活塞內(nèi)流道磁流變減振器熱耦合阻尼特性分析

朱石沙， 黃鵬程， 唐利波， 章 岱

(1.廣東科技學(xué)院，廣東 東莞 523083；2.湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；3．湖南長(zhǎng)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(zhì)，由于其在屈服強(qiáng)度、可控性上存在優(yōu)勢(shì)，在車輛半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)上引起了研究界的廣泛關(guān)注及深入研究[1-5]。乘用車在高速行駛時(shí)，懸架減振器因吸收振動(dòng)能量而出現(xiàn)較嚴(yán)重的發(fā)熱，極端條件下會(huì)引起減振器的失效[6-7]。由于減振器的熱效應(yīng)難以計(jì)算，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于減振器的熱平衡耦合研究較少。Alexander等[8]從動(dòng)力學(xué)角度研究了液壓減振器熱效應(yīng)，建立了減振器的熱-機(jī)耦合模型，但在熱分析時(shí)沒(méi)有對(duì)路面隨機(jī)激勵(lì)進(jìn)行模擬。Ramos等[9]將減振器分為 17 個(gè)子系統(tǒng)，分析得出了每個(gè)子塊熱平衡的最終溫度，研究了減振器不同區(qū)域的溫度差。Alonso 等[10]建立了不同零件之間的熱傳導(dǎo)模型，計(jì)算并預(yù)測(cè)減振器內(nèi)部各區(qū)域的熱平衡溫度，但沒(méi)有對(duì)減振器內(nèi)部組件的溫度進(jìn)行測(cè)量。Sorniotti等[11]等從兩種不同的角度建立了減振器熱-機(jī)耦合模型，但無(wú)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(jī)械阻尼、懸架振動(dòng)、發(fā)熱及散熱等一系列因素在內(nèi)的熱-機(jī)耦合閉環(huán)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并基于該模型研究了結(jié)構(gòu)尺寸、懸架以及工作溫度對(duì)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(dǎo)了熱力學(xué)模型，并數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(jì)算了減振器達(dá)到熱平衡的最終溫度。張敏敏等[15]通過(guò)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(tài)的外特性仿真曲線。

當(dāng)前，對(duì)于MRD阻尼特性的研究，由于其熱效應(yīng)計(jì)算困難大且都未考慮工作熱溫度的影響，不能準(zhǔn)確反映實(shí)際工作時(shí)的阻尼特性。本文借助工程仿真軟件對(duì)活塞內(nèi)流道MRD在工作狀態(tài)下考慮熱溫度因素的阻尼特性進(jìn)行研究，并在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)熱平衡溫度下MRD的阻尼特性進(jìn)行了測(cè)試，為MRD在汽車半主動(dòng)懸架上的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 MRD的結(jié)構(gòu)原理

活塞采用內(nèi)流道結(jié)構(gòu)方式可提高發(fā)生磁流變效應(yīng)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(diào)節(jié)區(qū)間，使懸架系統(tǒng)整體的阻尼性能得到改善。且流體流經(jīng)活塞內(nèi)部，能改善活塞的散熱性能，降低摩擦熱對(duì)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(nèi)流道流動(dòng)工作模式。圖1所示為活塞內(nèi)流道MRD的工作原理簡(jiǎn)圖。

圖1 內(nèi)流道式MRD結(jié)構(gòu)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(jù)活塞內(nèi)流道MRD的結(jié)構(gòu)參數(shù)及減振原理，基于AMEsim軟件建立減振器工作下的熱平衡效應(yīng)仿真模型。如圖2所示，使用到的元件設(shè)計(jì)庫(kù)包括：熱-液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)搭建懸架減振器；機(jī)械庫(kù)模擬車輛1/4懸架；熱分析庫(kù)模擬車輛行駛過(guò)程中減振器的熱傳導(dǎo)、熱交換、熱輻射；信號(hào)庫(kù)模擬路面不平度激勵(lì)信號(hào)。表1為MRD模型元件的主要參數(shù)。

2.2 AMEsim熱平衡仿真結(jié)果

圖3，圖4所示為車速40 km/h，110 km/h 時(shí)B、C、D級(jí)路面隨機(jī)信號(hào)分別激勵(lì)下MRD流體的溫度變化曲線，隨著路面不平度等級(jí)的下降，減振器流體介質(zhì)的發(fā)熱量逐漸增大。當(dāng)路面不平度等級(jí)相同時(shí)，車速越高減振器內(nèi)部的發(fā)熱量越大。

表1 MRD模型元件主要參數(shù)表

1.MRD上腔 2.MRD下腔 3-4.補(bǔ)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(shí)缸筒內(nèi)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(shí)缸筒內(nèi)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(guó)一般的瀝青、水泥硬化道路大多屬于D級(jí)路面，因此本文重點(diǎn)研究D級(jí)路面。圖5所示為D級(jí)道路不同車速下MRD缸筒內(nèi)流體溫度的變化曲線，汽車加速時(shí)，缸筒中流體的溫度上升加快，證明速度加快導(dǎo)致的高頻振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的熱平衡沖擊更加明顯，缸筒中流體的溫度越高。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后溫度增加逐漸平緩并最終達(dá)到穩(wěn)定值，此時(shí)減振器缸內(nèi)流體達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

圖5 D級(jí)路面不同車速M(fèi)RD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(chǎng)的有限元計(jì)算

減振器在工作過(guò)程中，由于MR流體與阻尼孔的摩擦及線圈產(chǎn)生的電磁熱會(huì)導(dǎo)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(zhǔn)確性，需進(jìn)一步定量計(jì)算MRD中流體在不同區(qū)域的溫度值?？紤]到減振器嚴(yán)格軸對(duì)稱，將此分析簡(jiǎn)化為平面溫度場(chǎng)問(wèn)題。

