汽車設(shè)計(jì)中減震器相對阻尼系數(shù)的確定

周林+肖朝銀+劉曉芳

摘 要：本文嘗試以汽車的電磁渦流減震器作為研究對象，分析減震器相對阻力系數(shù)，初步確認(rèn)了減震器相對阻尼系數(shù)的計(jì)算公式，并探討了汽車設(shè)計(jì)中，需要減震器阻尼系數(shù)確定需要因素，確認(rèn)了基本的減震器設(shè)計(jì)原則。

關(guān)鍵詞：汽車設(shè)計(jì)；減震器；阻尼系數(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.216

汽車工業(yè)是現(xiàn)代制造業(yè)的支柱性產(chǎn)業(yè)，汽車工業(yè)發(fā)展水平反映了一個國家的制造業(yè)發(fā)展水平。減震器是汽車必不可少的裝備。當(dāng)前汽車的減震器類型繁多，主要包括液壓減震器、充氣式減震器、電/磁流變液減震器、電磁渦流減震器等，不同減震器各有優(yōu)劣。阻力系數(shù)是反映減震器減震性能的重要指標(biāo)，本次研究試以汽車的電磁渦流減震器作為研究對象，分析減震器相對阻力系數(shù)計(jì)算方法，確定汽車設(shè)計(jì)中減震器設(shè)計(jì)的基本原則。

1 電磁渦流減震器阻尼系數(shù)

1.1 電磁渦流減震器

渦流減震器的渦流阻尼影響因素較多，涉及到電磁飽和、傳熱理論、退磁效應(yīng)、集膚效應(yīng)等，計(jì)算過程比較復(fù)雜，最終影響計(jì)算精度以及效率。近年來有限元仿真技術(shù)飛速發(fā)展，為阻力計(jì)算創(chuàng)造了條件。本文討論的電磁渦流減震器，有三個條件：①忽略溫度的小幅度變化對材料電導(dǎo)率、相對磁導(dǎo)率的影響；②計(jì)算導(dǎo)體框架的渦流效應(yīng)，不考慮其他部件；③不考慮溫度對材料物理性能的影響。電磁渦流減震器整體成圓柱形，上段是電子軸，下段為定子導(dǎo)體，后者由永磁體、鐵極構(gòu)成。在進(jìn)行電磁渦流減震器的設(shè)計(jì)過程中，需要考慮如何高效的利用永磁體產(chǎn)生的磁場，使用相同的材料、體積結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的渦流阻力，同時考慮汽車的減震需求，確電磁渦流減震器最低阻尼力。根據(jù)磁路優(yōu)化理論，采用筒式的定子導(dǎo)體，相較于矩形結(jié)構(gòu)，能減少的電磁磁漏效應(yīng)，更好的產(chǎn)生渦流，從而快速消耗測量運(yùn)動過程中產(chǎn)生的振動能量。永磁體的充磁方向不會顯著影響磁場的利用，目前主要采用軸向以及徑向兩類，根據(jù)有限元分析，軸向充磁永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值為2.0242T，周圍氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值0.5t最左右，而采用經(jīng)向沖磁，則為1.72345T、0.4T，顯然軸向沖磁效果更理想。確定結(jié)構(gòu)以及沖磁的基本結(jié)構(gòu)后，需要設(shè)計(jì)合適的尺寸。

1.2 阻尼力計(jì)算

用于電磁渦流減震器阻尼系數(shù)計(jì)算的理論主要包括有限差分法、有限元法、矩量法、邊界元素法、格林函數(shù)法等。有限差分法適用于手機(jī)輻射、不同建筑結(jié)構(gòu)室內(nèi)電磁干擾研究、微帶線問題研究，不適合尺寸較大、細(xì)薄結(jié)構(gòu)的媒質(zhì)，有限元法適合復(fù)雜媒質(zhì)、邊界條件、復(fù)雜邊界形狀的定解問題，具有較高的設(shè)計(jì)進(jìn)精度，每個環(huán)節(jié)都可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)法，計(jì)算程序分組，方程組元數(shù)很多，計(jì)算時間長。用于電磁渦流減震器磁通密度計(jì)算，主要包括磁偶極子方法，計(jì)算方法簡單，軸向磁通密度計(jì)算公式為

