁感應(yīng)強(qiáng)度為694 mT，分布均勻；由圖6可知，導(dǎo)磁體的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為16 841 mT，小于導(dǎo)磁體的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 彈性體磁場(chǎng)分布圖

圖6 隔振器的磁場(chǎng)分布圖

4 磁流變彈性體的制備

本文采用硅橡膠為基體，通過(guò)有磁場(chǎng)制備得到磁流變彈性體。首先將室溫下呈液態(tài)的硅橡膠、羰基鐵粉和硅油等充分?jǐn)嚢?，混合均勻后放入真空干燥箱中，用真空泵抽真空，去除液體中的氣泡。再將去除氣泡的液體放入模具中，將模具放入磁場(chǎng)發(fā)生器中，通10 A電流，經(jīng)過(guò)24小時(shí)以上的時(shí)間取出即得到各向異性的磁流變彈性體樣品。圖7為實(shí)驗(yàn)所用真空干燥箱。圖8為磁流變彈性體的有磁場(chǎng)制備現(xiàn)場(chǎng)。圖9為試驗(yàn)所做的模具和所制成的磁流變彈性體成品。

圖7 真空干燥箱

5 性能測(cè)試

將自制的磁流變彈性體與原件按圖4安裝，得到所設(shè)計(jì)的新型壓縮式隔振器如圖10所示。

采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其壓縮特性，如圖11所示。

圖8 磁場(chǎng)發(fā)生器

圖9 模具和磁流變彈性體成品

圖10 隔振器實(shí)物圖

圖11 性能測(cè)試

輸入電流由高精度穩(wěn)壓電源提供，測(cè)得在不同電流下，該隔振器的力-位移曲線，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖12 測(cè)試結(jié)果

隨著電流的增大，壓縮相同位移所需要的力隨之增大，該隔振器的剛度也隨之增大。根據(jù)力-位移曲線得到表2隔振器剛度與電流的關(guān)系。

由表2，隔振器的剛度由電流為0時(shí)的900 N?mm-1增加到1 A時(shí)的2 300 N?mm-1，相對(duì)磁流變效應(yīng)達(dá)到156%。通過(guò)試驗(yàn)表明，自制的磁流變彈性體具有較高的磁流變效應(yīng)。在實(shí)際情況下由于彈性體發(fā)動(dòng)機(jī)的擠壓磁流變效應(yīng)會(huì)受到影響，該隔振器能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的減振要求。

Study on Vibration Reduction of the Tank Engines based on MRE

CHEN Ze-qiang,ZHUWei,RUI Xiao-ting,DU Wei-jun,CHEN Gang-Li
(Institute of Launch Dynamics,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Static and dynamic characteristic of the engine mounting system is one of the important factors which affect the mobility of the tank vehicles and the soldier’s comfort.Since the engine vibration frequency changes with the condition change,the controllable stiffness characteristic of the MRE can be used to improve the insulation effect of the mounting system by avoiding the vibration frequency of the tank’s body.Based on the 2D engine dynamic model,the variation range of the stiffness of the MRE mounting system can be got by avoiding resonance envelopes of the tank’s body.In this paper,a new compression-type vibration isolator based on the MRE is developed.The magnetic circuit of the isolator is designed and analyzed using finite element method.The isolator is tested in a universal material testing machine.The test results show that with the use of the MRE isolator,the stiffness of the engine mounting system can be limited in the necessary range by adjusting the external current.

vibration and wave;engine mounting;MRE;magnetic circuit design;vibration isolator;simulation

TU112.59+6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.016

1006-1355(2017)01-0072-04+116

2016-06-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61304137)

陳澤強(qiáng)，男，江蘇省江陰市人，碩士生，主要研究方向?yàn)榛诖帕髯儚椥泽w減振技術(shù)。

朱煒，男，碩士生導(dǎo)師。E-mail:zhuwei@cqu.edu.cn