汽車設計中減震器相對阻尼系數的確定

周林+肖朝銀+劉曉芳

摘 要：本文嘗試以汽車的電磁渦流減震器作為研究對象，分析減震器相對阻力系數，初步確認了減震器相對阻尼系數的計算公式，并探討了汽車設計中，需要減震器阻尼系數確定需要因素，確認了基本的減震器設計原則。

關鍵詞：汽車設計；減震器；阻尼系數

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.216

汽車工業是現代制造業的支柱性產業，汽車工業發展水平反映了一個國家的制造業發展水平。減震器是汽車必不可少的裝備。當前汽車的減震器類型繁多，主要包括液壓減震器、充氣式減震器、電/磁流變液減震器、電磁渦流減震器等，不同減震器各有優劣。阻力系數是反映減震器減震性能的重要指標，本次研究試以汽車的電磁渦流減震器作為研究對象，分析減震器相對阻力系數計算方法，確定汽車設計中減震器設計的基本原則。

1 電磁渦流減震器阻尼系數

1.1 電磁渦流減震器

渦流減震器的渦流阻尼影響因素較多，涉及到電磁飽和、傳熱理論、退磁效應、集膚效應等，計算過程比較復雜，最終影響計算精度以及效率。近年來有限元仿真技術飛速發展，為阻力計算創造了條件。本文討論的電磁渦流減震器，有三個條件：①忽略溫度的小幅度變化對材料電導率、相對磁導率的影響；②計算導體框架的渦流效應，不考慮其他部件；③不考慮溫度對材料物理性能的影響。電磁渦流減震器整體成圓柱形，上段是電子軸，下段為定子導體，后者由永磁體、鐵極構成。在進行電磁渦流減震器的設計過程中，需要考慮如何高效的利用永磁體產生的磁場，使用相同的材料、體積結構產生更大的渦流阻力，同時考慮汽車的減震需求，確電磁渦流減震器最低阻尼力。根據磁路優化理論，采用筒式的定子導體，相較于矩形結構，能減少的電磁磁漏效應，更好的產生渦流，從而快速消耗測量運動過程中產生的振動能量。永磁體的充磁方向不會顯著影響磁場的利用，目前主要采用軸向以及徑向兩類，根據有限元分析，軸向充磁永磁體磁感應強度峰值為2.0242T，周圍氣隙磁感應強度峰值0.5t最左右，而采用經向沖磁，則為1.72345T、0.4T，顯然軸向沖磁效果更理想。確定結構以及沖磁的基本結構后，需要設計合適的尺寸。

1.2 阻尼力計算

用于電磁渦流減震器阻尼系數計算的理論主要包括有限差分法、有限元法、矩量法、邊界元素法、格林函數法等。有限差分法適用于手機輻射、不同建筑結構室內電磁干擾研究、微帶線問題研究，不適合尺寸較大、細薄結構的媒質，有限元法適合復雜媒質、邊界條件、復雜邊界形狀的定解問題，具有較高的設計進精度，每個環節都可進行標準法，計算程序分組，方程組元數很多，計算時間長。用于電磁渦流減震器磁通密度計算，主要包括磁偶極子方法，計算方法簡單，軸向磁通密度計算公式為

其中K（k）、E（k）分別為第一類全橢圓積分和第二類全橢圓積分，Rm、m分別為圓柱體永磁體的半徑與厚度，在實際處理工程與科學問題時，絕大多數的微積分都無法得到準確的解析解。運動的永磁體是一個沿著軸向（z）和徑向（r）都變化的磁場，導體外套渦流以及渦流阻尼力產生機制主要包括導體在恒定磁場相對運動、導體處在變化的磁場中，根據法拉第的電磁感應定律，前者為感生電動勢，后者可根據洛倫磁力法則定義為動生電動勢，總的電動勢是兩者之和，E=Etransk+Emotional=-，相對速度是永磁體和導體外筒之間的相對運動速度。考慮到相對速度是豎向方向，則永磁體的豎直分量和相對運動速度是垂直的，故此方向上的磁場不會影響導體外筒中的渦流，永磁體徑向分量才產生渦流，則動生電動勢作用產生的渦流阻尼力為F=，其中為導體外筒的體積，rin是導體外筒的內半徑，rout為內半徑。據此可計算電磁渦流的減震器，永磁體的豎直方向上的渦流阻尼力表達式，推導出電磁渦流減震器的等效阻力系數C=，同時需要考慮到集膚效應，但因推導的公式方式比較復雜，需要采用軟件輔助編程求解。

2 減震器設計匹配

在獲得相對阻力系數后，需要根據需求，設計減震器。以車輛懸架減震器為例，基于舒適性的車輛懸架的最佳阻尼比，需要考慮車身垂直加速度平方根，從而計算最佳阻尼比。從安全性的角度來看，需要考慮車輪動載荷的頻響，使減震器能夠滿足車輪動載荷要求。而對于半主動的懸架系統而言，需要綜合考慮安全性與舒適性，基于不同形式路況、車速，選擇合適的阻尼系數。需要建立系統的運動方程，也就是前文提到的減震器阻尼系數方程，而后充分考慮時間、路面參數，考慮車輪在路面上受到的激勵，考慮汽車的速度，計算路面輸出模型，建立非線性的阻尼子系統，計算平順性。在確認最佳的阻尼系數后，確認導體外筒、內半徑、外半徑指標，完成整個設計過程。需注意的是，絕大多數情況下，三項指標都不能準確的被計算出來，需要考慮制作工藝難度、成本、安裝、整體構件等因素，選擇合適的設計。

3 小結

減震器的相對阻尼系數計算與其技術特點有關，近年來電/磁流變液減震器、電磁渦流減震器等高技術含量的減震器開始取代傳統的液壓減震器，成為汽車減震器的未來主流發展方向。但當前，減震器的相對阻尼計算仍有許多基礎問題未能得到解決，計算量比較大。在進行汽車設計時，需要利用有限元算法等先進的算法，確認減震器的阻尼系數計算方程，而后根據汽車減震需求，確定阻尼系數，才通過方程進行減震器構件的設計。

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