磁流變液隔振器結構優化及仿真研究

簡曉春，岳清亞，閔 峰，文竟力，王二紅

(1.重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074；2.重慶鐵馬工業集團軍研所，重慶 400074；3.重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074)

磁流變液(MRF)隔振器是一種新型智能型發動機隔振器，根據汽車運行工況不同，對阻尼力進行實時調整，是一種實現半主動隔振控制的理想元件。其工作原理是通過控制磁場大小，在極短的時間(通常為ms級)內使MRF的狀態在可自由流動的粘滯流體和半固體之間可逆變化，MRF隔振器具有響應敏感、結構簡單、阻尼力較大和可控性能比較強的特點，更為突出的是需要的工作能量較小，一般在50 W左右，工作電壓只需2～25 V[1]。

雖然發動機的激勵有振幅小、寬頻的特點，但MRF隔振器高頻隔振性能很差。因此，在保證隔振器低頻良好隔振性能的同時，提高高頻隔振性能，十分必要。

1 磁流變液隔振器結構優化

1.1 示功特性分析

表1 循環耗散能量 J

評價MRF隔振器性能的一個重要指標是隔振器在一個振動循環中消耗的能量。對磁流變液隔振器施加不同的激勵頻率f和激勵電流I，依次予以加載，并采集隔振器輸出的力和位移信號。經過matlab處理過后，得到MRF隔振器在各工況下示功圖所圍面積，即各工況下的循環耗散能量E(見表1)。

隨著頻率增加，隔振器壓縮行程縮短、MRF流經缸體和擠壓盤的時間縮短，流通面積不可變是隔振器不能適應寬頻隔振的主要原因。因此，要提高MRF隔振器的寬頻隔振能力，應改善隔振器結構，使高頻工況時單個腔內需要交換的MRF體積流量降低，MRF流通面積增大。

1.2 結構優化

優化后的隔振器各部分具體結構如圖1所示。隔振器結構參數如圖 2所示。

圖1 寬頻隔振器結構

改進后的MRF隔振器將中間擠壓盤6與連接桿5分離，并新增加了下腔擠壓盤4和上腔擠壓盤7。上、下腔擠壓盤與連接桿5固接，中間擠壓盤6套在連接桿5上但不固接，并通過彈性元件組3把中間擠壓盤支撐在上、下腔擠壓盤之間，通過調節電流的大小，使勵磁線圈2起到調節MRF隔振器磁場的作用。

為了使MRF隔振器的阻尼達到最大，需確定改進后的MRF隔振器的各參數。

1)彈簧剛度K

將可以調節的庫侖力與不可調節阻力之比稱為可調倍數β，計算式為

(1)

圖2 隔振器結構參數

式中 F0為激振力;F1為粘滯阻尼力;F2為MRF慣性力;F3為磁流變效應力;F4為初始力;ρ為MRF密度;α為材料系數;NI為磁動勢; η為MRF粘度;hg為高頻振動位移;hd為低頻振動位移;x為振動位移;Fg為高頻阻尼力; Fkg上為高頻上腔彈簧阻力。

上腔擠壓盤向下運動時，在h2足夠大時，彈簧壓縮量主要受上腔擠壓盤位移的影響，由示功特性試驗可知，當隔振器在5 Hz工作時，隔振器位移大，此時Fg=0.5 kN，振動位移x=0.6 mm，隔振器剛度K=33 kN/m。

2)上、下腔擠壓盤半徑r3

3)上腔上間隙 h0

h0對隔振器阻尼力F1有較大影響。如果h0過大，會導致阻尼力過小。在不改變隔振器腔體總高度的情況下，考慮發動機振幅一般小于1 mm[4]，在高頻工作時，兩個新增擠壓盤相對于中間擠壓盤對稱,因此新增擠壓盤在各自獨立腔體內也設計為對稱結構，即h0=h2=h4=h6，h1=h5。

除擠壓盤各尺寸有所變化外，為減少工作量，其它尺寸不變。

2 示功特性仿真及分析

MRF隔振器在低頻工況工作時，其隔振性能較好，而高頻工況工作時性能較差。因此，在低頻時，用優化前MRF隔振器低頻阻尼力模型計算，而高頻工作時則用化優后MRF隔振器高頻阻尼力模型計算。計算模型為

(4)

運用matlab中simulink模塊對改進后隔振器阻尼力進行仿真，并將得出的結果輸出，再用M文件編制相應程序。施加勵磁電流為0，0.5，1.0，1.5 A，頻率40，60，80 Hz對應的振幅分別為0.13，0.08，0.06 mm。對優化前后模型進行比較。

繪制出的仿真結果見圖 3～5。

圖3 頻率為40 Hz、振幅為0.13 mm的仿真結果

圖4 頻率為60 Hz、振幅為0.18 mm的仿真結果

圖5 頻率為80 Hz、振幅為0.06 mm的仿真結果

優化后的MRF隔振器與優化前的MRF隔振器相比，在寬頻時示功圖更為圓潤飽滿，耗散能力得到大幅提升。

3 結語

優化后的MRF隔振器，在結構上增加了上、下腔擠壓盤和彈簧組，不僅滿足了發動機低頻時對大振幅、大阻尼的要求，同時在高頻工作時，增強了MRF的流動性，提高了隔振性能，隔振器耗散能力較強，其寬頻范圍的工作能力得到了顯著提高。

參考文獻：

[1]Takao Ushijima.High Performance Hydraulic Mount for Improving Vehicle Noise and Vibration[C].USA:SAE Paper,1988.

[2]Lee Dug-Young, Wereley Norman M. Analysis of Electro-and Magneto-Rheological Flow Mode Dampers Using Herschel-Bulkley Model[C]// Proceedings of SPIE Smart Structure and Materials Conference. California:Newport Beach,2000:244-255.

[3]Wang Xiao-jie,Gordaninejad Faramarz. Study of Field Controllable Electro-and Magneto-Rheological Fluid Damper in Flow Mode Using Herschel-Bulkley Theory[C]//Proceedings of SPIE Smart Structure and Materials Conference.California:Newport Beach,2000:232-243.

[4]閔峰,孫亮,王利偉,等.擠壓式磁流變阻尼器示功特性[J].重慶理工大學學報,2012,26(6):13-17.