汽車動力總成磁流變懸置研究綜述

付江華,尹亞坤,蘇錦濤,陳 明,陳哲明,陳 寶

(1.重慶理工大學 車輛工程學院,重慶 400054;2.重慶理工大學 車輛NVH技術研究所,重慶 400054;3.吉林大學 博士后流動站,長春 130012;4.重慶賽寶工業(yè)技術研究院有限公司,重慶 401332)

0 引言

磁流變液作為一種智能材料,由磁性顆粒和絕緣載液構成,其流變特性可通過外加磁場實現急劇改變,且連續(xù)可逆[1]。由于磁流變液的流變特性,使磁流變液器件在汽車、軍事、建筑和醫(yī)療等領域的振動控制中得到應用[2-5]。

用于汽車動力總成的磁流變懸置是較為流行的磁流變器件之一。一般來說,汽車動力總成懸置系統可分為3類：被動懸置系統、半主動懸置系統和主動懸置系統。被動懸置在工作中無法改變剛度和阻尼,由于結構簡單、制造成本低、便于維修,是目前車輛中應用最為廣泛的懸置,但其隔振性能有一定的不足,其中被動液壓懸置和橡膠懸置是2種最為常見的被動懸置[6-7]。半主動懸置與被動懸置相比,剛度和阻尼可控,應用于現代中高級轎車上,可以較好地滿足乘車舒適性的要求。與主動懸置相比,半主動懸置隔振思路是根據車輛工作狀況,實時調節(jié)自身剛度和阻尼來達到最佳的隔振效果;主動懸置通過作動器主動產生動態(tài)力,與激振源產生的振動相抵消,從而消除振源振動向車內的傳遞。半主動懸置按結構和性能分為電磁可調式半主動懸置、真空可調式半主動懸置、磁流變半主動懸置、電流變半主動懸置[8-12]。主動懸置一般由被動懸置、傳感器、控制器和作動器組成,但因結構復雜、制造成本高,目前只在少數高檔轎車上使用,其類型按作動器可以分為壓電式主動懸置、電磁式主動懸置、電致伸縮式主動懸置和氣動式主動懸置[13-16]。

磁流變懸置作為一種半主動懸置,其剛度和阻尼可調控、響應迅速、所需能耗低,能夠很大程度上實現寬頻隔振,減少高速行駛時車內的振動、降低車輛噪聲、提高車輛乘坐的舒適性,是汽車動力總成系統主動隔振的重要發(fā)展方向之一[17]。因此,為保證磁流變懸置發(fā)揮最大的隔振性能,諸多專家學者對其結構和控制算法進行了設計優(yōu)化。其中,Lin等[18]設計了一種可控多通道磁流變懸置,其可調的動態(tài)剛度和阻尼能夠滿足寬頻隔振要求。Deng等[19]提出一種基于整車隔振控制的磁流變懸置多目標優(yōu)化方法,優(yōu)化后懸置在啟停和勻速工況下隔振性能得到提高。Seyed等[20]設計了一種磁流變懸置的PID控制器,運用該控制器的懸置在共振處和寬頻處的振動傳遞率都下降50%左右。Aziz等[21]針對磁流變減振器的工作原理、結構設計、模型分析、工程運用和實驗分析進行了詳細介紹,并對比論證了旁路式減振器在阻尼力和可控性上更具有獨特的優(yōu)勢。

本文中綜述了近年來磁流變懸置在結構、控制算法、仿真分析方法3個方面的研究進展,指出了當前研究所存在的不足。其中,在結構方面,單一模式磁流變懸置的隔振性能遠不如混合模式,但在目前的研究中仍以單一為主,缺少實車驗證;在控制算法方面,由于國內相關研究起步較晚,其效果還存在一定的不足,多種算法聯合控制才剛剛起步,雖控制效果較好,但研究相對較少;在仿真分析方面,鍵合圖理論和有限元仿真應用較多,前者需建造復雜的數學模型,后者分析雖簡單直觀,但耗時較長,且缺少溫度場的影響。最后,根據目前研究中存在的不足,展望了磁流變懸置研究的未來發(fā)展方向。

