活塞內流道磁流變減振器熱耦合阻尼特性分析

2018-09-03 02:51:10朱石沙黃鵬程唐利波

振動與沖擊 2018年16期

朱石沙，黃鵬程，唐利波，章岱

(1.廣東科技學院，廣東東莞 523083；2.湘潭大學機械工程學院，湖南湘潭 411105；3．湖南長豐獵豹汽車有限公司，湖南永州 425100)

MRD以MR流體為工作阻尼介質，由于其在屈服強度、可控性上存在優勢，在車輛半主動懸掛系統上引起了研究界的廣泛關注及深入研究[1-5]。乘用車在高速行駛時，懸架減振器因吸收振動能量而出現較嚴重的發熱，極端條件下會引起減振器的失效[6-7]。由于減振器的熱效應難以計算，目前國內外關于減振器的熱平衡耦合研究較少。Alexander等[8]從動力學角度研究了液壓減振器熱效應，建立了減振器的熱-機耦合模型，但在熱分析時沒有對路面隨機激勵進行模擬。Ramos等[9]將減振器分為 17 個子系統，分析得出了每個子塊熱平衡的最終溫度，研究了減振器不同區域的溫度差。Alonso 等[10]建立了不同零件之間的熱傳導模型，計算并預測減振器內部各區域的熱平衡溫度，但沒有對減振器內部組件的溫度進行測量。Sorniotti等[11]等從兩種不同的角度建立了減振器熱-機耦合模型，但無法得到減振器各部分的具體溫度。

余卓平等[12]提出了包含機械阻尼、懸架振動、發熱及散熱等一系列因素在內的熱-機耦合閉環動力學數學模型，并基于該模型研究了結構尺寸、懸架以及工作溫度對最終熱平衡溫度的影響。么鳴濤等[13]基于液阻式減振器推導了熱力學模型，并數值模擬結構參數對其熱平衡溫度的影響。么鳴濤等[14]又提出了雙筒式液阻減振器的熱傳遞模型，并計算了減振器達到熱平衡的最終溫度。張敏敏等[15]通過AMEsim建立了液阻式減振器的熱-液-固耦合仿真模型，得到了考慮熱溫度耦合狀態的外特性仿真曲線。

當前，對于MRD阻尼特性的研究，由于其熱效應計算困難大且都未考慮工作熱溫度的影響，不能準確反映實際工作時的阻尼特性。本文借助工程仿真軟件對活塞內流道MRD在工作狀態下考慮熱溫度因素的阻尼特性進行研究，并在振動試驗臺上對熱平衡溫度下MRD的阻尼特性進行了測試，為MRD在汽車半主動懸架上的應用提供理論基礎。

1 MRD的結構原理

活塞采用內流道結構方式可提高發生磁流變效應的面積，增大減振器工作的最大阻尼力，并拓寬MRD的阻尼力調節區間，使懸架系統整體的阻尼性能得到改善。且流體流經活塞內部，能改善活塞的散熱性能，降低摩擦熱對減振器工作性能的影響。因此本文所研究的減振器活塞采用內流道流動工作模式。圖1所示為活塞內流道MRD的工作原理簡圖。

圖1 內流道式MRD結構原理圖Fig.1 Schematic diagram of inner channel MRD structure

2 MRD熱平衡仿真

2.1 1/4懸架AMEsim熱平衡仿真模型

根據活塞內流道MRD的結構參數及減振原理，基于AMEsim軟件建立減振器工作下的熱平衡效應仿真模型。如圖2所示，使用到的元件設計庫包括：熱-液壓元件設計庫搭建懸架減振器；機械庫模擬車輛1/4懸架；熱分析庫模擬車輛行駛過程中減振器的熱傳導、熱交換、熱輻射；信號庫模擬路面不平度激勵信號。表1為MRD模型元件的主要參數。

