農用車輛自適應減振座椅懸架設計與仿真

方月

摘要：針對農用車輛座椅結構簡陋和減振效果差的問題，提出了1種基于磁流變阻尼器的自適應減振座椅懸架設計，通過控制器MCU實時處理座椅的加速度信號，再對勵磁線圈的電流大小進行控制，從而實時調節阻尼力的大小，實現對座椅的減振。在磁流變阻尼器的勵磁線圈中通入不同大小的電流，利用壓力機對其進行了拉伸試驗，獲得阻尼力與位移的關系。通過試驗值與理論計算值的比較，驗證了利用控制器控制電流大小可以改變磁流變液的阻尼特性，大大提升了農用車輛座椅的減振效果。

關鍵詞：農用車輛；減振座椅；磁流變阻尼器；懸架；磁路仿真；自適應

中圖分類號： U463.33 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0437-03

受市場需求、作業條件、空間結構和制造成本等因素的限制，國內多數農用車輛以及農用機械設備座椅均采用結構簡陋的懸架或者剛性懸架[1-3]。剛性懸架座椅最為普遍，座椅的底部直接與駕駛室地板相連，二者之間沒有加任何減振裝置，此類座椅的結構簡單，基本沒有減振效果，且制造成本很低。在非公路條件下作業時，車輛的振動基本上是全部直接地傳遞給駕駛員，使駕駛員長時間承受低頻、高強度的乘坐振動，嚴重地損害駕駛員的身心健康，極大地降低農業生產的作業效率[4]。隨著現代化農業的需求和新型懸架生產成本的降低，改善農用車輛座椅懸架的隔振性能勢在必行，很多新技術將應用于農用車輛，如將磁流變阻尼器應用到農用車輛上，使座椅具有減振效果和良好的舒適性，這種座椅可以降低農用車輛振動對駕駛員的直接振動作用，提高駕駛舒適性和操作穩定性。

1 自適應減振座椅懸架

1.1 自適應減振座椅懸架模型

農用車輛自適應減振座椅懸架主要由控制器MCU、磁流變阻尼器c、加速度信號識別電路、稱重傳感器電路、具有阻尼特性的支撐彈簧k等組成，自適應減振座椅懸架模型如圖1所示。座椅上的質量為m1，座椅的基座質量為m2。

自適應減振座椅懸架工作原理為：稱重傳感器檢測座椅以上的質量信息，加速度傳感器檢測座椅的加速度，所采集的信號傳遞給控制器MCU，控制器對有效信號和干擾信號進行處理，計算出系統響應的阻尼值?？刂破鱉CU發出的控制信號，通過功率放大器后調整勵磁線圈中電流的大小變化，使阻尼間隙處的磁流變液中磁感應強度發生改變，迫使磁流變阻尼器產生需要的阻尼力，從而實現對自適應減振座椅懸架的主動控制。

1.2 磁流變阻尼器的工作原理

農用車輛減振座椅懸架的磁流變阻尼器結構設計遵循簡單可靠、成本低、易維修的原則。磁流變阻尼器的工作原理如圖2所示，主要零部件有工作缸、磁流變液、線圈、活塞、活塞桿[5]。

活塞將工作缸分成上腔體、下腔體，腔體內填充磁流變液，線圈纏繞在活塞凹槽中，線圈通過活塞桿的中心孔引出，在線圈中通過不同大小的電流，將會產生相應強度的磁場，磁流變液因為磁場的存在阻尼特性發生改變，活塞桿運動時所受的阻尼力隨之改變，因此，通過調節電流值實現對磁流變阻尼器阻尼力的控制。

