带梯形截面导磁环的全通道有效车用磁流变减振器设计_吴欢.pdf

第 卷第 期 年 月兵工学报 ：带梯形截面导磁环的全通道有效车用磁流变减振器设计吴欢，李以农，张志达，张紫微，蒲华燕，罗均（重庆大学 机械与运载工程学院，重庆）摘要：车用磁流变减振器（）往往结构尺寸较小，且传统的车用 阻尼通道有效工作长度较短，输出阻尼力小，导致其工程应用受到限制。针对这一问题，提出一种带梯形截面导磁环的新型全通道有效 以增大阻尼通道有效工作长度，减缓磁饱和，并基于磁流变液流变特性和流体动力学理论给出了具体的结构与磁路设计计算方法，将 种不同结构的 进行有限元仿真对比。通过阻尼特性测试试验，分析其阻尼特性并与普通、带弯曲磁路全通道有效 进行对比，应用线性二次高斯（）控制器进行减振性能分析。研究结果表明：新型全通道有效 能够显著提高阻尼通道有效工作长度，达到阻尼通道全长的 以上；新型全通道有效 能改善小尺寸 易发生磁饱和的问题；在相同电流激励与尺寸约束下阻尼通道的磁场强度分布更均匀，平均磁场强度更大，具有更大的输出阻尼力；新型全通道有效 在结构尺寸小的同时具有更大的输出阻尼力；新型全通道有效 相对于普通 具有更好的减振性能，能够进一步降低车辆的簧上质量加速度与轮胎动变形.和.。该研究能有效扩宽小尺寸 的实际应用范围，具有一定的工程应用价值。关键词：磁流变减振器；轮式军用车辆；全通道有效；结构设计；磁路设计；梯形截面导磁环 中图分类号：.文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：重庆市研究生科研创新项目（），（，）：（），：，兵 工 学 报第 卷；，；，.：；引言轮式军用车辆行驶路况差，且需要承载作战武器及高精度仪器，对悬架系统的减振性能要求较高。为衰减路面不平度引起的车身振动，提高车辆的行驶平顺性，以磁流变减振器（）为主要构件的磁流变半主动悬架一直是车辆底盘研究的热点。利用磁流变液可以在外加磁场作用下，连续、可控、可逆的迅速由液体转化为半固体这一特性，具有阻尼力连续可调、响应速度快、调节范围广、能耗低等优点，在车辆中的应用越来越广泛。廖昌荣等考察了磁流变液表观滑移对磁流变液减振器阻尼特性的影响，推出考虑磁流变液表观滑移边界条件的输出阻尼力计算公式。美国陆军坦克汽车研究开发工程中心和 特种车辆共同研发了磁流变悬架系统，并应用于“悍马”轮式军用越野车，结果表明该系统提高了车辆的稳定性，在特定工况下车辆极限速度增加了。等针对某 轮式装甲车，搭建了 车辆试验平台，研究了天棚控制和模糊控制算法对簧上质量的抑制性能。陈杰平等完成了对混合式和流动式车用 的结构设计，建立两种工作模式下的数学模型并进行了仿真研究。李以农等针对某特种车辆设计一款流动式，阐述了 结构设计与磁路设计的原则和方法，并采用有限元分析软件 中 参数化设计语言对该 的关键结构参数进行了优化。彭虎等针对某轻型军用轮式越野车辆，设计了一款 代替原被动减振器，并对其进行了结构优化和多项式建模。为了扩大 在车辆悬架系统中的应用范围，部分学者对 的结构进行了优化与改进。张进秋等设计一种盘形缝隙式双筒磁流变液减振器并描述了其工作原理，分析阻尼特性，为其在装甲车悬挂系统半主动控制中的应用奠定了基础。等提出一种由环形径向导管和永磁体串联组成的新型环形径向磁流变混合阻尼器，并将其应用于提高轮毂电机驱动电动汽车的乘坐舒适性。彭志召等提出一种具有并联常通孔，与开关类控制策略相结合，不需要复杂的逆模型求解，极大地简化了控制过程。于建强等提出一种具有非对称力学特性的汽车，并对其力学输出特性进行了理论分析。王强等提出一种重量轻、结构紧凑的双活塞，给出了简化的阻尼力计算方法。侯保林等以某新型单缸双通道 为研究对象，对影响减振器响应时间的各环节进行研究与分析。马永品设计出一款输出阻尼力范围大、快速响应的，并对其阻尼特性、响应时间开展研究。等提出一种与 活塞头分离的新型磁路，通过解析法和有限元法对 的磁特性进行了分析。等对单筒式车用 进行了流体动力学分析，结果表明随着黏度的增加，阻尼值呈指数增加。