車用磁流變阻尼懸置器磁場優化及控制研究*

趙志剛，嚴 友

(衢州職業技術學院 機電工程學院，浙江 衢州 324000)

1 前言

許多研究及實驗結果表明，發動機運行產生的二階往復慣性力是汽車振動的主要來源。有效隔離發動機振動到車架的傳遞是提高整車NVH性能提升的關鍵。磁流變液作為新興材料因為其優良的特性越來越多的應用于工程領域［1］。

目前國內外已有許多將磁流變技術和隔振技術結合的研究，市面上也有許多磁流變阻尼減震器。但由于發動機懸置工作環境復雜且安裝空間受限，因此對發動機懸置器的設計有特殊的要求。

筆者在已有磁流變懸置元件的基礎上，對其磁場分布進行優化，并加載天棚控制和模糊控制，以提高懸置器性能使其滿足發動機隔振需求。

2 磁流變阻尼器磁場優化

磁流變阻尼器通過控制直流線圈中的電流，產生可控磁場來改變磁流變液的粘度，使其通過阻尼通道時產生剪切應力［2］。目前大多數磁流變阻尼器的直流線圈都采用徑向布置方式，為了分析徑向繞組式磁流變減震器磁場分布特性，筆者在ANSYS中建立模型，仿真用活塞和缸體的材料為電工純鐵(DT4C)，磁流變液型號選用MRF-01型。

選用電工純鐵因其具有高磁化強度以此提高阻尼器的動力可調范圍，電工純鐵的磁化特性曲線如圖1所示。

圖1 電工純鐵磁化特性曲線

徑向繞組直流線圈的每個線圈繞組的磁力線通過活塞軸、工作缸和阻尼間隙形成了閉合磁回路，因加載異相電流，故2個并聯繞組產生相對磁極形成兩個獨立的回路，這就產生了在阻尼通道的軸向呈現出三段分布磁場的現象，而線圈安裝槽正對的通道沒有磁場。圖2為有限元分析得出的徑向繞組的磁通密度云圖，直流線圈安匝數為2×660。

如圖2所示，在阻尼間隙通道中出現三段式磁場分布，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區域，阻尼通道的其他區域幾乎沒有磁場分布，造成阻尼通道長度的浪費，即有效活塞長度(分布了磁場的活塞長度)縮短。且在阻尼間隙通道的兩端出現了不可控漏磁現象，導致磁流變液進入阻尼間隙通道之前就開始流變反應，使得這一部分的流體狀態變得復雜，很難得到此區域的流體模型而且不利于控制策略的加載。線圈正對處的活塞和缸體內部出現了過飽和現象，磁感強度達到2.36 T，降低了阻尼器的動力可調范圍。

圖2 徑向繞組式MR減震器磁場分析

鑒于此結構的不足，對提出了新線圈布置方案以適應發動機懸置的需求。在保證使用線圈匝數不變的情況下，采用四組扇形軸向繞組直流線圈，沿活塞圓周均勻分布，結構簡圖如圖3所示。

圖3 軸向繞組線圈安裝示意圖

首先，單從所設計的結構特點來看，直流線圈被安裝在活塞內部，相較于之前的徑向繞組結構來說，線圈得到了更多的保護。眾所周知，發動機懸置元件的工作環境很復雜，所受外界干擾很多而且當汽車運行時還需要時時隔離來自發動機的振動，因此結構對線圈加強了保護，在一定程度上提高了懸置元件的使用壽命。在保持線圈安匝數、活塞尺寸以及阻尼通道間隙不變的情況下，利用ANSYS的電磁分析模塊對軸向繞組直流線圈的磁路進行模擬計算，設置分析加載電流2 A，對相鄰線圈繞組加載異相電流，阻尼通道磁力線分布如圖4所示。