1 磁流變懸置結構設計及其優(yōu)化

相關專家學者在研究動力總成懸置系統時,針對磁流變懸置的結構設計及其優(yōu)化進行了深入研究。從結構類型、結構設計和結構優(yōu)化3個方面概述了當前磁流變懸置的研究現狀,并對比分析了不同結構下磁流變懸置的性能特點,及其結構優(yōu)化對隔振性能的影響。

1.1 磁流變懸置結構類型

磁流變懸置隔振性能主要通過剛度和阻尼的調節(jié)來實現,其原理是改變外加電流的大小,使懸置內部磁場發(fā)生變化,磁流變液受其磁場的作用,內部磁極粒子沿磁場方向運動,逐漸形成鏈狀結構,如圖1所示,在鏈化過程中,體積形態(tài)發(fā)生了由液體到固體的轉變,從而改變磁流變液的粘度,增大內部阻尼力,最終達到動剛度調節(jié)的目的[22]。

圖1 磁流變效應

目前常見的磁流變懸置工作模式分為單一模式和混合模式,其中單一模式可分為流動、擠壓和剪切,不同模式下的磁流變懸置優(yōu)缺點不盡相同。在工程應用時選擇結構合適的懸置,以達到理想的減振效果。其中,流動模式具有結構簡單、可靠性高、輸出阻尼大等優(yōu)點,但阻尼通道結構會使磁感應強度過早飽和,導致磁流變性能無法得到充分利用[23]。擠壓模式具有結構緊湊、壓力差高、阻尼力大、可移植、能耗低等特點,適用于高頻小振幅的工況,在較大的激振力下,仍保持較好的隔振效果[24]。剪切模式可以在磁感應強度較小的情況下對動剛度進行小范圍調控,在小范圍激振情況下較為實用,因而多應用在離合器和制動器上[25]。圖2為常見的單一模式磁流變液的工作類型。

圖2 磁流變液工作模式

混合模式綜合了2種單一模式,并發(fā)揮2種工作模式的優(yōu)點。常見的混合模式有流動-剪切混合式[26]、流動-擠壓混合式[27]、擠壓-剪切混合式等。圖3為擠壓-剪切混合模式磁流變懸置磁路結構[28]。

圖3 擠壓-剪切混合模式磁流變懸置磁路結構

1.2 磁流變懸置結構設計研究

磁流變懸置根據工作模式可以劃分為流動、擠壓、剪切和混合模式,不同工作模式的磁流變懸置內部結構也不相同。為了更有效地隔離車身與動力總成的振動傳遞,諸多專家學者對磁流變懸置的結構類型進行了發(fā)明設計。

Wereley等[29]從理論上分析了轉盤式磁流變減振器(如圖4所示),并將其與線性結構和轉鼓式結構進行了對比,論證了本構模型對剪切型MRF減振器的影響。廖昌榮等[30]設計了一種基于圓盤擠壓式的磁流變液阻尼器,對該阻尼器性能進行了理論推導和實驗驗證。

圖4 盤式磁流變減振器

Goncalves等[31]設計了一種梯度箍縮結構的磁流變液閥(如圖5所示),該閥不僅可以提高磁流變液在通道中粘性流量利用率,還可以在同等電流激勵下產生更大的磁場強度。蔡強等[32]設計了一種與梯形結構相似的錐形阻尼通道結構的磁流變懸置。該結構與傳統徑向阻尼通道相比,其通道內磁感應強度飽和點有所提升。

圖5 梯度箍縮結構磁芯示意圖

Nguyen等[33]提出了一種混合模式的磁流變懸置。該懸置綜合了流動和擠壓2種懸置的結構特點,其動態(tài)剛度具有很寬的變化范圍。Chung等[34]設計了一種帶傾斜角度的磁流變懸置(如圖6所示)。該結構能夠減少“液鎖”現象,同時可以提高懸置的阻尼力和力比。