設計的自適應減振座椅懸架用磁流變阻尼器工作在剪切、流動2種模式下，故阻尼力F為這2種模式下阻尼力之和[6]，公式如下：

F=6ηlA2pπRh3ν+6ηlApKhIN2hα。（1）

式（1）中：第1項數值與磁流變液的動力黏度有關，Ap=π（4R2-D2）/4，為有效面積環形面積，即活塞的面積減去活塞桿的面積，單位m2；R為活塞半徑，單位m；η為不外加磁場時的零場黏度系數；l為阻尼孔的有效長度，單位m；h為阻尼孔的有效高度，單位m；ν為活塞速度[7]，單位m/s；第2項數值與磁流變液的屈服強度有關，阻尼力大小具有可調節性；K、α是與磁流變液相關的常數；I為線圈通過的控制電流大小，單位A；N為線圈的匝數。由阻尼力F的計算公式可知阻尼力與控制電流之間存在單調遞增的關系，電流大小影響阻尼力中的第2項，調節電流值可以對阻尼力有效控制[8]。

2 雙級線圈磁流變阻尼器磁場仿真

由麥克斯韋電磁場理論可知，利用增大勵磁電流和匝數的方法，可以增加磁路中總磁通量。但是針對磁流變阻尼器給定的勵磁電流和磁阻，若直接采用增加線圈匝數的方法，會導致活塞窗口徑向尺寸增大，從而使活塞整體結構變大。而采用在活塞上纏繞多個勵磁線圈，可以增大磁通量，不但活塞有效長度會增大，而且磁路會變得更加均勻。通過分析ANSYS軟件磁路仿真的結果，可以找出通過上、下線圈電流方向的最優狀態，即為兩級線圈同向電流與反向電流的比較。通過磁場理論計算，當施加電流大小為1.2 A時，磁流變液達到磁場強度飽和，雙級線圈的上線圈匝數100，下線圈匝數100，電流大小為1.2 A。

2.1 磁流變阻尼器磁場仿真

在ANSYS電磁場仿真模塊中建立磁流變阻尼器的二維軸對稱磁路仿真模型，單元類型為PLANE53，網格為四邊形網格。在給定的勵磁線圈單元上施加電流大小為1.2 A電流密度載荷，同時有限元模型的在外圍節點上施加磁力線平行邊界條件，然后進行仿真求解后處理計算。由于磁力線的分布，阻尼孔附近的磁場強度對磁流變液的工作特性影響較大，故仿真結果主要關注磁力線分布特性、阻尼孔附近磁感應強度分布和磁場強度大小。

2.2 雙級線圈反向等值電流仿真

電流反向時磁場強度、磁力線分布如圖3所示。

由圖3可知，阻尼間隙處的磁場強度最大，雙級線圈施加反向電流時，可以很好地體現磁流變液的剪切應力，兩級勵磁線圈方法可以對磁場的優化措施十分有效；而且在阻尼孔間隙處，磁力線不但垂直于活塞運動方向，而且磁力線在間隙處十分密集，磁感應強度在阻尼間隙處最大，這種狀態有利于發揮磁流變液的阻尼特性。

在兩級勵磁線圈中通入反向等值電流時，在活塞與缸壁阻尼孔間隙處磁力線分布密度較大，兩線圈間隙處磁力線互相疊加，很好地發揮了采用兩級線圈增大磁通量的作用。

2.3 雙級線圈同向等值電流仿真

電流同向時磁場強度、磁力線分布如圖4所示。

從圖4可以看出，兩級勵磁線圈施加同向等值電流時，磁感應強度在上下間隙處最大，中部間隙處很小，基本沒有磁感應強度，不如兩級勵磁線圈施加反向電流效果好。從磁力線分布圖可以看出，磁力線在上下間隙處仍很密，中部間隙處沒有磁力線，雙級線圈同向電流不如反向電流磁場分布均勻，不利于磁流變液剪切阻尼特性的發揮。在兩級勵磁線圈中通入同向等值電流，兩級線圈間隙處是相互抵消的，磁力線不通過兩級線圈的間隙處，兩級線圈間隙處沒有磁力線分布，未能充分發揮兩級線圈的作用。

