基于磁流變阻尼器的半主動(dòng)懸架研究

李強(qiáng)飛

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

相比于乘用車，商用車運(yùn)行工況更為惡劣，商用車行駛平順性成為研究熱點(diǎn)。其中可控智能懸架是提升商用車平順性的主要途徑，根據(jù)懸架參數(shù)可調(diào)性，可控智能懸架分為主動(dòng)懸架與半主動(dòng)懸架。由于商用車運(yùn)行工況多變，傳統(tǒng)被動(dòng)懸架無(wú)法保證在任意工況下，懸架都擁有最佳減振性能。而可控懸架可結(jié)合實(shí)時(shí)工況調(diào)節(jié)懸架參數(shù)，確保任意時(shí)刻汽車具有最佳平順性和行駛安全性[1-2]。

半主動(dòng)懸架不需要增加額外的作動(dòng)器，能耗更小，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣泛，本文提出一種基于磁流變半主動(dòng)懸架的商用車平順性優(yōu)化方法。

1 設(shè)計(jì)原理

磁流變液（Magneto-Rheological Fluid, MRF）是一種由非導(dǎo)磁性液體和均勻分散于其中的高磁導(dǎo)率微小磁性顆粒組成的新型智能材料，MRF是產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的物質(zhì)載體。在無(wú)外加磁場(chǎng)條件下，磁粒分子分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是隨機(jī)的，其遷徙和轉(zhuǎn)動(dòng)只受熱運(yùn)動(dòng)影響，而當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，粒子相互靠近有序排列，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加有序相聯(lián)，最后以長(zhǎng)鏈為核心吸收短鏈形成固態(tài)相，最終實(shí)現(xiàn)MRF流動(dòng)性與粘性變化的特點(diǎn)。通過(guò)改變磁場(chǎng)來(lái)改變MRF流動(dòng)性與粘性間接改變阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而為半主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基本依據(jù)[3]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)

本文提出的磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)如圖 1所示，其中設(shè)置有雙線圈活塞，由于磁流變阻尼器為有桿腔活塞。因此，設(shè)置有一個(gè)補(bǔ)償腔，一個(gè)補(bǔ)償閥，一個(gè)浮動(dòng)活塞來(lái)平衡阻尼器內(nèi)部壓力。活塞電源線分布于活塞桿內(nèi)部，為活塞線圈提供電源，通過(guò)控制活塞線圈電流大小來(lái)控制磁場(chǎng)大小，最終實(shí)現(xiàn)阻尼器阻尼力大小可控，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 磁流變阻尼器基本結(jié)構(gòu)

本研究選用 MRF21322型磁流變體。根據(jù)磁流變效應(yīng)的工作模式主要分為剪切，流動(dòng)，擠壓三種模式，分別如圖 2所示。由于擠壓模式所提供的的阻尼力與行程有限，而商用重型載貨車需要大阻尼大行程，因此，本研究采用流動(dòng)模式與剪切模式的混合模式進(jìn)行集成應(yīng)用。

圖2 磁流變效應(yīng)工作模式示意圖

2.2 新型磁流變阻尼器阻尼力計(jì)算

MRF力學(xué)模型主要有 Sigmoid模型以及Bingham粘塑性模型等。本研究采用Bingham磁流變模型，其將阻尼器分為了兩個(gè)力學(xué)模塊元件，其中第一項(xiàng)是關(guān)于速度的動(dòng)摩擦力，第二項(xiàng)是關(guān)于場(chǎng)強(qiáng)的磁流變粘滯力。結(jié)合Bingham磁流變模型分別建立拉伸與壓縮狀態(tài)下阻尼力計(jì)算公式，拉伸狀態(tài)下阻尼力計(jì)算公式[4]為

壓縮狀態(tài)下阻尼器阻尼力計(jì)算公式為

式中，F(xiàn)1為摩擦黏滯力；F2為庫(kù)倫力；η為磁流變液體的零場(chǎng)粘度；L1與L2為磁極寬度；AP1，AP2，AP3為活塞面積；h1與h2為阻尼通道寬度；D為活塞外徑；τy為磁流變液的剪切屈服強(qiáng)度；v為相對(duì)速度，b1，b2為磁場(chǎng)間隙距離。

混合模式下的磁流變阻尼器的最小阻尼力為零磁場(chǎng)下的粘滯力，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小進(jìn)行磁場(chǎng)強(qiáng)度大小調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最大阻尼力控制，并定義間隙比為Q=h/D。分析可知?jiǎng)恿φ{(diào)節(jié)倍數(shù)與間隙比有關(guān)，因此，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的間隙比來(lái)設(shè)定阻尼力調(diào)節(jié)范圍。取整車結(jié)構(gòu)參數(shù)為，空載質(zhì)量為12 500 kg，滿載質(zhì)量為25 000 kg，前橋負(fù)荷比為45%，簧下總質(zhì)量為2 600 kg，結(jié)合汽車整車參數(shù)與性能分析，初選阻尼通道間隙比為 0.04，阻尼通道間隙寬度為2 mm。其次對(duì)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用銅線尺寸為0.6 mm，根據(jù)電磁場(chǎng)基本規(guī)律，選用功率為3 kW，最大電流為3 A，根據(jù)估算活塞線圈數(shù)為84.8，取整為85，將活塞纏繞六層，每層4圈，共84圈，計(jì)算單級(jí)阻尼通道為36.8 mm。

