擠壓剪切混合模式磁流變懸置特性分析*

2020-12-03 08:01:16蔡強隗寒冰鄧召學韋鑫鑫

汽車工程師 2020年11期

蔡強隗寒冰鄧召學韋鑫鑫

（重慶交通大學機電與車輛工程學院）

動力總成懸置具有固定支撐動力總成、隔振作用和限位等功能，對車輛的乘坐舒適性和平順性起著極為重要的作用。近年來，磁流變液作為一種新興智能材料，應用于汽車動力總成液壓懸置系統，與其他液壓懸置相比，具有可控性好、響應迅速、能耗低等特點[1]。但是現有混合模式的磁流變懸置是由多組勵磁線圈激勵，結構復雜，為實現懸置工作模式的真正混合，提出一種新型擠壓剪切混合模式磁流變懸置，建立了擠壓剪切模式的力學模型，并對阻尼通道的磁感應強度及阻尼力進行分析，經過驗證，該模式提高了懸置的隔振性能。

1 力學模型的建立

磁流變液的工作模式可分為流動模式、剪切模式和擠壓模式。流動模式是在2 個固定不動的極板間充滿磁流變液體，阻尼力具有良好的可控性，但是在低頻段不能提供較大的阻尼力，如文獻[2]采用環形流和徑向流的磁流變閥結構來產生高阻尼力。擠壓模式的磁流變液受極板的擠壓向四周流動，外加磁場經過極板垂直作用于兩極板之間的磁流變液，極板運動方向與外加磁場方向平行，其在低頻段能提供較大的阻尼力但是可控性不及流動模式，文獻[3]設計了一種擠壓模式的磁流變懸置，該結構僅有1 個磁流變液腔室，可有效緩解由共振和在高頻激勵下磁流變液的動態硬化現象；文獻[4]設計了帶有不連通的非導磁性活塞桿的擠壓模式磁流變懸置，可達到最大的磁場強度和均勻的磁場分布。剪切模式是在2 個相對運動的極板之間充滿磁流變液體，多應用于離合器、制動器[5]，單剪切模式在磁感應強度為零時的動剛度相對較小，動剛度可調范圍也較小。

為了使懸置充分發揮不同工作模式的優點，使其達到理想動特性，文獻[6]建立了擠壓剪切混合模式的磁流變阻尼器，該混合模式的磁流變懸置是多個獨立勵磁線圈驅動的，只是工作模式的簡單疊加，而且增加了結構的復雜程度。因此提出一種新型擠壓剪切混合模式磁流變液壓懸置。內磁芯和外磁芯所形成的錐形阻尼通道和內磁芯軸線形成一定的夾角，使得磁流變液在一組線圈對應的一個阻尼通道里同時具備擠壓和剪切2 種工作模式，實現真正的模式混合。

磁路結構中的錐形阻尼通道是擠壓剪切混合模式磁流變懸置的核心，如圖1 所示。其阻尼通道的進出口壓降決定了懸置的隔振性能，而磁路結構、激勵電流、振幅等因素決定了阻尼通道處的磁感應強度，進而影響懸置的阻尼力。