朱晟分析了 的工作模式与力学模型，设计了一款，并利用多目标遗传算法进行结构参数优化。左强等提出并设计一种可实现圆锥液流通道的阻尼间隙连续可调磁流变阻尼器，并分析了阻尼特性与阻尼间隙之间的关系。等提出了一种压控结构的紧密型磁流变减振器，并进行了阻尼特性分析。以上学 第 期带梯形截面导磁环的全通道有效车用磁流变减振器设计者均对车用 进行了结构改进与分析，然而目前大多数流动式，需要在铁芯上缠绕一定长度的线圈用以产生电磁激励，而与线圈相邻的这一段阻尼通道中磁场强度几乎为零，为无效工作长度。因此传统流动式 存在阻尼通道有效工作长度短的问题。为增大阻尼通道的有效工作长度，在 结构尺寸一定的情况下，提高输出阻尼力，丁阳等设计了一款带有导磁环与锥型截面阻磁环的全通道有效，其磁路结构可较好地实现全通道有效，理论最大输出阻尼力较等尺寸传统剪切阀式 提高 以上，阻尼力可调范围增大了 以上。等提出一种带有弯曲磁路的，并建立了数学模型，进行了有限元分析与阻尼力性能试验，验证了其有效性。王旭东提出全通道有效 的基本设计构想，结合磁场有限元分析，设计制作了全通道有效 并进行了磁场测量试验，结果表明相对于同尺寸的传统 其最大输出阻尼力提高了 。上述的全通道有效 均是通过导磁环与阻磁环对磁路进行引导，达到阻尼通道全通道有效的目的，然而当 的结构尺寸受到限制时，导磁环安装在线圈槽中，横截面积有限，使得其磁通面积往往很小，却需要穿过较大的磁通量，易发生磁饱和现象，使其实际工程应用受限。本文针对传统 的上述缺陷，提出一种带梯形截面导磁环的新型全通道有效 以增大阻尼通道有效工作长度，减缓磁饱和，并基于磁流变液流变特性和流体动力学理论给出了具体的结构与磁路设计计算方法，将 种不同活塞结构的 进行有限元仿真对比，包括普通、带阶梯截面阻磁环的全通道有效、带锥型截面阻磁环的全通道有效、带弯曲磁路的全通道有效、带梯形截面导磁环的全通道有效。通过阻尼特性测试试验，将该新型全通道有效 与普通、带弯曲磁路的全通道有效 进行阻尼特性对比分析。最后应用线性二次高斯（）控制器进行了减振性能仿真分析。结果表明：该新型全通道有效 能显著提高阻尼通道的有效工作长度，不易发生磁饱和，且阻尼通道平均磁场强度更大，相同结构尺寸下具有更大的输出阻尼力，从而有效提高车辆的减振性能，更符合车辆悬架系统的实际工程需求。带梯形截面导磁环的全通道有效 设计.结构原理车用 需严格满足车辆悬架系统的安装尺寸限制，同时具有足够大的输出阻尼力。此外，当 控制系统失效时，还需要能够以被动减振器的形式进行工作，保证其具有失效稳定性。根据车辆悬架系统实际工程需求，设计一款带梯形截面导磁环的新型全通道有效。该新型全通道有效 结构如图 所示，包括缸筒、上下端盖、浮动活塞、活塞、活塞杆。其中缸筒被浮动活塞分为气腔和液腔，液腔被活塞分为上液腔和下液腔，上下液腔中均充满磁流变液体。活塞结构如图 所示，包括铁芯、线圈、梯形截面导磁环、阻磁环、前后支撑端盖、活塞外罩、导向环。图 带梯形截面导磁环的全通道有效 结构图 图 新型全通道有效 活塞结构剖视图 活塞截面尺寸标注如图 所示。图 中：表示与铁芯接触的部分阻尼通道长度；表示线圈槽宽度；、分别表示阻磁环截面的长度与宽度；表示梯形截面导磁环上底边宽度；表示与原点距离为 处梯形截面导磁环的截面宽度；表示线圈内半径；、分别表示活塞杆半径、铁芯外半径、活塞外罩内半径、缸筒内半径。将活塞剖面划分为 个区域并用 表示，、和 代表活塞兵 工 学 报第 卷外罩；、代表梯形截面导磁环；、和 代表铁芯；代表活塞杆。图 活塞截面简图 通过梯形截面导磁环，线圈激发的总磁通在流经铁芯端部时产生分流，部分磁通直接由铁芯穿过阻尼通道流向活塞外罩，另一部分磁通由铁芯流向导磁环，再从导磁环穿过阻尼通道流向活塞外罩。按照上述磁路结构，靠近铁芯两端与靠近导磁环附近的阻尼通道均是有效工作长度，基本实现全通道有效。为避免磁通经过两导磁环之间时直接形成回路导致漏磁，在两导磁环之间安装阻磁环。.