2.3 磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Ansoft Maxwell是一種電磁場(chǎng)分析軟件。因磁路在任何一處磁通達(dá)到飽和，將進(jìn)一步影響整個(gè)磁路磁場(chǎng)增強(qiáng)。磁流變阻尼器設(shè)計(jì)中應(yīng)遵守兩點(diǎn)優(yōu)化原則，首先避免磁芯局部區(qū)域處出現(xiàn)提前磁飽和；其次保證阻尼通道區(qū)域磁流變液充分磁飽和，充分發(fā)揮磁流變效應(yīng)[5]。結(jié)合基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用有限元分析軟件Ansoft Maxwell對(duì)磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)范圍，選取系列磁芯半徑參數(shù)進(jìn)行有限元仿真。首先進(jìn)入Ansoft Maxwell 2D建立界面，設(shè)置完畢后選擇magnetostatic靜態(tài)磁場(chǎng)求解器、Master/Slave邊界條件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分設(shè)置求解參數(shù)并執(zhí)行 Maxwell 2D/Validation check，對(duì)模型進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)后啟動(dòng)仿真。仿真結(jié)果如圖 3所示，其為磁流變阻尼器磁路磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖，從圖中可得到最高磁密為2.5 T，位于活塞上下兩端面，磁路各區(qū)域的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度均在材料的最大飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍之內(nèi)，沒(méi)有過(guò)飽和，磁路設(shè)計(jì)合理，可得半徑為11 mm能滿足優(yōu)化原則。

圖3 磁芯半徑為11 mm的磁路模型有限元分析

3 控制策略設(shè)計(jì)

模糊控制是一種具有人工智能特征的不依賴精確數(shù)學(xué)模型，適用于時(shí)變系統(tǒng)的智能控制方法；所謂模糊PID控制是以偏差e及偏差的變化ec為輸入，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì) PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以滿足不同的偏差e和偏差的增量ec對(duì)PID參數(shù)的不同要求。由于磁流變懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況多變，其所受的被迫振動(dòng)具有非線性與時(shí)變性，本研究采用模糊控制與 PID控制相結(jié)合的方法。

本研究輸入變量為車輛懸掛位置簧載質(zhì)量的垂向速度偏差，與簧載質(zhì)量加速度偏差，模糊論域設(shè)為[-3，-2，-1，0，1，2，3]七個(gè)語(yǔ)言參量，分別為負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)小（NS），零（ZO），正小（PS），正中（PM），正大（PB）。由此獲得 kp，ki，kd的模糊控制規(guī)則表，如表 1所示。輸出變量分別為對(duì) PID控制器積分系數(shù)、比例系數(shù)、微分系數(shù)的調(diào)整量。PID控制器的輸入變量是模糊控制器的輸出變量，輸出變量為期望控制力。輸入輸出變量均采用三角形隸屬度函數(shù)，模糊推理采用Mamdani法。模糊控制的控制規(guī)則一般為動(dòng)態(tài)的，如果偏差數(shù)值較小，可適量降低kp與ki值，避免系統(tǒng)超調(diào)，提升系統(tǒng)對(duì)的穩(wěn)定性，而當(dāng)出現(xiàn)偏差較大時(shí)，通過(guò)提升kp與ki值可以盡快消除偏差，提高系統(tǒng)魯棒性。

表1 kp/ki/kd間的模糊控制規(guī)則表

4 車輛懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真

根據(jù)上述整車參數(shù)與設(shè)定控制策略，對(duì)某商用車 1/2平面模型進(jìn)行性能仿真分析，其中利用Matlab/Simulink仿真軟件進(jìn)行響應(yīng)的仿真分析，振動(dòng)沖擊的描述方法采用濾波白噪聲進(jìn)行描述分析，對(duì)路面激勵(lì)進(jìn)行輸入，輸入時(shí)選取車輛經(jīng)常行駛的B級(jí)路面參數(shù)作為模型輸入。

為了直觀觀測(cè)優(yōu)化效果，分別建立傳統(tǒng)被動(dòng)懸架與模糊 PID磁流變阻尼器半主動(dòng)懸架仿真模型，如圖4所示。圖5給出了兩者簧載質(zhì)量運(yùn)動(dòng)加速度大小隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線圖，可得出同等大小激勵(lì)，半主動(dòng)懸架擁有較小的簧載質(zhì)量加速度。圖 6給出了車輪與路面之間的動(dòng)載隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。分析可得，受到同等程度大小的路面沖擊時(shí)，本研究所設(shè)計(jì)的半主動(dòng)懸架相比于被動(dòng)懸架，相對(duì)動(dòng)載數(shù)值更小，因而擁有更好的舒適性，汽車亦擁有更好的安全性。受到同等程度大小的路面沖擊時(shí)，本研究所設(shè)計(jì)的半主動(dòng)懸架相比于被動(dòng)懸架，平順性更好，相對(duì)動(dòng)載更小，擁有更好的舒適性與行駛安全性。

圖4 磁流變模糊PID半主動(dòng)懸架系統(tǒng)仿真模型

圖5 半主動(dòng)懸架與被動(dòng)懸架簧載質(zhì)量加速度大小

圖6 半主動(dòng)懸架與被動(dòng)懸架車輪與路面動(dòng)載大小

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一種新型的磁流變半主動(dòng)電控懸架，首先對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用有限元分析軟件Ansoft在一定區(qū)間中對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其次采用模糊控制與PID控制相結(jié)合的控制策略，對(duì)磁流變阻尼器輸出特性進(jìn)行控制，采用Matlab/Simulink進(jìn)行了振動(dòng)特性性能仿真，從分析可以看出，本研究設(shè)計(jì)的磁流變半主動(dòng)懸架能夠使得車輛擁有良好的隔振特性，當(dāng)簧載質(zhì)量受到所設(shè)置的B級(jí)路面激勵(lì)振動(dòng)時(shí)，簧載質(zhì)量加速度數(shù)值與相對(duì)動(dòng)載數(shù)值更小，具有良好的平順性與舒適性，能夠極大地降低相對(duì)動(dòng)載，使得汽車行駛安全性也得到極大改善。