2.2 AMEsim熱平衡仿真結果

圖3，圖4所示為車速40 km/h，110 km/h 時B、C、D級路面隨機信號分別激勵下MRD流體的溫度變化曲線，隨著路面不平度等級的下降，減振器流體介質的發熱量逐漸增大。當路面不平度等級相同時，車速越高減振器內部的發熱量越大。

表1 MRD模型元件主要參數表

1.MRD上腔 2.MRD下腔 3-4.補償腔 5.缸筒壁 6.阻尼通道圖2 減振器熱平衡溫度仿真模型Fig.2 Simulation model of heat balance temperature of shock absorber

圖3 車速40 km/h時缸筒內流體的溫度曲線Fig.3 The temperature curve of the fluid in the cylinderwhen the speed is 40 km / h

圖4 車速110 km/h時缸筒內流體的溫度曲線Fig.4 The temperature curve of the fluid in the cylinderwhen the speed is 110 km / h

我國一般的瀝青、水泥硬化道路大多屬于D級路面，因此本文重點研究D級路面。圖5所示為D級道路不同車速下MRD缸筒內流體溫度的變化曲線，汽車加速時，缸筒中流體的溫度上升加快，證明速度加快導致的高頻振動對系統的熱平衡沖擊更加明顯，缸筒中流體的溫度越高。經過一定時間后溫度增加逐漸平緩并最終達到穩定值，此時減振器缸內流體達到熱平衡狀態。

圖5 D級路面不同車速MRD流體的溫度曲線Fig.5 Temperature curve of MRD fluid with different speedon D- class

3 熱耦合仿真分析

3.1 溫度場的有限元計算

減振器在工作過程中，由于MR流體與阻尼孔的摩擦及線圈產生的電磁熱會導致活塞芯部的溫度與上下腔流體有所差異，為了提高耦合分析的準確性，需進一步定量計算MRD中流體在不同區域的溫度值。考慮到減振器嚴格軸對稱，將此分析簡化為平面溫度場問題。

圖6 車速70 km/h時MRD活塞區域的溫度云圖Fig.6 The temperature of MRD piston area at 70 km / h

圖6所示為D級路面車速70 km/h時，MRD達到熱平衡后阻尼通道發生磁流變效應的區域溫度可達84.5℃，而通道其它區域的溫度約為80℃，這是因為磁流變液在磁流變效應的區域黏度增加，增強了流體與流體以及流體與通道間的磨擦。同理可得到D級路面車速分別為40 km/h、110 km/h時,發生磁流變效應的區域溫度分別為68.5℃、96℃，而無磁場激勵的區域溫度分別為64℃、92℃。

3.2 CFX仿真模型

利用ANSYS 14.5建立MRD流體仿真模型，MRD中流體的分布情況是嚴格軸對稱的，考慮到在實際工作情況下，磁流變液在減振器上下腔的壓力梯度變化顯著，隨活塞運動時刻變化，為了獲得準確的仿真數據，在三維情況下對MRD中的流體流動及傳熱進行仿真，繪制模型如圖7所示。

圖7 MRD流體仿真模型Fig.7 MRD fluid simulation model

3.3 MRD流體計算結果及分析

將移動網格設置成最大位移0.05 m，最大速度0.52 m/s、頻率1.67 Hz的簡諧運動。圖8所示為磁場強度B=0.4 T(I=2 A)、D級路面40 km/h時減振器熱平衡后流體在中心面的壓力云圖。圖(a)所示為t=0.3 s時拉伸行程的平衡位置，上腔流體流經阻尼通道摩擦后壓力大于下腔，壓力差ΔP約為2.7 MPa，在活塞阻尼通道中，橫向間隙通道的壓力小于軸向通道的壓力，主要由磁流變效應引起。圖(b)所示為t=0.6 s時壓縮行程的平衡位置，缸筒下腔流體的壓力大于上腔，壓力差ΔP約為3.0 MPa。基于不同位移、不同速度MRD上下腔流體的壓力差結合電磁活塞上下端面的實際面積，便可獲得MRD的示功及速度特性曲線。

