拖拉机前悬架单出杆磁流变减振器研制

Fig.1
图 1 磁流变减振器工作模式图 Working mode of magnetorheological damper
第 13 期
马
然等：拖拉机前悬架单出杆磁流变减振器研制
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活塞相对于缸体运动时，磁流变液流经阻尼通道， 液体中的磁性铁粒子在磁场作用下形成具有一定剪切屈 服应力的粒子链以抵制流体运动，从而产生阻尼力。施 加不同强度磁场，磁流变液具有不同大小的剪切屈服应 力，实现阻尼可调。 基于 Bingham 模型的本构方程和流体力学连续性原 理得阻尼通道两端压力差为 12 QL 3L y p （1） h bh3 Q A 0 （2）
收稿日期：2012-01-04 修订日期：2012-02-20
拉机前桥悬架系统的磁流变减振器在国内还是空白。 为实现减振器出力可调，从而进行拖拉机前桥悬架 半主动控制，结合某大功率轮式拖拉机，研制一种单出 杆磁流变减振器。通过减振器特性试验研究了其动态力 学特性，为实现基于磁流变减振器的半主动空气悬架的 控制研究提供了参考。
F 3 Lπ D 2 d 0 2 2( D0 h)h3
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式中，[P]为缸内最大许用应力，一般为 2～4 N/mm2，本 文取 2 N/mm2；λ 为活塞杆直径与工作缸直径之比，单筒 减振器约为 0.3～0.35，本文取 0.35。 由式（10）得工作缸内径约 36 mm，参考标准 GB/T 2348-1993 ，取工作缸内径 Dcyl=40 mm ，活塞直径 D= 39 mm，从而活塞杆直径约为 d0=0.35×40=14 mm；车辆 底盘悬架限位行程一般为 100 mm，本设计中活塞行程取 为 160 mm。 2.2 磁路结构设计及主要参数的确定 用活塞内的两段圆弧形间隙作为阻尼通道，每个间 隙开口夹角为 150°，见图 2。
1.补偿气室 2.浮动活塞 3.工作缸
4.磁流变液
5.下活塞 6.套筒
7.线圈 8.上活塞 9.阻尼通道 10.活塞杆 11.导线 12.组合式导向座
Fig.3
图 3 磁流变减振器结构 Structure of magnetorheological damper
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试验及结果分析
3.1 试验条件与测试方法 选用重庆仪表材料研究所生产的 J01T 型磁流变液， 根据国家标准 QC/T545-1999 汽车筒式减振器台架试验方 法，输入正弦激励振幅为± 50 mm，最大速度为 0.1 ～ 0.5 m/s，间隔 0.05 m/s；输入电流为 0～2 A，间隔 0.2 A。 各因素水平值见表 1。
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第 28 卷 2012 年
第 13 期 7月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.28 No.13 Jul. 2012
拖拉机前悬架单出杆磁流变减振器研制
马 然，朱思洪 ，伊力达尔，史俊龙，Talpur M A
※
0
引
言
磁流变减振器具有结构简单、能耗低、响应速度快、 阻尼力可调可控等优点，已广泛应用于车辆悬架和建筑 物抗震等领域[1-18]。工程应用实际表明，应用磁流变减振 器的车辆半主动悬架系统可有效提高其对车辆行驶工况 的适应性，改善车辆的乘坐舒适性、操纵稳定性和行驶 安全性。 国内外车辆制造商和科研机构对磁流变减振器开展 了大量理论和试验研究，开发了不同结构形式的磁流变 减振器。 Nam Y J 对单出杆和双出杆 2 种旁路式磁流变减 振器进行了研究，建立了其动态阻尼力模型，用试验和 仿真的方法验证了 2 种结构的磁流变减振器都有较好的 振动控制性能[19]；Sevki C 等人设计并制造了一种磁流变 减振器，用理论和试验的方法研究了其动态性能，研究 表明， Bingham 塑性模型能较准确地预测阻尼力范围[20-22]； 国内部分高校和科研机构也对磁流变减振器进行了一些 研究。陈杰平设计了一种单出杆汽车磁流变减振器，建 立了不同工作模式下的数学模型,试验验证了结构设计及 所建模型的合理性[23]；张红辉和贾永枢等人通过理论分 析和试验对磁流变减振器力学性能进行了研究，取得了 有价值的研究结果[24-27]。但到目前为止，适于大功率拖