圖1 擠壓剪切混合模式磁流變懸置磁路結構示意圖

錐形阻尼通道的展開是圓盤的一部分，如圖2 所示。建立圓盤的柱坐標系，如圖3 所示。

圖2 錐形阻尼通道平面展開示意圖

圖3 圓盤柱坐標系

磁流變液特性考慮為賓漢模型，流體徑向壓力梯度表示為[7]：

式中：τ——切應力，N；

Pmr——壓降，Pa。

在整個上下圓盤的間隙內對z積分并考慮對稱邊界條件為時，得出切應力為：

圓盤表面的切應力等于屈服應力，即z=0 時：

式中：τ1——取決于磁場強度的屈服應力，N。

屈服應力τ1隨著壓降的增大而增大[8]：

式中：τ0——垂向壓力為零時的屈服切應力，N；

KH——斜率，隨著磁場強度增大而增大。

將式（4）代入式（3），并積分整理得到圓盤擠壓模式壓降公式為：

式中：C——積分常數。

而在圓盤剪切模式時，其阻尼力（Fτ/N）為[9]：

式中：R2——圓盤外徑，m；

R1——圓盤內徑，m。

則剪切模式的壓降（ΔP/Pa）為：

式中：A——有效剪切面積，m2。

將式（7）代入式（5）可解得常數C，得到擠壓剪切壓降公式，并在整個圓盤對擠壓剪切壓降公式積分得擠壓剪切混合模式阻尼力（F/N）為[10]：

所以，整個圓盤的阻尼力表達式為：

由于擠壓剪切混合模式的阻尼通道展開后是圓盤截取ɑ 角度，其表達式為：

式中：θ——阻尼通道傾斜角度，（°）。

所以擠壓剪切混合模式磁流變懸置的阻尼力（F擠剪/N）表達式為：

2 仿真分析

基于擠壓剪切混合模式磁流變懸置力學模型，為探討結構參數內徑R1、阻尼通道水平間隙H0、傾斜角度θ 和外部激勵振幅X0、電流強度I對通道磁感應強度及阻尼力的影響規律，初步確定磁路結構參數，如表1 所示。

表1 懸置初始結構參數

2.1 結構參數對磁感應強度及阻尼力的影響

采用有限元法分別計算了傾斜角度變化范圍為5°～35°、內徑R1變化范圍為12～22 mm、水平間隙H0變化范圍為1～2 mm 時阻尼通道內的磁感應強度，其結果如圖4～圖6 所示。

從圖4 可以看出，當振幅X0=-2 mm，內磁芯運動到下端時，隨著傾斜角度θ 的增大，阻尼通道上下兩側磁感應強度均呈現增大趨勢；當振幅X0=+2 mm，內磁芯運動到上端時，上側阻尼通道磁感應強度減小，而下側繼續呈現增大趨勢。從圖5 可以看出，上側阻尼通道平均磁感應強度在內磁芯向上運動時，隨著內徑R1增大，磁感應強度逐漸減小，在內磁芯向下運動時，平均磁感應強度逐漸增大；下側阻尼通道平均磁感應強度在內磁芯向上運動時，平均磁感應強度增大緩慢，在內磁芯向下運動時，平均磁感應強度增大較快。從圖6 可以看出，阻尼通道上下兩側平均磁感應強度隨著水平間隙H0的增大均呈減小趨勢；當水平間隙H0=1 mm時，上側阻尼通道在振幅X0=-2 mm 時隨著傾斜角度θ增大，呈現先增大后減小趨勢，在振幅X0=+2 mm 時，隨著傾斜角度θ 增大而減少；下側阻尼通道磁感應強度在振幅X0=-2 mm 時，隨著傾斜角度θ 增大而減小，在振幅X0=+2 mm 時，隨著傾斜角度θ 增大無明顯變化；當水平間隙H0取值大于等于1.2 mm 時，阻尼通道上下兩側平均磁感應強度在振幅X0=-2 mm 時均隨著傾斜角度θ 的增大而增大，在振幅X0=+2 mm 時上側阻尼通道平均磁感應強度隨著傾斜角度θ 增大而增大，而下側阻尼通道平均磁感應強度無明顯變化。

圖4 振幅X0=±2 mm 時傾斜角度θ 與阻尼通道平均磁感應強度的關系

圖5 阻尼通道磁感應強度與內徑R1、傾斜角度θ 的曲面圖

圖6 阻尼通道磁感應強度與阻尼水平間隙H0、傾斜角度θ 的關系

阻尼力計算結果，如圖7～圖9 所示。從圖7 可以看出，隨著傾斜角度θ 增加，當內磁芯向上運動時，阻尼力方向向下，且增加平緩，當內磁芯向上運動時，阻尼力增加較快。從圖8 可以看出，內徑R1對磁感應強度以及阻尼力的影響并不是很大，但隨著內徑R1增加，阻尼力緩緩增加，傾斜角度θ 對阻尼力及磁感應強度有明顯影響，隨著傾斜角度θ 增加，當內磁芯向下運動時，阻尼力明顯增大，當內磁芯向上運動時，阻尼力變化平緩。從圖9 可以看出，隨著阻尼水平間隙H0的增加，阻尼力逐漸減少，但是，隨著傾斜角度θ 的增加，內磁芯向上運動時，阻尼力逐漸增加且在20°后趨于飽和，內磁芯向下運動時，阻尼力逐漸增加且在20°后增加迅速。