圖6 車速70 km/h時(shí)MRD活塞區(qū)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(jí)路面車速70 km/h時(shí)，MRD達(dá)到熱平衡后阻尼通道發(fā)生磁流變效應(yīng)的區(qū)域溫度可達(dá)84.5℃，而通道其它區(qū)域的溫度約為80℃，這是因?yàn)榇帕髯円涸诖帕髯冃?yīng)的區(qū)域黏度增加，增強(qiáng)了流體與流體以及流體與通道間的磨擦。同理可得到D級(jí)路面車速分別為40 km/h、110 km/h時(shí),發(fā)生磁流變效應(yīng)的區(qū)域溫度分別為68.5℃、96℃，而無(wú)磁場(chǎng)激勵(lì)的區(qū)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(yán)格軸對(duì)稱的，考慮到在實(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)刻變化，為了獲得準(zhǔn)確的仿真數(shù)據(jù)，在三維情況下對(duì)MRD中的流體流動(dòng)及傳熱進(jìn)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(jì)算結(jié)果及分析

將移動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置成最大位移0.05 m，最大速度0.52 m/s、頻率1.67 Hz的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。圖8所示為磁場(chǎng)強(qiáng)度B=0.4 T(I=2 A)、D級(jí)路面40 km/h時(shí)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(shí)拉伸行程的平衡位置，上腔流體流經(jīng)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(yīng)引起。圖(b)所示為t=0.6 s時(shí)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?；诓煌灰?、不同速度MRD上下腔流體的壓力差結(jié)合電磁活塞上下端面的實(shí)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(shí)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(shí)中心面的速度及流線圖，活塞分別達(dá)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(huì)出現(xiàn)紊流，因此利用流體力學(xué)能量損失原理推導(dǎo)減振器的阻尼力數(shù)學(xué)模型時(shí)，應(yīng)考慮流體紊流因素的影響。

圖9 活塞速度時(shí)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(dá)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?yàn)榇帕髯円呵蟮恼扯入S溫度的變化率降低所致。比較MRD在不考慮行駛發(fā)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(dá)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(duì)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(shí)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(yàn)研究

4.1 熱平衡外特性試驗(yàn)

由于相關(guān)軟件的數(shù)值仿真并不足以完全模擬減振器的實(shí)際工作情況，因此，仍需對(duì)減振器阻尼特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。為了獲得活塞內(nèi)流道MRD在其工作至熱平衡時(shí)的阻尼特性，本文按照筒式車用減振器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試要求設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)對(duì)MRD的阻尼特性進(jìn)行試驗(yàn)。

調(diào)節(jié)電機(jī)變頻器的頻率為36.7 Hz，單次測(cè)試前，將減振器置于恒溫加熱箱中調(diào)節(jié)到59 ℃、78 ℃、90 ℃并保溫3小時(shí)，試驗(yàn)3～5個(gè)循環(huán)后記錄數(shù)據(jù)。如圖11所示為實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖11 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.11Experimental device diagram

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖12所示為振動(dòng)速度幅值0.52 m/s、電流2 A時(shí)基于DH-5920采樣數(shù)據(jù)獲得的D級(jí)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(shí)，F(xiàn)-S曲線所圍區(qū)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M(jìn)RD阻尼力單個(gè)周期內(nèi)所做的功減少，阻尼性能下降。當(dāng)車速增加時(shí)，MRD阻尼力下降的速率減慢，MRD熱平衡溫度的升高對(duì)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(qiáng)度與溫度的關(guān)系所決定的。測(cè)試的阻尼力比仿真獲得的阻尼力大3%，這是因?yàn)榉抡鏁r(shí)忽略了活塞與缸筒、活塞桿與上蓋的摩擦。測(cè)試曲線沒(méi)有模擬曲線飽滿光滑，這是因?yàn)闇y(cè)試臺(tái)的振動(dòng)引起活塞與缸筒的軸線偏轉(zhuǎn)而出現(xiàn)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(yàn)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(yīng)引起的。比較不考慮行駛熱平衡溫度的測(cè)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(shí)際使用減振器時(shí)應(yīng)考慮熱平衡溫度這一影響因素。模擬所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本相同，誤差較小，證明了模擬過(guò)程是可信的。

圖12 B=0.4T時(shí)熱耦合示功及速度特性測(cè)試曲線Fig.12 B=0.4T thermal coupling power and speedcharacteristic curve

5 結(jié) 論

(1)基于AMESim軟件結(jié)合本文所介紹的MRD的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了減振器的傳熱仿真模型，通過(guò)白噪聲濾波方式代替實(shí)際路面的振動(dòng)信號(hào)仿真得出了當(dāng)汽車以 40 km/h、70 km/h、110 km/h運(yùn)行時(shí)，介質(zhì)熱平衡溫度分別為59 ℃、78 ℃、90 ℃。

(2)使用ANSYS CFX通過(guò)瞬態(tài)分析計(jì)算了MRD耦合熱平衡溫度的示功曲線，從中得出隨著車速的增加，減振器工作的阻尼特性有較大程度的下降。

(3)通過(guò)恒溫加熱模擬MRD工作的熱平衡狀態(tài)并在平衡溫度下對(duì)其阻尼特性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果吻合較好，即汽車的行駛速度對(duì)減振器的阻尼性能有影響，車速越高阻尼力下降越大。對(duì)比之前常溫下不考慮行駛熱溫度的測(cè)試曲線，得出不同車速熱平衡下的MRD阻尼力有較明顯的下降。