磁流變液的汽車碰撞緩沖吸能裝置設計

趙樹恩，張俊飛，李玉玲,2，林繁國

（1.重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074；2.陜西理工學院 機械工程學院，陜西 漢中 723000；3.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000）

磁流變液的汽車碰撞緩沖吸能裝置設計

趙樹恩1，張俊飛1，李玉玲1,2，林繁國3

（1.重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074；2.陜西理工學院 機械工程學院，陜西 漢中 723000；3.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000）

為了解決目前汽車保險杠剛度不可控、對不同碰撞環境適應性差的問題，針對磁流變液流變特性可控且吸能量大的特點，設計出阻尼力可控的保險杠緩沖吸能裝置。以最大阻尼力和動態范圍為優化目標，采用Matlab遺傳算法對結構參數進行優化。分別建立裝有傳統吸能式保險杠和裝有磁流變液緩沖吸能裝置的整車碰撞模型，進行碰撞仿真實驗。仿真結果表明：裝有磁流變液緩沖吸能裝置的汽車整車變形和最大碰撞力明顯減小，可以有效減小對人員的傷害，提高汽車的被動安全性。

振動與波；保險杠；磁流變液；緩沖吸能；碰撞

隨著汽車擁有量與保有量的不斷提升，機動車交通事故數量呈逐年遞增的趨勢，汽車碰撞過程中的安全問題和碰撞維修費用越來越受到重視。汽車發生正面碰撞時，保險杠是最先接觸的部件，不僅要避免內侵量過大，減小車輛其他部件的損壞，還要通過吸能裝置的壓潰變形來吸收碰撞能量，避免駕駛艙有過大的變形，其吸能性能對保護乘客安全和減小維修成本至關重要。

國內依據汽車的碰撞特性，從連接方式、吸能部件結構、新型材料及輕量化等方面對提高保險杠的耐撞性進行了大量的研究，取得了大量的研究成果。曾必強等人通過仿真分析對比了汽車保險杠與前縱梁分別采用焊點和阻尼連接時對行人腿部的碰撞情況，結果表明阻尼連接的方式可大幅降低對行人腿部的傷害[1]；清華大學許述財等基于竹材結構設計出的仿生吸能管，提高了薄壁管的吸能特性[2]；吉林大學鄒猛等人基于牛角耐撞性能的結構參數，設計出了具有牛角結構特征的仿生管，有效提升了薄壁管的耐撞性[3]；劉海江等將7075鋁合金應用到保險杠系統中，通過建立模型進行輕量化和碰撞分析，結果表明在滿足碰撞要求的同時保險杠質量下降20.5%[4]。M.M.Davoodi與S.M.Sapuan對汽車保險杠聚合物復合材料吸能件進行了概念設計，并將概念設計模型采用試驗分析證明該方法有效[5]。這些保險杠都是恒定剛度，適應性差，且碰撞一次就要報廢的。磁流變液是一種新型功能材料，具有磁流變效應特性、響應時間短、功耗低、剪切屈服強度大且可控等特點[6]。基于磁流變液技術設計的緩沖吸能裝置可以通過磁場的變化調節阻尼力的大小，實現剛度可調，根據不同情況下的碰撞實現主動控制，且可重復使用，對提高汽車的安全性能具有重要意義。

1 磁流變液緩沖吸能裝置的工作原理及磁路分析

當汽車發生碰撞時，磁流變液緩沖吸能裝置的活塞桿推動活塞運動，磁流變液在活塞與缸體的間隙流動，產生阻尼力。通過控制線圈的電流大小來改變磁場，發生磁流變液效應，實現阻尼力可調的目標。磁流變液緩沖吸能裝置的磁路可以簡化為圖1所示。

圖1 緩沖吸能裝置的磁路簡圖

由圖1可知當活塞線圈通電時，緩沖吸能裝置內將產生磁場，磁路方向可以描述為：磁力線從活塞一端的中心發出，經過磁流變液進入缸體，在缸體內指向活塞的另一端，磁力線在活塞的另一端再經過磁流變液從缸體發出進入活塞中心形成閉合磁力線。