圖6 具有傾斜角度的磁流變懸置結構示意圖

通過對磁流變懸置結構設計研究可知,單一模式的磁流變懸置在可控性和阻尼力上存在不足,而混合模式的磁流變懸置可控性和阻尼力比較完善,但因結構復雜,導致耗能和制造成本升高。因此,還需在懸置結構上進行設計優(yōu)化,來彌補磁流變懸置現有不足。

1.3 結構優(yōu)化研究

磁流變懸置的結構優(yōu)化設計?；谀撤N特定的模式,從磁流變液流向、慣性通道數量、阻尼通道結構和磁路結構著手,以已掌握的懸置類型為基礎,確定優(yōu)化目標參數,并根據力學理論等確定設計參數。

Nguyen等[35]對一種流動模式下的磁流變懸置進行結構優(yōu)化,通過有限元分析對優(yōu)化后懸置進行性能評價。結果表明,優(yōu)化后的懸置阻尼力得到了提高。Jeong等[36]提出一種基于磁流變彈性體的變剛度差動安裝件,采用響應面法對磁流變彈性體的幾何結構進行優(yōu)化,以達到目標剛度水平。Phu等[37]運用ANSYS APDL對所設計的磁流變懸置進行磁路結構優(yōu)化,使懸置的隔振效果達到最優(yōu)。為了較好地控制外加磁場,Yang等[38]對磁場強度進行了分析,運用仿真軟件對磁路結構進行優(yōu)化。優(yōu)化后的結構如圖7所示。驗證結果表明,該懸置在高頻振動和低頻振動時的控制性能得到改善。

圖7 優(yōu)化設計后磁流變懸置結構示意圖

鄧召學等[39]對磁流變懸置橡膠主簧、流動阻尼通道進行初步的結構設計,建立了多目標優(yōu)化數學模型,將所設計懸置的磁路優(yōu)化流程用框圖表示,并基于模糊集合理論對多目標優(yōu)化的Pareto集進行選優(yōu)。基于ISIGHT和Matlab聯合仿真優(yōu)化平臺,Li等[40]對磁流變液壓閥的結構進行了優(yōu)化。實驗驗證,優(yōu)化后的液壓閥能產生更大的阻尼力。

通過對比分析,結構優(yōu)化后的懸置在阻尼力和隔振性能方面都得到了大幅度的提升,但目前針對結構優(yōu)化設計,以磁流變懸置單體結構優(yōu)化為主的較多,優(yōu)化目標比較單一,不太符合實際情況。未來針對磁流變懸置結構優(yōu)化設計可以重點放在基于整車隔振控制方面進行研究,從而提升整車的隔振性能。

2 磁流變懸置控制算法及其優(yōu)化

動力總成懸置控制算法直接關系到懸置系統的響應速度和隔振性能,因此,在設計懸置系統時往往要考慮控制算法。磁流變懸置具有不確定性和非線性,所以在控制算法使用及優(yōu)化上,需進一步深入研究。

2.1 磁流變懸置控制算法研究

磁流變懸置作為一種半主動懸置,可以實時調節(jié)阻尼和剛度,通過電子控制單元實時監(jiān)測動力總成系統的工作狀態(tài)及激振強度,把相關數據傳給處理器,計算最佳剛度和阻尼,以此來調節(jié)磁流變懸置的剛度和阻尼,而磁流變懸置控制算法的使用就是這一流程中的關鍵技術。圖8為磁流變懸置控制系統示意圖,其中應用較多的控制算法有天棚、模糊、最優(yōu)、自適應、神經網絡等[41]。

圖8 磁流變懸置控制系統示意圖

天棚控制是由美國學者Karnopp D C提出的,是(半)主動懸架的經典控制方法[42]。其原理簡單,易于實現,根據懸置相對運動速度的方向,便可對懸置實施阻尼力的調節(jié)與控制。Choi等[43]在對發(fā)動機懸置控制上,提出了一種單自由度天棚控制器。

