磁流變懸置參數對低頻動特性的影響

吳 群，夏長高

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮江 212000)

由于發動機隔振性能要求的不斷提高，半主動控制懸置已得到廣泛運用。磁流變懸置作為一種新型懸置具有可實時調節、響應快、控制方便的優點。利用磁流變液的可控特性，在磁場作用下可增加黏度，提高懸置阻尼和動特性，從而更好地滿足低頻隔振要求，減小振動傳遞率［1－6］。目前，國外學者對汽車磁流懸置已進行了大量的研究，而國內在磁流變懸置的應用則處在起步階段，關于磁流變懸置參數對其動特性的影響分析涉及較少。本文研究一種被動液壓懸置和磁流變液相結合的磁流變懸置。采用流動模式，通過改變電磁激勵線圈上的電流，提高作用于可控阻尼通道的磁場強度，增加懸置阻尼，從而改善懸置在低頻大振幅工況的動特性［7－11］。針對這一懸置，本文推導了其動剛度和阻尼角的表達式，并研究磁流變懸置主要參數對其動特性的影響。

1 磁流變懸置

本文設計的磁流變懸置的主要組成部分見圖1。橡膠主簧與磁芯內蓋、磁芯外蓋等構成上液室。橡膠底膜、磁芯外座和磁芯內座組成下液室。磁流變液充滿上下液室，通過可控通道或解耦膜在上下液室之間流動。在低頻大振幅激勵下，解耦膜行程受阻，磁流變液只流經可控通道。通過控制電磁激勵線圈上的電流，改變可控通道內的磁場，從而獲得較高阻尼，改善其低頻動態特性。在高頻小振幅激勵下，其機理與被動液壓懸置一致，解耦膜在其平衡位置附近振動，通過對電流的調節可以有效地抑制高頻動態硬化，改善其高頻動態特性。

圖1 磁流變懸置結構簡圖

1.1 磁流變液特性

磁流變液體是磁流變懸置的工作介質，通過改變激勵線圈的電流實現對阻尼力的控制。在零磁場下，磁流變液顆粒雜亂分布;在磁場作用下，磁流變液顆粒沿磁場方向呈線性鏈排列。其剪切屈服強度具有隨磁場強度增大而增大的特點［7－11］。

根據安培環路定理，確定電流與磁流變液剪切屈服應力之間的關系為:

式中:N為線圈匝數;I為所通電流;h為可控通道間隙;H為磁場強度;τy為磁流變液的剪切屈服應力;α和β均為與磁流變液材料有關的常數。

1.2 可控阻尼通道

可控阻尼通道是流動模式磁流變懸置的核心組成部分，其液感和液阻決定了懸置的低頻動態性能。而磁路、線圈匝數和激勵電流大小決定了可控阻尼通道有效磁極部分的磁感應強度，從而調節可控阻尼通道的液阻。

由流體力學可知，可控阻尼通道的液感為

可控阻尼通道的液阻由2部分組成:有效磁極產生的液阻;無效磁極產生的液阻。有效磁極對應通道液體經過的流量為

對應的壓力差為

將式(1)、(2)代入式(5)可得有磁部分液阻為

無磁部分對應通道的液阻為

則可控通道的液阻為

式中:L為可控通道的長度;Ai為可控阻尼通道的橫截面積;l為有磁通道長度;lw為無磁通道長度;w為等效寬度;w'為最大寬度;ρ為磁流變液的密度;η0為零場黏度。

2 磁流變懸置模型建立

運用流體力學的理論，對懸置結構進行簡化，建立液壓懸置的力學模型(圖2)。F(t)為發動機激勵，Kr和Br是橡膠主簧的等效剛度和阻尼，Ap為其等效活塞面積，Ii和Id分別為可控阻尼通道和解耦膜的液感，Ri和Rd分別為可控阻尼通道和解耦膜的液阻，Qi(t)和Qd(t)分別為磁流變液流經可控通道和解耦膜產生的流量，C1和C2分別為上下液室的等效體積柔度，P1(t)和P2(t)分別為上下液室的壓力，X(t)為發動機振動位移激勵，Ft(t)為傳遞到基體的力。