緩沖吸能裝置的磁路可以化簡成由鐵芯組成的環形磁路，如圖2所示。

圖2 緩沖吸能裝置的簡化磁路

圖2中鐵芯的橫截面積為S，激勵電流為I，磁路平均長度為l，激勵線圈的匝數為N，由于鐵芯的內徑和外徑差別不大，可以認為鐵芯內部的磁場強度H處處相等，由安培環路定律得

由上式可推導出鐵芯內的磁場為

根據磁感應強度公式B=μH以及磁通量公式φ= BS，可求出

式中μ為鐵芯的磁導率，μ=μ0μr，μ0為鐵芯材料的真空磁導率，μr為鐵芯材料的相對磁導率。

鐵芯的總磁阻為Rm

那么式（3）也可以寫為

由式（4）可以推導出緩沖吸能裝置四段主要部分的磁阻如下：

活塞與缸體間隙的磁阻R1為

活塞端面的磁阻R2為

活塞中心軸段的磁阻R3為

缸體壁內的磁阻R4為

所以緩沖吸能裝置磁路的總磁阻為

磁流變液緩沖吸能裝置間隙的磁感應強度為

由式(5)、式(11)得緩沖吸能裝置間隙處的磁場強度H0為

2 磁流變液緩沖吸能裝置設計

目前國內將磁流變液應用到汽車保險杠吸能裝置的設計資料較少，在設計磁流變液緩沖吸能裝置部分尺寸時可以參考磁流變液減震器的設計方法。文中參考國內某款汽車模型的有關尺寸以及所對應的碰撞吸能要求進行設計。

2.1 磁流變液緩沖吸能裝置結構方案

由于緩沖吸能裝置的應用背景以及安裝尺寸的要求，采用如圖3所示的單桿單筒式結構。采用波紋管作為補償裝置，其具有一定剛度并且可以保證發生碰撞結束后吸能裝置可以恢復原來形狀。

圖3 磁流變緩沖吸能裝置裝配圖

2.2 材料選擇

活塞、活塞桿和缸體的材料應該在滿足機械性能的同時擁有良好的磁導率。20號低碳鋼不僅擁有良好的磁學性能，還擁有較好的結構強度和機械加工性能[7]。因此采用20號低碳鋼作為活塞、活塞缸和缸體的材料，其磁學性能如表1中。其中μr為相對磁導率，μmax為最大相對磁導率，Bs為飽和磁感應強度，Hc為矯頑力。

表1 20號低碳鋼的磁學性能

磁流變緩沖吸能裝置中的磁流變液選為寧波杉工公司生產的SG-MRF2035型磁流變液，其具體參數如表2[8]。

表2 SG-MRF2035型磁流變液性能參數

SG-MRF2035型磁流變液剪切屈服應力τy與磁通密度B關系式為[9]

2.3 緩沖吸能裝置結構設計

由于緩沖吸能裝置是安裝在保險杠的吸能盒中，在設計緩沖吸能裝置的安裝尺寸時必須參考吸能盒的尺寸。參考所選車型的保險杠設計的吸能盒尺寸為長331 mm、寬87 mm，、高123 mm。

通過對整車質量為1 262 kg的整車模型在50 km/h速度下進行正面仿真碰撞試驗，得到碰撞時間為90 ms。假設碰撞能量全部由緩沖吸能裝置吸收，且不發生二次碰撞，忽略地面摩擦，則由動量定理可得阻尼力為

由能量守恒定律可得緩沖吸能裝置的工作行程為

通過計算得F=194.79 kN，S=625 mm。工作行程已超出了吸能盒的尺寸。由于尺寸的限制，高速碰撞時碰撞能量不可能完全由緩沖吸能裝置吸收。以緩沖吸能裝置吸收汽車低速(10 km/h)碰撞時75%的碰撞能量來設計，通過式(13)和式(14)求出緩沖吸能裝置的最大阻尼力Fmax=29.175 kN，S=125 mm。

