基于磁流變材料的一體式懸架減振支柱研究

黃 晨，張智宇，孫曉強

(1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130022；2.江蘇大學 汽車工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

傳統(tǒng)被動懸架已難以滿足人們更高的舒適性和操控性要求，為了獲得更好的隔振效果，被動系統(tǒng)中參數無法變化的彈簧或阻尼器被替換，主動懸架成為未來汽車懸架系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢.空氣懸架是其中重要研究方向，目前某些高級乘用車已經采用空氣懸架，并且電控空氣懸架(electronic controlled air suspension，ECAS)系統(tǒng)越來越成熟[1-4].

ECAS系統(tǒng)中，空氣彈簧和阻尼器集成化安裝，組成一體式減振支柱的電控空氣懸架，具有結構緊湊、便于安裝和參數可電控調節(jié)等優(yōu)點.之前國內外研究學者對空氣懸架減振支柱的研究主要集中在阻尼調節(jié)方面，主要包括PDC(pneumatic damping control)減振支柱懸架系統(tǒng)和CDC(continuous dam-ping control)減振器的研究[5-7].而剛度調節(jié)方面的研究卻很少，僅能實現(xiàn)阻尼單一調節(jié)的半主動空氣懸架對懸架特性的改善，且改善空間有限.可變阻尼和可變剛度的空氣彈簧液壓減振支柱是汽車減振器發(fā)展的一個必然趨勢，因此，附加氣室調節(jié)剛度的空氣懸架引起了廣大科技人員的重視[8-10].帶附加氣室可調空氣懸架通過電磁閥開啟和關閉方式選擇與不同容積的附加氣室連通，從而達到調節(jié)懸架系統(tǒng)剛度的目的.M.M.MOHEYELDEIN等[11]建立動態(tài)空氣彈簧模型，將帶附加氣室空氣懸架的行駛性能與被動懸架相比，仿真結果表明：車輛行駛性能得到顯著提高，比被動懸架具有更好的舒適性和操縱穩(wěn)定性.李仲興等[12]對帶附加氣室空氣彈簧的附加氣室容積和減振器阻尼系數進行優(yōu)化，根據路面等級對附加氣室的容積進行分級控制.帶附加氣室空氣懸架的剛度調節(jié)方式都是分級調控，還有待改進.因此，如何實現(xiàn)懸架剛度和阻尼無級調控提升汽車的行駛平順性及其適應路面時變的能力需要進一步研究.

為了解決上述問題，筆者結合磁流變彈性體(magnetorheological elastomet,MRE)變剛度特性，提出基于磁流變材料的新型一體式減振支柱.MRE響應迅速，在外加磁場作用下剛度性能可快速發(fā)生變化且可逆，在隔振領域獲得廣大關注[13-14].目前MRE材料已成功應用于減振器設計中[15].因此，本研究以實現(xiàn)剛度和阻尼無級調控為目的，在已有減振支柱基礎上進行改進，以基于磁流變材料的新型減振支柱作為解決方案，并試制新型減振支柱，進行臺架試驗，將試驗結果與仿真結果進行對比，驗證方案的可行性以及數學模型的正確性.

1 新型減振支柱結構和工作原理

在已有的膜式空氣彈簧與可變阻尼減振器組成的減振支柱基礎上，結合磁流變材料的特點，設計了一種新型懸架減振支柱,其結構組成如圖1所示.上蓋板、MRE氣囊與活塞包圍的空間構成膜式空氣彈簧主氣室，活塞1與油缸筒焊接為一體作為阻尼器外筒，阻尼器外筒同時充當空氣彈簧的活塞.勵磁線圈和導磁件給MRE氣囊提供外部磁場.油缸筒、活塞2、浮動活塞、勵磁線圈和磁流變液體組成可變阻尼減振器，浮動活塞將油缸筒內的液壓油與空氣隔開，并與支承座及油缸筒構成浮動氣室.

圖1 新型減振支柱的結構組成示意圖

減振支柱可分為彈簧單元和減振器單元.彈簧單元中包含了空氣壓縮后產生的不可控剛度和MRE不同磁場下可控剛度，主氣室內的空氣壓縮后具有彈性，有承重作用，為懸架剛度的主要來源，MRE在其中起到輔助作用，可根據路面等級等行駛工況動態(tài)調節(jié)懸架剛度，快速緩解路面激勵對車輛的影響.當減振支柱壓縮或拉伸時，空氣彈簧活塞做往復運動，導致兩導磁板相對運動，此時MRE處于剪切狀態(tài)，改變穿過MRE的外加磁場磁感應強度大小即可改變剛度大小.新型減振支柱調控剛度方法簡便，只需改變通入勵磁線圈中電流大小即可控制MRE剛度變化，最終導致懸架系統(tǒng)的剛度發(fā)生變化，從而起到緩沖振動作用.減振器單元為磁流變阻尼器.

2 新型減振支柱數學模型建立

2.1 剛度特性建模

空氣彈簧彈性力為

F=(p-pa)Ae=peAe，

(1)

式中：p為氣囊內氣體絕對壓力；pa為大氣壓力；Ae為空氣彈簧有效截面積；pe為氣囊內氣體相對壓力.

空氣彈簧剛度ka定義為彈性力對空氣彈簧垂直位移s的導數.所以空氣彈簧的剛度可通過空氣彈性力F直接對空氣彈簧的垂直位移求導得到，即

(2)

氣囊內氣體變化滿足氣體狀態(tài)方程：

pVn=const，

(3)

式中：V為空氣彈簧氣囊容積；n為氣體多變指數；const為常數.