從圖4可看出阻尼通道中，磁力線沿活塞圓周分布均勻且平行，在阻尼通道中產生出均布磁場，解決了三段式磁場分布的問題。

圖4 磁感線分布圖

圖5所示為軸向繞組布置式磁流變懸置器在ANSYS中磁場模擬計算的磁場分布云圖。可知，磁場沿活塞圓周均布滿阻尼通道，大大提高了活塞有效長度且阻尼通道中的磁感強度并未達到飽和，也在一定程度上提高了磁流變懸置器的動力可調范圍。

圖5 軸向繞組懸置磁場分布云圖

3 數學模型建立

本文提出的磁流變阻尼懸置器用于發動機隔振，選定的發動機采用三點式懸置安裝方式［3］。為了研究單個懸置器的控制方法和隔振特性，將磁流變懸置物理模型加以簡化得模型簡圖［4］，如圖6所示。

圖6 磁流變懸置模型

式中:FMR(t)為懸置傳給車架的力;Me為單個懸置承載的動力總成質量;Ap為橡膠主簧等效活塞面積;Am為可控通道橫截面積;Ai為慣性通道橫截面積;Kr為橡膠主簧剛度;Cr為橡膠主簧等效阻尼;Ri、Ii為慣性通道部分液體慣性效應、液阻;Rm、Im為磁場可控通道部分液體慣性效應、液阻;C1、C2為上、下液室柔度;P1(t)、P2(t)為某時刻上、下液室壓強;Xe(t)為某時刻發動機位移。其數學模型可表達為如下形式:

式中:V1，V2分別為上下液室的容積:Ii=ρπD1/Ai，Im=2ρl/πD2h;FMR為磁流變懸置器產生的阻尼力;Pm，Pi分別表示可控通道壓強和慣性通道壓強［5］。

根據上式所構建數學模型，在Matlab中搭建帶模糊控制器磁流變懸置系統模型［6］，如圖7所示，圖8為模糊控制器子系統構架圖。

圖7 磁流變懸置器隔振系統模型框圖

圖8 模糊控制器框圖

4 實驗結果

對發動機轉速為750 r/min工況下，即怠速工況，懸置隔振系統進行仿真可得如下結果:圖9為懸置系統加載模糊控制策略前后，車身垂直加速度的變化情況。圖10為加載模糊控制前后，由懸置器傳遞給車架的力。

圖9 加載控制前后車身垂向加速度

圖10 加載控制前后傳遞給車身的力

研究表明，磁流變懸置器在隔離低頻振動的性能較隔離高頻振動時要差，因此就發動機怠速工況下的振動特性進行研究。從圖9、10可以看出，加載模糊控制前后，車身垂向加速度幅值從0.075 m/s2下降至0.055 m/s2，下降了約27.0%;而由懸置器傳遞給車身的力從15 N下降到11 N，下降了26.7%。

5 結論

本文提出了一種新型磁流變阻尼懸置器的設計過程，對磁流變懸置器的直流線圈進行重新安排，新結構磁流變懸置器可以使得線圈在惡劣的工作環境下得到較好的保護，提高懸置的使用壽命。此外，我們還對新型磁流變阻尼懸置器的磁場分布進行了模擬計算，結果表明新型結構磁流變懸置器較傳統磁流變懸置器來說在磁場分布上解決了許多問題，大大提高了其使用性能。最終，加載模糊控制策略驗證本文所設計的磁流變懸置器在隔振性能上有很大的提升。

［1］ 沈志宏，郭福祥.基于能量解耦法的動力總成懸置系統優化設計［J］.噪聲與振動控制，2010(3):35-37.

［2］ 楊超君，陳 瀾.軸向繞組磁流變液阻尼器的磁場特性分析［J］.機械設計，2010，27(5):14-18.

［3］ Ali Hafidi.Vibration reduction on city buses:Determination of optimal position of engine mounts［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2010(2):2198-2209.

［4］ 張 旭.基于免疫進化算法的發動機懸置系統穩健優化［J］.汽車科技，2012(5):10-13.

［5］ 王 峰.汽車動力總成懸置系統振動分析及優化設計［D］.上海:上海交通大學，2008.

［6］ Johnson Stephen，Subhedar Jay.Computer optimization of Engine Mounting systems［C］.SAE paper 790974.