參考吸能盒尺寸，緩沖吸能裝置的最大長度為300 mm，缸體外徑取為74 mm，缸體內徑取54 mm。擬設計出汽車在50 km/h的撞擊速度下緩沖吸能裝置產生最大阻尼力為30 kN，動態可調范圍為大于1.3。

磁流變緩沖器阻尼力理論計算采用修正的Bingham模型，最大阻尼力計算公式和動態范圍如下

式中Fs為庫倫阻尼力；Fτ為與屈服應力成正比而與速度無關的庫倫阻尼力；D為動態范圍；Vd為磁流變液流速；AP為活塞截面積；ΔPη為2區域到4區域的壓力損失；ΔPEE為區域1到2和區域4到5的壓力損失；ΔPml為區域2到區域4間的壓力損失；ΔPcoil為區域3內的壓力損失；f和fc為達西摩擦系數；Kentry和Kexit為進出口壓力損失系數，一般為0.5和1[10]。

由式（17）可知當活塞與缸體的間隙h增大，則吸能裝置的阻尼力就會減小，若活塞與缸體的間隙h太小，會增加緩沖器的制造難度。因此，間隙h是一個非常重要的參數，需要在吸能裝置的阻尼力和可調范圍間取得平衡，在設計中間隙h一般取0.5 mm～2 mm[8]，這里我們取間隙h=1.5 mm。

缸體內徑和活塞桿直徑的關系為：d=λD1[11]，單筒式λ一般取為0.3～0.35，這里取為0.35，所以活塞桿直徑為d=λD1=0.35×54 mm=18.9 mm，這里取為整數20 mm。

活塞桿的有效磁極長度根據結構尺寸的大小確定范圍是20 mm至40 mm，初選為30 mm。

因為活塞桿、活塞和缸體采用的是高磁導率材料，其磁阻遠遠小于緩沖吸能裝置間隙的磁阻，在計算總磁阻時可以忽略。總磁阻可用下式計算

將式（19）和磁通量公式φ=BS代入式(5)，可得線圈的匝數計算式

激勵電流I設為3A，帶入參數求得線圈匝數為247.5，取整數248，參考活塞有效長度預估活塞的總長為45 mm。

3 磁流變液緩沖吸能裝置的多目標優化

3.1 磁流變液緩沖吸能裝置的優化模型

圖3中活塞有效長度L1、活塞與缸體的間隙h、線圈的厚度hb和線圈與缸體的距離ha對緩沖器的最大阻尼力和動態范圍有著很大的有影響，要對這幾個參數進行優化。所需優化參數的取值范圍及步長如表3。

表3 優化變量結構參數

受限于裝配尺寸以及實際情況，線圈的厚度hb和線圈與缸體的距離ha、阻尼力Fmax和動態范圍D有以下約束條件

以緩沖吸能裝置的阻尼力和動態范圍最大為優化目標，根據式(15)和式(16)計算，目標函數為

采用Matlab中的多目標遺傳算法對上述多目標優化問題進行求解，參數變量初始值設置為：L1=30 mm，h=1.5 mm，hb=5 mm，ha=4 mm。其他參數：最大代數為150，交叉率為0.8，變異率為0.1，活塞速度為3 m/s，磁流變液密度ρ=3.09 g/ml，電流I=3A。

3.2 優化結果分析

圖4為優化后得到的Pareto前沿解，從圖中可以看到最大阻尼力Fmax和動態范圍D無法同時取得最大值，其中一個目標值的增大必然伴隨另一個目標值的減小。根據最大阻尼力和動態范圍的要求，在Pareto前沿解中選出一組最合適的解，同時擁有大的阻尼力和動態范圍：L1=31 mm，H=1.2 mm，Hb=2 mm，Ha=7 mm，Fmax=30.6 kN，D=1.45。圖5為優化后緩沖吸能裝置磁感應強度分布圖。