模糊控制不用對被控對象建立精準的數學模型,便可實現較好的控制。劉會兵等[44]基于磁流變懸置提出了一種模糊控制系統,并進行了實驗驗證。針對發(fā)動機半主動懸置控制系統,高樂[45]提出了一種模糊控制器,并驗證了該控制器有提高懸置隔振性能的能力。

最優(yōu)控制是在給定約束條件下,從眾多滿足約束條件的控制策略中,選擇一種最佳的控制策略。郝志勇等[46]通過研究發(fā)動機振動控制系統,推導出全狀態(tài)最優(yōu)控制規(guī)律和部分狀態(tài)次最優(yōu)控制規(guī)律。薛兵[47]設計了一種能夠提高磁流變減振器隔振性能的H2最優(yōu)控制器。

自適應控制主要應用在不確定受控制對象結構參數的隔振系統,將期望值與實際值進行比較,不斷調節(jié)控制器參數,以達到最優(yōu)控制。馬寶山等[48]對自適應LMS算法應用到懸架的隔振系統做了相關研究。

神經網絡控制是目前應用較為廣泛的控制算法,其魯棒性和自適應能力強,所以常用來描述復雜的非線性系統。Fadly等[49]設計了一種可以主動隔離發(fā)動機振動的神經網絡控制器。根據神經網絡原理,段偉建[50]基于磁流變懸置設計了一種神經網絡PID控制器。與傳統PID控制器相比,其控制效果更優(yōu)。

通過研究對比,每個控制算法都有各自的特點,但在多目標控制上,單一控制算法仍存在不足。為了達到更好的控制效果,可以采用多種算法聯合控制或在原有控制算法上進行優(yōu)化改進。其中,回學文[51]設計了一種天棚-PID聯合控制算法,此控制算法彌補了天棚控制的不足。孟建軍等[52]提出了一種模糊PID復合控制方法,采用該方法的磁流變減振器能有效提高乘客的乘坐舒適性。范偉[53]設計了一種LQR最優(yōu)控制器,該控制器可以實現不同頻率間的高效隔振。

2.2 磁流變懸置控制算法優(yōu)化研究

隨著人們對控制效果的要求不斷提高,傳統控制算法已經無法滿足人們的需求,所以國內外專家學者對控制算法進行優(yōu)化研究成為了當下研究熱點。磁流變懸置的阻尼和剛度連續(xù)可調,而PID控制算法(如圖9所示)具有魯棒性強、適應性廣、可靠性高等優(yōu)點,更適合磁流變懸置控制策略設計,但是單一PID控制也有一定的不足之處,對此,國內外學者對應用于磁流變懸置的PID算法展開了一系列優(yōu)化研究[54]。

圖9 磁流變懸置PID控制原理示意圖

在磁流變懸置剛性控制方法上,王欽[55]對PID控制算法做了研究。研究結果表明,單一PID控制簡單,難以滿足寬頻調節(jié)需求。楊玉平[56]設計了原始果蠅優(yōu)化PID控制算法和改進果蠅優(yōu)化PID控制算法,仿真對比了2種優(yōu)化算法的控制效果。Talib等[57]采用高級螢火蟲算法和粒子群算法對PID控制器進行優(yōu)化設計。在提高磁流變懸置隔振性能中,申玉瑞等[58]提出一種改進果蠅優(yōu)化算法的PID控制算法,并驗證了該優(yōu)化算法的控制效果。潘道遠等[59]為驗證SOA優(yōu)化PID控制系統的實際效果,將其與傳統PID控制進行了隔振對比。結果發(fā)現,基于SOA優(yōu)化的PID控制的懸置系統在隔振效果上好于傳統PID控制的懸置系統。

通過上述研究發(fā)現,PID控制算法是應用較為廣泛的磁流變懸置控制算法。單一PID控制算法雖結構簡單,但是難以滿足控制要求,無法迅速提供較大阻尼力,且控制精度不高。因此,專家學者在此基礎上針對PID控制算法進行了不同類型的優(yōu)化設計,優(yōu)化后的PID控制算法響應速度更快,應用優(yōu)化PID控制算法的懸置隔振性能更優(yōu)。