圖2 磁流變懸置力學模型

為研究動特性，基于力學模型建立其數學模型，并作以下假設:磁流變液不可壓縮，各液室內壓力相等，上下液室體積剛度視為線性，僅考慮懸置受垂直方向激勵，忽略溫度對磁流變液密度和黏度的影響。

橡膠主簧受激勵時，上下液室之間產生壓力差，磁流液通過可控阻尼通道流動，通道中液體的運動微分方程為

上下液室中液體的流體力學方程為

解耦膜中液體的運動微分方程為

懸置傳遞給基體的力為

在低頻大振幅作用下，懸置解耦膜固定，液體只流經可控通道，視Qd值為0，Rd趨于無窮大，將式(9)～(13)進行Laplace變換，可求得懸置復剛度為

在高頻小振幅作用下，假設可控通道無流體運動，視 Qi值為0，Ri趨于無窮大，將式(9)～(13)進行Laplace變換，可求得懸置復剛度為

3 磁流變懸置仿真分析

根據磁流變懸置動剛度和阻尼滯后角的表達式(16)、(17)，結合確定的磁流變懸置的主要參數，利用Matlab編程對其動特性進行仿真。

3.1 電流對低頻動特性的影響

根據低頻段動剛度和阻尼滯后角的表達式，以及表1的參數，運用Matlab編程進行仿真，結果見圖3和圖4。

從圖3(a)可以看出:在0～47 Hz內動剛度隨著控制電流的增加而增加，在47 Hz之后動剛度隨電流增加而減小，在20 Hz處動剛度由0 A的400 N/mm增加到1.5 A的620 N/mm，增幅達44%。從圖3(b)可以看出:阻尼滯后角的峰值隨電流的增大而減小，阻尼滯后角峰值對應的頻率也隨電流的增大而減小，磁流變懸置的阻尼滯后角從1.5 A 的 32°增大到 0 A 的 37°，增幅達15.6%。因此，低頻下可以通過增加控制電流來提高懸置動剛度，從而提高懸置系統隔振性能。

表1 磁流變懸置的主要參數

圖3 電流強度對懸置動特性影響

3.2 橡膠主簧等效橫截面積對低頻動特性的影響

在0.5 A電流作用下，在橡膠主簧橫截面積原值上增減10%，通過仿真得出動特性曲線。

圖4 橡膠主簧橫截面積對懸置動特性影響

由圖4可知:橡膠主簧等效面積對懸置動剛度和阻尼角峰值影響很大。由圖4(a)可知:懸置動剛度隨橡膠主簧面積的增大而增大，在20 Hz時動剛度從原基礎的480 N/mm增大到550 N/mm，增幅達14.6%。由圖4(b)可知:懸置阻尼角峰值隨橫截面積的增大而增大，由原基礎的27°增大到31°，增幅達14.8%，且峰值對應頻率隨橡膠主簧面積的增大而減小?？梢?，增大橡膠主簧橫截面積能有效提高懸置隔振性能。

3.3 橡膠主簧剛度對低頻動特性的影響

在0.5 A電流作用下，在橡膠主簧剛度原值上增減10%，通過仿真得出動特性曲線。

從圖5可以看出:動剛度在整個低頻段隨橡膠主簧剛度的增加而增加。由圖5(a)可知:在20 Hz時動剛度從原基礎的460 N/mm增大到500 N/mm，增幅達8.7%。由圖5(b)可知:懸置阻尼角峰值隨橫截面積的增大而增大，由原基礎的27°增大到29°，增幅達7.4%，且峰值對應頻率隨橡膠主簧面積的增大而減小。提高橡膠主簧剛度能改善懸置系統的隔振性能。