3 磁流變阻尼器試驗驗證

為了驗證基于磁流變阻尼器設計的農用車輛座椅的工作性能，通過拉壓力試驗為磁路結構、減振器的外部結構進行結構優化提供有力的數據依據。

3.1 試驗測試方案

試驗環境溫度為10 ℃，壓力機的工作行程為120 mm，活塞桿的測試速度為0.003 m/s。試驗方向為垂直方向，從磁流變阻尼器的上端開始試驗。將磁流變阻尼器下端固定在壓力機上，設置上端口為運行端口，線圈的引出線與滑動變阻器及直流電源相連接，直流電源經功率放大器與控制器MCU相連接，通過線圈的控制電流值在0～1.2 A之間，依據試驗步驟，同時改變加載電流的大小，運行1次記錄1次數據。

3.2 不同電流時拉伸阻尼力與位移的關系

在進行磁流變阻尼器拉力試驗時，在給定工作電流時，阻尼器產生相應的阻尼力；如果電流過大，不但電子控制裝置容易燒毀，而且磁場很容易飽和，電流與阻尼力不再成線性比例關系。本次試驗電流大小控制在0～1.2 A范圍內，施加電壓為12 V，輸出功率為12 W。分別在控制電流I為0、0.2、0.4、0.6、0.7、1.2 A條件下，對在0～100 mm的范圍內每隔 10 mm的位移S進行磁流變阻尼器產生的拉伸阻尼力測量，結果見表1。

由表1結果可知，在磁流變阻尼器不施加控制電流時，本身具有一定的阻尼力（平均值為130.8 N），這與液壓阻尼器的基本原理符合；當控制電流分別為0.2、0.4、0.6、0.7、1.2 A時，拉伸阻尼力的最大值分別為312、641、608、661、708 N。

3.3 試驗值分析與比較

對磁流變阻尼器進行拉伸試驗時，阻尼力理論計算公式為：

F=3ηl[π（4R2-D2）]24π2Rh3ν+3lπ（4R2-D2）4hτysgn（ν）。（2）

式中：τy=KHα0，K、α是與磁流變液相關的試驗常數，H0為施加的外部磁場強度；其余參數同式（1）。根據阻尼力F計算式，在給定阻尼器的外部結構后，可以看出，速度、剪切屈服應力、磁場強度等參數對阻尼力的大小影響很大。將磁流變阻尼器的結構參數、試驗參數代入阻尼力計算式中，可以得出不同電流條件下阻尼力值，如表2所示。

把理論計算的結果和試驗測到的阻尼力與電流數據關系，利用MATLAB軟件進行數據處理，在同一圖中繪制出阻尼力與電流的關系曲線。從圖5中阻尼力的試驗值與理論值可以看出，控制電流大于0.4A以后，阻尼力增加不明顯。通過理論計算控制電流為1.2A時，磁流變液理論上才能達到飽和，因此，可以得出控制電流為0.4A時，磁流變液遠遠沒有達到飽和磁場強度。這樣應在結構上進行必要的改進，使磁路更好地發揮作用；控制電流為0.4A時，試驗測量值與理論計算值基本符合，但當電流達到0.5A時，阻尼力的試驗值卻沒有0.4A時阻尼力大，試驗與理論值相差較大，這是因為磁流變液的退磁緩慢，此時磁流變液已達到磁場飽和。此外，壓力機的速度比較小也同樣會造成阻尼力的試驗值與理論計算值相差比較大。

4 結論

利用ANSYS對磁流變阻尼器的磁路數值仿真，初步驗證兩級線圈反向電流控制方案的可行性，仿真結果顯示兩級線圈反向電流具有更好的磁場特性。以自適應減振座椅用磁流變阻尼器原理樣機為基礎，在壓力機上測試并驗證其工作性能，測出不同電流條件下，阻尼力與位移的關系，試驗驗證了磁流變阻尼器的阻尼特性。通過控制器MCU實現對阻尼力進行控制，磁流變阻尼器的工作性能與勵磁線圈通過的電流大小和方向、磁流變液自身特性、阻尼器的機械結構直接相關，驗證了設計的磁流變阻尼器的自適應減振座椅能夠大大提升農用車輛座椅的減振效果。

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