（南京农业大学工学院，南京 210031） 摘 要：针对拖拉机减振性能差的问题，在分析车辆磁流变减振器工作模式基础上，建立了基于流动模式的阻尼力理论 计算模型。根据某大功率轮式拖拉机前桥悬架减振器的工作要求，研制了一种单出杆磁流变减振器。试验研究了输入电 流和激励速度对减振器阻尼力的影响。试验结果表明：在低速情况下，阻尼力可控倍数达 5.9；减振器饱和工作电流约 1.8 A，最大输出阻尼力约 1370 N。试验验证了所提设计思路和方法的有效性，并为阻尼可调式半主动空气悬架的控制研 究提供了依据。 关键词：拖拉机，空气悬架，设计，磁流变减振器，阻尼可调 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.13.005 中图分类号：TH135 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2012)-13-0028-06 马 然，朱思洪，伊力达尔，等. 拖拉机前悬架单出杆磁流变减振器研制[J]. 农业工程学报，2012，28(13)：28－33. Ma Ran, Zhu Sihong, Yi Lidaer, et al. Development of single outstretch pole magnetorheological damper on tractor front suspension[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(13): 28－33. (in Chinese with English abstract)
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阻尼力理论计算模型
大功率轮式拖拉机悬架减振器动行程较大，在结构 尺寸和强度上有严格要求，以磁流变液为介质的磁流变 减振器只能采用流动模式或剪切模式，由于流动模式结 构可减小导向活塞长度，增大减振器行程，故采用流动 模式，如图 1 所示。由于环形阻尼通道宽度远小于活塞 半径，故可将其视为磁流变体在两相对固定平行板之间 的流动。
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ห้องสมุดไป่ตู้
b ( D0 h)
式中，η 为磁流变液的零场黏度，Pa/s ；τy 为磁流变液剪 切屈服应力， Pa， 与磁感应强度有关； D 为活塞直径， m； D0 为环形槽直径，m；d0 为活塞杆直径，m；L 为阻尼通 道长度，m；h 为阻尼通道宽度，m；b 为两平行板宽度， m；Q 为液体体积流速，m3/s；A 为活塞有效作用面积， m2；ν0 为活塞速度，m/s。 由于所设计的减振器为两级阻尼通道串联，其阻尼 力为 F 2pA （5） 由式（1）～（5）得单出杆磁流变减振器阻尼力数 学模型为
资助项目: 江苏省普通高校研究生科研创新计划（CXZZEE-D654） ；江苏省 科技成果转化专项资金资助项目（BA2010055） 作者简介：马 然（1984－） ，女，山东济宁人，博士生，主要从事车辆系 统动力学及控制研究。南京 南京农业大学工学院，210031。 Email: marandxx@ ※通信作者：朱思洪（1962－） ，男，湖北荆州人，博士，博士生导师，1993 年赴德国德累斯顿工业大学机械科学系研修， 主要从事车辆系统动力学及控 制研究。南京 南京农业大学工学院，210031。 1.下活塞 2.工作缸 3.线圈 4.活塞杆 5.阻尼通道 6.上活塞 注：D 为活塞直径；D0 为环形槽内径；d0 为活塞杆直径；d 为磁芯直径；L 为阻尼通道长度；H 为工作缸壁厚；h 为阻尼通道宽度。
活塞和工作缸材料分别选用具有较强磁导率的纯铁 和 45 号钢。通过试验可知，活塞内 2 个阻尼通道连接处 材料的选用是磁路结构设计的关键。连接处材料为纯铁 时，由于阻尼通道内磁流变液磁导率远小于纯铁的磁导 率，而磁力线优先选择导磁性较强的材料通过，因此， 磁力线由活塞端面穿过两段阻尼通道连接处到达工作 缸，阻尼通道处无磁力线通过，磁流变液流变特性不变。 为使磁力线以垂直于液体流动方向穿过阻尼通道，连接 处材料的磁导率应不大于磁流变液的磁导率，选用不导 磁的 304 铬镍奥氏体不锈钢，通过焊接将两段阻尼通道 联接。 根据式（6），磁流变减振器阻尼力大小与其结构参 数密切相关，设计时考虑结构尺寸变化对其出力性能的 影响，结合磁路有限元分析,确定阻尼通道宽度 h= 1 mm， 工作缸壁厚 H=7 mm， 磁芯直径 d=16 mm， 长度 L=15 mm， 环形通道内径 D0=33 mm， 线圈 398 匝， 由线径 Φ0.59 mm 的聚酯漆包铜线绕制而成，长度 30 mm。线圈电阻 3 Ω， 允许最大电流为 2 A。
A ( D 2 d 0 2 ) / 4
下， 磁流变减振器定义在 0.52 m/s 速度下的阻尼力范围为 520 N ≤ F ≤ 1 742 N （9） 工作缸内径可根据最大阻力 Fmax 和缸内最大许用应 力估计
Dcyl
4 Fmax π P (1 2 )
（10）
（3） （4）
在各因素组合下的共 99 种工况下，对自行研制的磁 流变减振器进行示功特性和速度特性测试，试验现场如 图 4 所示。
Fig.4
图 4 磁流变减振器测试现场 Scene of magnetorheological damper test
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农业工程学报
2012 年
2.3 结构设计 减振器总体结构示意图如图 3 所示。设计组合式导 向座， 导向座与工作缸及活塞杆之间用 O 型密封圈密封， 活塞杆中心细长孔注入环氧树脂胶密封。由于减振器为
单出杆结构，活塞杆占用部分体积，流入下腔的磁流变 液不能完全填充下腔空间，会造成减振器压缩过程中的 “空行程”现象，为消除这一现象，设计补偿气室，由浮 动活塞与下腔隔离。