圖8 活塞速度時壓力云圖Fig.8 Pressure nephogram of piston velocitym/s

圖9所示為t=0.3 s、0.6 s時中心面的速度及流線圖，活塞分別達到拉伸和壓縮行程速率的最大值。如圖所示在阻尼通道的入口及出口處速度具有最大值，這是由于通道面積急劇縮小所致，流線上通道的入口和出口處流體會出現紊流，因此利用流體力學能量損失原理推導減振器的阻尼力數學模型時，應考慮流體紊流因素的影響。

圖9 活塞速度時流體的速度及流線圖Fig.9 The velocity and streamline of the fluid in the piston

3.4 熱耦合示功及速度特性曲線

圖10(a)所示為減振器的示功曲線，在車速40 km/h、70 km/h、110 km/h達到熱平衡后減振器最大阻尼力分別為3 200 N，3 000 N、2 900 N。由此可知隨著車速的增大MRD的阻尼性能下降，隨著車速的增加其阻尼力下降的程度減緩，這是因為磁流變液屈服后的粘度隨溫度的變化率降低所致。比較MRD在不考慮行駛發熱情況下仿真得到的示功曲線[16]，得出車速40 km/h、70 km/h、110 km/h下MRD達到熱平衡后的阻尼力分別下降了300 N、500 N、600 N。圖10(b)所示為熱平衡溫度對MRD速度特性曲線(F-V)的影響，隨著車速的增加其速度特性也逐漸降低。

圖10 B=0.4 T時熱耦合示功及速度特性曲線Fig.10 B=0.4 T thermal coupling power and speedcharacteristic curve

4 試驗研究

4.1 熱平衡外特性試驗

由于相關軟件的數值仿真并不足以完全模擬減振器的實際工作情況，因此，仍需對減振器阻尼特性進行實驗測試。為了獲得活塞內流道MRD在其工作至熱平衡時的阻尼特性，本文按照筒式車用減振器標準規定的測試要求設置試驗參數對MRD的阻尼特性進行試驗。

調節電機變頻器的頻率為36.7 Hz，單次測試前，將減振器置于恒溫加熱箱中調節到59 ℃、78 ℃、90 ℃并保溫3小時，試驗3～5個循環后記錄數據。如圖11所示為實驗裝置圖。

圖11 實驗裝置圖Fig.11Experimental device diagram

4.2 試驗結果及分析

圖12所示為振動速度幅值0.52 m/s、電流2 A時基于DH-5920采樣數據獲得的D級路面MRD熱平衡溫度下的示功與速度特性曲線。

由圖12(a)所示，汽車加速時，F-S曲線所圍區域的面積減少，最大阻尼力分別為3 300 N、3 000 N、2 900 N。隨著熱平衡溫度的升高MRD阻尼力單個周期內所做的功減少，阻尼性能下降。當車速增加時，MRD阻尼力下降的速率減慢，MRD熱平衡溫度的升高對其阻尼特性的影響減弱，這是由磁流變材料屈服后的粘度及屈服強度與溫度的關系所決定的。測試的阻尼力比仿真獲得的阻尼力大3%，這是因為仿真時忽略了活塞與缸筒、活塞桿與上蓋的摩擦。測試曲線沒有模擬曲線飽滿光滑，這是因為測試臺的振動引起活塞與缸筒的軸線偏轉而出現干摩擦所致。圖12(b)所示為MRD阻尼力與活塞速度(0～0.52 m/s)的試驗曲線，阻尼力隨速度的變化呈非線性增加，這是剪切速率變化及MRD速度特性的滯后效應引起的。比較不考慮行駛熱平衡溫度的測試曲線[16]，阻尼特性均有較大程度的下降，車速越高，下降越大，因此車輛在實際使用減振器時應考慮熱平衡溫度這一影響因素。模擬所得結果與實驗結果趨勢基本相同，誤差較小，證明了模擬過程是可信的。