圖4 Pareto前沿解

圖5 優化后緩沖吸能裝置磁感應強度分布圖

4 整車碰撞仿真分析

對所參考車型，通過CATIA和Hypermesh等軟件建立裝有傳統吸能式汽車保險杠的汽車整車碰撞模型。對保險杠吸能盒部分進行修改，用一組相互重合的阻尼彈簧模擬磁流變液緩沖吸能裝置[12]，建立裝有磁流變液緩沖吸能裝置的整車碰撞模型，分別進行碰撞仿真。根據《GB11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護》的技術要求[13]，模擬碰撞速度設為50 km/h，此時傳統保險杠的吸能盒已經被壓饋[14]，車輛前部變形大，需要提高被動安全性。通過LSDyna計算，并用hyper View對結果進行處理。

圖6和圖7分別為裝有傳統吸能式保險杠和裝有磁流變液緩沖吸能裝置的整車變形云圖。

圖6 傳統吸能式保險杠的整車變形云圖

圖6中發生最大變形的是前保險杠，為476 mm。圖7中發生最大變形的是后輪邊緣，這是由于碰撞過程輪胎旋轉，因此不能作為整車變形，圖7中變形最大的應該為前保險杠，為350 mm，比傳統吸能式保險杠減小126 mm，減小整車變形，為駕乘人員提高了生存空間，提高了汽車安全性。

圖7 磁流變緩沖吸能裝置的整車變形云圖

圖8為碰撞力曲線，由圖可知傳統吸能式保險杠的仿真模型碰撞力近似為710 kN，磁流變液緩沖吸能裝置碰撞力峰值近似為550 kN，減小了160 kN。磁流變液緩沖吸能裝置的碰撞力小波峰峰值變大，說明汽車在碰撞時磁流變緩沖器將碰撞的單次波動能轉化為了多向撞擊動能，實現了對碰撞能量的多點同步或異步衰減，減小了對人員的傷害。

圖8 碰撞力曲線

5 結語

基于磁流變液的特性設計了汽車保險杠緩沖吸能裝置，并采用多目標遺傳算法對結構參數進行優化。通過碰撞仿真分析，驗證了磁流變液緩沖吸能裝置在高速碰撞時實現碰撞能量的合理耗散，有效減小了整車變形，降低了最大碰撞力，對提高汽車的被動安全性具有重要意義。

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Design of Vehicle Bumper EnergyAbsorbers based on Magnetorheological Fluid

ZHAO Shu-en1,ZHANG Jun-fei1,LI Yu-ling1,2,LIN Fan-guo3
(1.College of Mechanical andAutomobile Engineering,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074,China; 2.School of Mechanical Engineering,Shanxi University of Technology, Hanzhong 723000,Shanxi China; 3.Great Wall Motor Company,Baoding 071000,Hebei China)

In order to solve the problems of uncontrollable stiffness and poor environmental adaptability of the current vehicle bumpers under different collision conditions,a vehicle bumper energy absorber with controlled damping force is designed.This design is based on the controllable and large energy absorption characteristics of magnetorheological fluid. With the maximum damping force and dynamic range as the optimization objectives,the structural parameters are optimized by Matlab genetic algorithm.Two vehicle collision models,one with the traditional energy absorbing bumper and the other with the magneticrheological energy absorbing bumper,are built to simulate the vehicle crash.The results show that the body deformation and maximum impact force of the vehicle with magnetorheological bumper are reduced significantly.The magnetorheological bumper can effectively reduce the harm to people and raise the automotive safety.

vibration and wave;bumper;magnetorheological fluid;buffer energy absorption;impact

TH122

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.017

1006-1355(2016)06-0087-05

2016-05-12

陜西省科技廳科研資助項目(2014JM7291)；重慶市科委科研資助項目(cstc2014jcyjA6007)；山地城市交通系統與安全重慶市重點實驗室開放基金資助項目(KTSS201305)

趙樹恩(1972-)，男，陜西省洋縣人，博士，教授，研究生導師，主要從事車輛系統動力學及綜合控制方面的研究工作。E-mail:zse0916@163.com