3 磁流變懸置性能仿真分析方法

磁流變懸置在以整車隔振為基礎的優(yōu)化設計中,涉及到多能量隔振域,而各能量域之間的能量傳遞可通過鍵合圖理論進行描述,懸置系統的動特性便由此體現。磁流變懸置在單體優(yōu)化分析時,采用有限元仿真分析法對模型進行仿真分析,不需要對復雜的數學模型求解分析便可得到高精度的分析結果。

3.1 鍵合圖理論分析法

通過建立磁流變懸置動特性仿真分析模型,是磁流變懸置基于整車模型結構優(yōu)化設計的前提條件。懸置結構參數用動特性模型代替,并與整車NVH性能結合在一起,形成一種基于整車振動控制的關聯模型。通過鍵合圖理論建立鍵合圖模型對懸置進行動特性分析,而鍵合圖的基本原則是能量守恒,用特定的符號和連接方式表示系統,即建立系統鍵合圖模型,如圖10所示[60]。

圖10 鍵合圖模型

鍵合圖模型能夠直觀地了解到系統的動特性,其中X(t)為發(fā)動機位移,Ap為橡膠主簧等效面積,Br為橡膠主簧阻尼系數,Kr為橡膠主簧剛度參數,C為懸置模型體積剛度,Im為慣性通道液感,Rm為慣性通道液阻,Id為解耦通道液感,Rd為液體流經解耦盤的阻尼[60-61]。一些研究人員將鍵合圖理論與實驗結合在一起,對懸置的結構性能進行仿真實驗綜合分析。該分析不僅可以提供動態(tài)特性仿真參考,還能夠驗證鍵合圖理論在動態(tài)特性仿真中的可信性[62]。

潘公宇等[63]設計了一種新型磁流變懸置。該懸置結構有多個慣性通道。為驗證怠速時的隔振效果,基于鍵合圖理論對懸置進行動特性仿真實驗。結果表明,在怠速工況下,發(fā)動機使用多慣性通道的磁流變懸置可以達到更好的隔振效果。蘇錦濤等[61]建立了懸置集總參數模型,利用鍵合圖理論,考慮磁流變液的相關性質,推導出懸置動力學方程,并進行了動態(tài)特性研究。

通過上述對比研究發(fā)現,運用鍵合圖理論分析法,能夠更加方便快捷地了解系統動特性,有助于相關研究人員進行后續(xù)研究工作。

3.2 有限元仿真分析法

有限元仿真分析法是使用較為普遍的分析方法,分析過程可以概括為3個階段：前處理、計算和后處理。前處理階段主要指模型的建立,包括網格的劃分、材料屬性的定義、分析步的設置、載荷和約束的施加;計算階段主要針對前處理階段提交的分析任務進行計算,該階段因運算量較大,對計算機性能有一定的要求;后處理階段主要進行計算結果的分析和處理,為后期性能設計和結構優(yōu)化提供合理依據。

利用有限元分析法可對磁流變懸置的模態(tài)、剛度、疲勞、流固耦合等特性進行仿真分析,這里重點闡述磁流變懸置的靜動剛度特性。建立磁流變懸置有限元模型,如圖11所示,其中建立固體模型主要包括定義橡膠材料屬性、添加約束、施加載荷、定義流固耦合邊界等步驟;建立液體模型,主要包括定義液體材料屬性、添加邊界條件等。對固液模型進行有限元仿真分析,便可獲得懸置靜剛度、動剛度曲線等。

圖11 磁流變懸置有限元模型

袁杰[64]通過建立磁流變懸置有限元模型,對懸置進行磁流固多場仿真分析,對比有無磁場下磁流變懸置的動剛度和滯后角曲線的變化趨勢,得出磁流變懸置的相關結構參數對隔振性能的影響規(guī)律。王鶴飛[65]運用有限元分析法對懸置靜動剛度性能進行了仿真分析,結合分析結果,對懸置結構進行了優(yōu)化設計,并通過臺架試驗對仿真進行了驗證,但仿真缺少了溫度場的影響。