將式(3)兩邊分別對s求導可得

(4)

氣囊內氣體相對壓力對s求導可得

(5)

式中：負號表示壓力變化趨勢與體積變化趨勢相反，計算剛度時取絕對值.

將式(5)取絕對值代入式(2)可得

(6)

而對于活塞座為圓柱形的膜式空氣彈簧，其有效面積在工作行程內的變化可以忽略不計，因此，空氣彈簧剛度可進一步簡化為

(7)

空氣彈簧氣囊內體積為

V=V0-ax，

(8)

式中：V0為空氣彈簧初始體積；a為體積變化率；x為空氣彈簧行程.

空氣彈簧氣囊內氣體絕對壓力為

(9)

式中：p0為空氣彈簧氣囊內初始氣壓.

將式(2)、(8)代入式(7)可得

(10)

MRE氣囊的剛度為

(11)

(12)

式中：G為MRE等效剪切模量;A為有效接觸面積；h為MRE薄片厚度；G0為初始剪切模量；φ為羰基鐵粉的體積分數;μ0為真空磁導率;μ1為硅橡膠的相對磁導率;H0為磁場強度；r為羰基鐵粉平均顆粒半徑;d為鐵粉顆粒之間的距離；ξ為磁性顆粒飽和度；μp為鐵粉顆粒的相對磁導率.

彈簧單元總的彈性力為

(13)

2.2 阻尼特性建模

采用多項式模型建立磁流變阻尼器數學模型，將阻尼力的磁滯回線分為上下2部分，其中上半環(huán)活塞的加速度為負，下半環(huán)活塞的加速度為正，如圖2所示.其中：v為活塞速度；I為勵磁線圈的控制電流.

圖2 多項式模型結構示意圖

多項式建模需要獲得磁流變阻尼器的速度-力特性，根據試驗數據擬合得到上下支特性曲線的多項式.阻尼力Fd擬合多項式為

(14)

式中：ai為多項式的系數，與輸入電流有關；i為多項式項數；m為階數，其取決于滯后環(huán)的形狀和所要求的精度.

試驗表明：階數m至少為5才能較好地擬合磁流變減振器的非線性滯回特性.系數ai和相應的輸入電流成近似線性關系：

ai=bi+ciI,i=0,1,…，m，

(15)

式中：bi和ci為系數.

將式(15)代入(14)可得

(16)

由式(16)可得

(17)

3 剛度特性及阻尼特性測試

使用INSTRON8800單通道電液伺服試驗臺驗證樣機的性能，減振支柱臺架試驗系統(tǒng)如圖3所示，通過專用夾具將試驗樣件的上端固定于臺架橫梁上，下端固定于激振臺上.激振系統(tǒng)具體工作原理如圖4所示.減振支柱安裝到試驗臺架上后，調整激振臺位置，將其初始位置設置為平衡位置，初始時刻活塞位于減振器工作行程的中間位置，下端開始做簡諧波運動，減振支柱受到相應的激勵做拉伸與壓縮運動.

圖3 減振支柱臺架試驗系統(tǒng)

圖4 激振系統(tǒng)工作原理

3.1 剛度特性測試

剛度特性試驗中，采用頻率為0.100 Hz，振幅為40 mm的正弦信號，不通入電流，在空氣彈簧初始氣壓分別為0.3、0.4、0.5 MPa時，得到空氣彈簧彈性力與行程的關系，并將試驗結果與仿真結果進行對比，如圖5所示.保持空氣彈簧初始氣壓為0.3 MPa,采用相同正弦信號，分別通入電流0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 A，得到MRE的彈性力Fm與電流關系，如圖6所示.

圖5 空氣彈簧彈性力仿真與試驗結果對比

圖6 MRE彈性力與電流關系曲線

從圖5、6可以看出：仿真結果與試驗結果基本一致，有良好的變剛度性能，MRE隨電流變化而變化明顯，剛度調節(jié)效果明顯.

3.2 阻尼特性測試

根據QC/T 545—1999《汽車筒式減振器臺架試驗方法》規(guī)定進行阻尼特性測試，試驗中，排出空氣彈簧內氣體，采用輸入頻率分別為0.207、0.521、1.024、1.564、2.085 Hz，振幅為40 mm的正弦信號，阻尼器勵磁線圈控制電流分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 A，根據試驗結果對多項式模型進行參數辨識.為了使得擬合效果更為精確，采用多項式函數進行擬合，擬合函數為

(18)

擬合得到多項式系數ai與電流的關系如圖7所示，其中：a0-a7是加速度為正時的系數；a0′-a7′是加速度為負時的系數.根據擬合方程得到上支和下支系數的值如表1所示，其中：b0-b7、c0-c7是加速度為正時的系數；b0′-b7′、c0′-c7′是加速度為負時的系數.

表1 多項式系數bi和ci取值

圖7 系數ai與電流關系曲線

根據磁流變阻尼器不同輸入電流，不同振動頻率的特性曲線，選取振幅為 40 mm、頻率為1.024 Hz正弦輸入信號，在輸入電流為1.0 A的工況下，將阻尼力、速度的試驗值與仿真結果進行比較，結果如圖8所示.磁流變多項式模型較好反映了阻尼力-速度關系，模型擬合結果與試驗結果吻合較好，驗證了試驗模型的正確性.

圖8 阻尼特性曲線

4 結 論

利用磁流變材料特性，提出一種在傳統(tǒng)一體式懸架減振支柱基礎上改進的新型減振支柱，實現(xiàn)了剛度和阻尼的無級調控.制作樣機并進行了試驗，將試驗結果與仿真結果進行了對比分析，結果表明新型減振支柱有良好的減振性能，調控方面較優(yōu)越.