圖5 橡膠主簧剛度對懸置動特性影響

3.4 可控阻尼通道間隙對低頻動特性的影響

在0.5 A電流作用下，在可控阻尼通道間隙原值上增減10%，通過仿真得出動特性曲線。

由圖6可知:可控阻尼通道間隙對懸置低頻段動剛度有較大影響。由圖6(a)可知:在3～40 Hz動剛度隨可控通道間隙的減小而明顯增加，最終穩定在650 N/mm處。由圖6(b)可知:阻尼角峰值和峰值對應頻率隨間隙的增大而增大。可見，小間隙通道對提高動剛度有利，但是通道間隙一般在0～2 mm內。

3.5 可控阻尼通道有效長度對低頻動特性的影響

由圖7可知:通道有效長度對懸置低頻動剛度有較大影響，在低頻段動剛度隨通道有效長度的增加而增加，阻尼角峰值和峰值對應的頻率隨間隙的增大而減小?？梢姡m當增加通道有效長度對提高動剛度有利。

圖6 可控阻尼通道間隙對懸置動特性影響

圖7 可控阻尼通道有效長度對懸置動特性影響

3.6 磁流變液密度對低頻動特性的影響

在0.5 A電流作用下，在磁流變液密度原值上增減20%，通過仿真得出動特性曲線。

由圖8可知:磁流變液密度對懸置低頻段動剛度有較大影響。由圖8(a)可知:在12～50 Hz動剛度隨磁流變液密度的增加而明顯增加，在50 Hz處由原來的650 N/mm增大到680 N/mm，增幅達5%。由圖8(b)可知:阻尼角峰值隨密度的增大而增大，峰值對應頻率隨密度的增大而減小。

圖8 磁流變液密度對懸置動特性影響

3.7 磁流變液零場黏度對低頻動特性的影響

在0.5 A電流作用下，在磁流變液零場黏度原值上增減20%，通過仿真得出動特性曲線。

由圖9可知:磁流變液零場黏度對懸置低頻段動剛度有較大影響。由圖9(a)可知:在0～40 Hz動剛度隨磁流變液密度的增加而明顯增加，在20 Hz處動剛度由原來的500 N/mm增大到550 N/mm，增幅達10%。由圖9(b)可知:阻尼角峰值和峰值對應頻率隨零場黏度的增大而減小。

3.8 上液室體積柔度對低頻動特性的影響

在0.5 A電流作用下，在上液室體積柔度原值上增減20%，通過仿真得出動特性曲線。

由圖10可知:上液室體積柔度對懸置低頻段動剛度有較大影響。由圖10(a)可知:在10～50 Hz動剛度隨上液室體積柔度的減小而明顯增大，在20 Hz處動剛度由原來的475 N/mm增大到525 N/mm，增幅達10.5%。由圖10(b)可知:阻尼角峰值和峰值對應頻率隨零場黏度的增大而減小。因此，適當減小上液室柔度能增大動剛度，改善隔振性能。

圖9 磁流變液零場黏度對懸置動特性影響

圖10 上液室體積柔度對懸置動特性影響

4 結論

1)在低頻大振幅振動工況下，電流增大時，磁流變懸置動剛度增大，可以通過控制電流來改變懸置動剛度，從而改善隔振性能。

2)橡膠主簧等效面積和剛度對磁流變懸置動剛度的影響明顯，因此應在結構設計允許的條件下，盡可能地增大橡膠主簧的等效面積。

3)可控阻尼通道結構尺寸對磁流變懸置動剛度有一定的影響，應在不影響通道磁流變液流動的基礎上減小阻尼通道間隙，增大有效長度。

4)磁流變液的性能對懸置動特性也有一定的影響，應選擇大密度、大零場黏度的磁流變液。

5)適當減小磁流變懸置上液室體積柔度，從而增大動剛度，改善磁流變懸置動特性。

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