運用有限元仿真分析法,不僅可以減少對復雜數學模型的使用,還能節(jié)省不必要實驗所造成的成本損失,同時分析結果更加形象直觀,為懸置的設計優(yōu)化提供了依據,但分析復雜模型性能時,其分析時間較長,對計算機配置要求較高,與實驗相比可能存在一定的誤差。

綜上所述,鍵合圖理論分析法和有限元仿真分析法各有優(yōu)缺點,具體情況如表1所示。

表1 鍵合圖理論分析法和有限元仿真分析法對比

4 總結與展望

4.1 總結

從磁流變懸置的結構設計、控制算法和性能仿真分析方法3個方面對汽車動力總成懸置系統的隔振性能進行了綜述,得出以下幾點結論：

1) 混合模式磁流變懸置與單一模式相比,能夠更好地實現寬頻隔振,且阻尼和剛度調節(jié)范圍較大,但在能源消耗和制造成本方面有一定的不足。目前,在結構設計研究中,仍以單一模式磁流變液懸置為主,但其隔振性能方面遠不如混合模式。綜合來看,混合模式磁流變懸置,剛度能在更大范圍內進行調節(jié),從而適應更多復雜工況的隔振需求。

2) 磁流變懸置選用時滯性好、可工程應用的控制算法可以大幅度提高響應速度,而目前常用的控制算法有天棚、模糊、神經網絡、自適應、最優(yōu)、PID等。單一的天棚、模糊等控制算法雖原理簡單,但存在一定的局限性,無法達到理想的控制效果。在響應速度可接受范圍內,多個單一算法形成的復合控制算法,有較好的控制效果。在磁流變懸置控制方面主要以仿真為主,實驗驗證較少,離實際工程化應用還有一定的距離。

3) 磁流變懸置力學特性分析比較適合使用鍵合圖理論分析法和有限元仿真分析法。鍵合圖理論能夠方便快捷地揭示多能量并存的系統動力學特性;有限元仿真分析法應用較為廣泛,分析時無需建立復雜的數學模型,便可得到直觀的分析結果,但通常仿真分析時間較長,仿真的精度還需進一步提高。

4.2 展望

隨著新能源汽車的發(fā)展,磁流變懸置的應用進一步增多。磁流變液懸置今后可從懸置結構的優(yōu)化、控制算法的工程化應用、仿真精度的提升等幾個方面進一步開展研究。

1) 混合模式磁流變懸置結構優(yōu)化設計可從降低制造成本、減少能源消耗、增大懸置剛度可調范圍等幾個方面做進一步研究。由于磁流變懸置造價高,所以常應用在中高檔轎車上,降低其制造成本能將它廣泛應用到更多車型。目前,新能源汽車主要以電能作為動力能源,在一定程度上可以緩解能源消耗。汽車在不同工況下,懸置的振動激勵非常復雜,它對懸置剛度要求完全不同,通過增大懸置剛度可調范圍,能夠滿足汽車在啟停、怠速等各種工況下的隔振要求。

2) 未來可對控制算法的工程化和高效實用方面做進一步研究,將控制算法的響應速度、響應精度、響應穩(wěn)定性作為研究重點。懸置在受到振動激勵時,單一控制算法自身局限性難以滿足使用要求。在滿足響應速度、響應精度和響應穩(wěn)定性的前提下,研究和設計由多種算法形成的復合控制算法,可以使懸置迅速并準確隔離振動。當前,各種復合控制算法仍處于仿真階段,較少進行實際效果的驗證,因此,今后實際工程應用中還需做進一步的研究。

3) 磁流變懸置的仿真設計精度能夠直接影響懸置在整車中的工程應用效果,今后可以從仿真設計精度上做進一步的研究。在力學性能仿真分析中,磁流變懸置的建模、材料屬性的準確性、邊界條件和載荷條件的施加均會影響仿真精度,不利于研發(fā)過程中磁流變懸置的設計與匹配。未來可以考慮建立更精確的仿真模型,并考慮多種影響因素,深入研究磁流變懸置的多物理場耦合,從而提升仿真精度。