输出阻尼力计算 通过磁流变液固液状态变化来调节阻尼特性，所以磁流变液在减振器中的流动状态必须明确，假设该新型全通道有效 的活塞速度恒定，磁流变液全部流动。阻尼通道相对铁芯直径较窄，可以看成环形缝隙。根据流体力学，环形缝隙中液体流动状况在准静态情况下可以作为平行板流动模型处理。流动工作模式 产生的输出阻尼力 可描述为 ()（）式中：为活塞有效面积；为磁流变液的黏度系数；为阻尼通道的有效工作长度；为环形缝隙中磁流变液的流量；为铁芯直径；为阻尼通道的宽度；为磁流变效应系数；为磁流变液在磁场作用下的剪切屈服应力。根据该带梯形截面导磁环的全通道有效 结构特性，可得 （）（）（）为简化模型，取 （）（）式中：为活塞运行速度。将式（）式（）代入式（），得 （）（）(（）)（）氮气与其他气体相比，具有较低的消散性，对温度的变化不敏感。可以近似认为是等温膨胀和压缩过程，遵循波义耳马略特定律，非常适宜于作为 的补偿装置。加入氮气弹簧补偿机构的影响，可得该新型全通道有效 的输出阻尼力为（）（）(（）)（）式中：为充入氮气的压强。由式（）与文献中流动式普通 阻尼力计算公式对比可知：由于阻尼通道有效工作长度加长，新型全通道有效 的输出阻尼力更大。.关键结构尺寸计算.工作缸与活塞杆尺寸计算当 的振动速度达到一定值时，开始工作，在产生阻尼力的同时开始卸荷。根据车辆安装需求确定 的缸筒外径 以及减振器总长度。根据 伸张行程的最大阻尼力，估算缸筒内半径 为（）（）式中：为最大输出阻尼力；为缸筒最大允许压力，筒式减振器取值范围通常为 ；为活塞杆半径与缸筒内半径之比，单筒式 的 取值范围为.。根据 的值，可以确定活塞杆半径为 （）.阻尼通道宽度确定将输出阻尼力 分解为由屈服应力 控制的磁流变黏滞阻尼力、由液体黏度和摩擦等引起的牛顿阻尼力，以及氮气补偿机构回弹力。回弹力主要作用是补偿液体的快速流动，设计中不应让回弹力过分影响到输出阻尼力，相比黏滞阻尼力与牛顿阻尼力而言回弹力很小，考虑可调倍数时忽略回弹力的影响。定义 的可调倍数为，（）第 期带梯形截面导磁环的全通道有效车用磁流变减振器设计 等通过试验给出了 阻尼间隙比 与 的关系图。可根据所需要的阻尼力可调倍数 值对阻尼间隙比 进行选取，从而求出阻尼通道的宽度。目前已有实验与经验证明，车用 的阻尼通道宽度 在.之间是比较合理的。.阻尼通道长度确定通常车辆行驶时减振器的振动速度范围在.之间，故在.的振动速度下，输入电流为 时，可得 的最小输出阻尼力为 （）（）（）进而可得阻尼通道长度为（）（）（）.磁路设计磁路设计中有一个非常重要的原则是，保证阻尼通道最先达到磁饱和。当磁场强度增大时，在磁路各处材料中的磁感应强度会跟着增大，但由于材料性能的限制，当某一处磁感应强度达到其材料饱和点时，磁路其他部分会受到这一处的影响磁感应强度停止增大。为了能使阻尼通道处的磁感应强度能达到要求，一般进行倒推计算，假设阻尼通道处率先达到磁感应强度的饱和点，由此计算的其他区域面积，就能保证磁路其他部分不会先于阻尼通道处达到饱和。磁路的设计主要依据安培环路定理和高斯定理。如图 所示，将活塞剖面划分为 个区域。求各区域的磁通量，有 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）()（）（）式中：（，）为穿过各区域的磁通量；为相应磁感应强度；为相应磁通面积；为穿过阻尼通道的磁通量；为阻尼通道的磁感应强度；为阻尼通道的磁通面积。对穿过梯形截面导磁环的磁通量进行计算，如图 所示，以导磁环与铁芯连接处 点为原点设立坐标系，则有 （）（）式中：、表示沿 轴与原点距离为 处穿过梯形截面导磁环的磁通量；表示相应的磁感应强度；表示相应的磁通面积。则梯形截面导磁环最大磁通量、以及最小磁通量、有 （）（）（）（）式中：、分别表示导磁环与铁芯连接处的磁感应强度以及导磁环与阻磁环连接处的磁感应强度。根据高斯定理磁通量守恒，有 （）进一步地，由于线圈槽的横截面积 需要满足线圈缠绕的需求，有（）（）（）()（）式中：为考虑线圈缠绕之间留有间隙带来的放大系