其中K（k）、E（k）分別為第一類全橢圓積分和第二類全橢圓積分，Rm、m分別為圓柱體永磁體的半徑與厚度，在實(shí)際處理工程與科學(xué)問題時，絕大多數(shù)的微積分都無法得到準(zhǔn)確的解析解。運(yùn)動的永磁體是一個沿著軸向（z）和徑向（r）都變化的磁場，導(dǎo)體外套渦流以及渦流阻尼力產(chǎn)生機(jī)制主要包括導(dǎo)體在恒定磁場相對運(yùn)動、導(dǎo)體處在變化的磁場中，根據(jù)法拉第的電磁感應(yīng)定律，前者為感生電動勢，后者可根據(jù)洛倫磁力法則定義為動生電動勢，總的電動勢是兩者之和，E=Etransk+Emotional=-，相對速度是永磁體和導(dǎo)體外筒之間的相對運(yùn)動速度?？紤]到相對速度是豎向方向，則永磁體的豎直分量和相對運(yùn)動速度是垂直的，故此方向上的磁場不會影響導(dǎo)體外筒中的渦流，永磁體徑向分量才產(chǎn)生渦流，則動生電動勢作用產(chǎn)生的渦流阻尼力為F=，其中為導(dǎo)體外筒的體積，rin是導(dǎo)體外筒的內(nèi)半徑，rout為內(nèi)半徑。據(jù)此可計(jì)算電磁渦流的減震器，永磁體的豎直方向上的渦流阻尼力表達(dá)式，推導(dǎo)出電磁渦流減震器的等效阻力系數(shù)C=，同時需要考慮到集膚效應(yīng)，但因推導(dǎo)的公式方式比較復(fù)雜，需要采用軟件輔助編程求解。

2 減震器設(shè)計(jì)匹配

在獲得相對阻力系數(shù)后，需要根據(jù)需求，設(shè)計(jì)減震器。以車輛懸架減震器為例，基于舒適性的車輛懸架的最佳阻尼比，需要考慮車身垂直加速度平方根，從而計(jì)算最佳阻尼比。從安全性的角度來看，需要考慮車輪動載荷的頻響，使減震器能夠滿足車輪動載荷要求。而對于半主動的懸架系統(tǒng)而言，需要綜合考慮安全性與舒適性，基于不同形式路況、車速，選擇合適的阻尼系數(shù)。需要建立系統(tǒng)的運(yùn)動方程，也就是前文提到的減震器阻尼系數(shù)方程，而后充分考慮時間、路面參數(shù)，考慮車輪在路面上受到的激勵，考慮汽車的速度，計(jì)算路面輸出模型，建立非線性的阻尼子系統(tǒng)，計(jì)算平順性。在確認(rèn)最佳的阻尼系數(shù)后，確認(rèn)導(dǎo)體外筒、內(nèi)半徑、外半徑指標(biāo)，完成整個設(shè)計(jì)過程。需注意的是，絕大多數(shù)情況下，三項(xiàng)指標(biāo)都不能準(zhǔn)確的被計(jì)算出來，需要考慮制作工藝難度、成本、安裝、整體構(gòu)件等因素，選擇合適的設(shè)計(jì)。

3 小結(jié)

減震器的相對阻尼系數(shù)計(jì)算與其技術(shù)特點(diǎn)有關(guān)，近年來電/磁流變液減震器、電磁渦流減震器等高技術(shù)含量的減震器開始取代傳統(tǒng)的液壓減震器，成為汽車減震器的未來主流發(fā)展方向。但當(dāng)前，減震器的相對阻尼計(jì)算仍有許多基礎(chǔ)問題未能得到解決，計(jì)算量比較大。在進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)時，需要利用有限元算法等先進(jìn)的算法，確認(rèn)減震器的阻尼系數(shù)計(jì)算方程，而后根據(jù)汽車減震需求，確定阻尼系數(shù)，才通過方程進(jìn)行減震器構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣木林，淺談汽車減震器發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 [J].經(jīng)濟(jì)生活文摘 （上半月），2012（05）：120-122.

[2]郭建輝，鄒金校，高恩壯.汽車半主動懸架減震器阻尼匹配設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2017（01）：1-3.

[3]Ebrahimi B，Khamesee M B，Golnaraghi F.Eddy current damper feasibility in automobile suspension：modeling，simulation and testing[J].Smart Materials and Structures，2009，18（01）： 015017.