用于车辆悬架的磁流变减振器研究动态_刘韶庆

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摘要: 出于提高车辆悬架性能的目的, 国内外对主动、半主动悬架相关技术展开了深入研究, 磁流 变减振器因为 具有能耗低、响
应快、可控性好等特点而受到特别关注。对磁流变减振器的设计需要在 深入研究 其工作模 式和力学 模型的基 础上, 探讨减 振器内
部磁场和流场分布规律, 研究结构参数对阻尼力的影响以及磁路结构 的优化设 计。对于目 前存在的 响应滞后、高温衰退等 问题有
磁流变液是 1948年由美国学者 R ab inow J发明的一种流变性能
可由外界磁场控制的智能材料 [ 3], 磁流 变技术研究 的主要目 标就是 利用磁流变液 (Magnetorh eological F lu id, 简称 MR F) 在外加磁 场作用 下改变流变特性这一特点, 开 发出能智 能控制 的 MR 阻尼器。 磁流 变液在外加磁场的作用下可以被 磁化, 磁 化后的颗 粒相互作 用聚集 成链或柱状有序结构, 在宏观看来, 就是由自由流动的状态 转变为类 固态, 发生了 相变; 而一旦磁 场撤去, 磁流变 液又恢复为自由 流动状 态。由于其响应快 (m s量级 )、可逆性好 (撤去磁场后, 又恢复初始状 态 )、可以通过调节磁场大小来控 制材料的 力学性能 连续变化, 因此 开发出来的 磁流变阻尼器具 有体积小、阻尼 力大、动态范围 广、频响 高、适应面大等特点, 特别是它能根据系统的振动特性产生 最佳阻尼 力 [ 4] , 因而 在智能结构 领域具有 广阔的应 用前景, 是国际上 研究的 热门课题之一, 在国内也不断受到重视。
响应滞后, 磁路结构设计和优化 等方面的 研究的关 注程度还 十分不 够, 更未见有在汽车上使用的成熟产品, 而这些方面的进 展很大程度 影响着磁流变减振器的性能和在车辆悬架上的应用。
2 设计的主要研究内容
2. 1 工作模式和力学模型 [ 4~ 5] 目前磁流变减振器主要是基于流动模式、剪 切模式、挤 压模式 3
程为
F = Az+ c0 (x - y) + k0 ( x - y) + k1 ( x- x0 ) 其中参变量 z的控制方程为
z= - E |v |z| z|n- 1 - Dv |z |n + Av
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B ou c2wen 模型
改进的 Bouc2w en模型
磁流变减振器的内特性研究主要包括内部磁场与流场 分布与特 性研究, 以及磁路的结构优化设计等方面。 2. 2. 1 内部流场分布与流动特性的研究
名称
模型
宾汉姆模型
图 1 De lphi公司生产的磁流变减振器 F ig. 1 MR D empe r o fD e lphi
国内的相关研究是近几年 才开始的, 研 究内容主 要集中在 磁流 变材料以及减振器阻尼力的计算理论方 面 [ 5~ 7] , 并 且也取得 了较大 的进展。但是对于影响减 振器性能的 其他关 键问题 ) ) ) 高温 衰退、
待深入研究。磁流变减振器的开发要和悬架系统参数设计结合起来, 与系统实现完好匹配才能开发出 能显著提高车辆 悬架性能的
磁流变减振器。
关键词: 车辆; 半主动悬架; 磁流变液; 磁流变减振器
中图分类号: U 463. 33+ 5. 1
文献标识码: A
文章编号: 1006- 0006 ( 2008) 01- 0017- 03
了磁流变 液 既 不同 于 流体 也 不 同于 固 体 的可 控 流 体特 性。基 于
B ingham 模型的减振器阻尼力表达式为
F=
3PGL (D2 4D h3
d2)2v+
3LP
(D 2 4h
d2 ) Sy sgn (v)
但该模型只能较准确地模 拟后屈服 阶段, 无法表 述磁流变 液的
全面流变特性。能够反映力与 位移的非 线性关系, 但是对于 力与速
Ke y wo rds: V eh ic le, Sem i2ac tive suspension, MR fluid, MR damper
车辆悬架系统中的减振器 的主要作 用是提供 阻尼力, 加 速车架 与车身振动的衰减, 从而改 善车辆行 驶平顺性。当 前汽车上 普遍采 用的被动悬架, 因为弹簧刚度和减振器阻尼系数等参数 固定, 减振器 的阻尼力不可调, 其弹簧的刚度 特性和减 振器的阻 尼特性不 能随着 车辆运行工况的变化而进行调 节, 难以同 时满足平 顺性和操 纵稳定 性的要求。
种工作模式设计的, 车辆半主动悬架阻尼器由于行程较 大, 因此在结 构尺寸和结构强度设计上的要 求比较严 格, 大多采 用流动模 式以及
流动模式和剪切模式混合的工作模式来设计。
在不加磁场的状况下, 磁流变 体的表 现符合 Newton 流体, 其切
应力与速度梯度的关系满足
S=
L
du dy
在有外加磁场的情况下, 对磁 流变液器 件的力学 行为描述 的模
度之间的对应不一致, 实际的试验数据中存在着滞后现象。
来自百度文库Bouc2wen 模型是针对磁流 变液阻尼 器建立的 参数模型, 是 现今
被大量试验所证实的一种较好 的试验模 型, 常用来 分析非线 性滞后
行为, 基于该模型的 MR减振器阻尼力表达式为
F = c0v+ k0 ( x - x0 ) + Cz 对此做进一步的 改进, 即 得到改 进的 Bouc2wen 模型, 其力 学方
工业发达国 家正 致 力于 研 究基 于 振动 的主 动 /半 主动 悬 架系 统 [ 1~ 2] , 主要开展了两方面的研究工 作。其一是在 原有的液 力悬架 系统上进行改造, 引入主动或半主动控制方式, 它通过采 用机械式可 变阻尼减振器和可变刚度的弹簧 (如空气弹簧 ), 结 合传感器 和电控 单元, 对悬架系统的阻尼和刚度进行控制。但是, 半主动 机械式阻尼 减振器通过调节节流孔的开口 改变流通 面积来调 节阻尼系 数, 不易 实现细微调节。其二就是研制主动 /半主动控制的新型智能材料 (流 变材料 )的减振器。磁流变阻尼 器是利用 磁流变液 体具有表 观粘度 随剪切速率和外加场强的变化而改变的特性, 研制的新 型减振器, 能 够作为半主动悬架减振的 执行器。在外 加电场作 用下, 磁流 变阻尼 器的阻尼力可在几 m s之内实现无级调节, 能够实现悬架振动的在线 半主动控制, 根据系统的振 动特性产 生最佳阻 尼力。而且在 零磁场 下相当于传统的被动型粘滞阻尼器, 具有较强的可靠性。 1 国内外的研究和应用现状
拖拉机与农用运输车 第 1期 2008年 2月
该模型应用很广, 可以成功地用来描述多种形式的滞后行为。
2. 2 内特性研究
目前对磁流变减振器的研究 报道论文 比较多, 但 是关于其 内特
性研究的相关文献却很少见。国外主要涉及到技术保密等 原因很少
公布, 国内在这方面的的研究还有待深入。
表 1 几种常见力学模型对照 T ab. 1 Fo rce M ode l ofMR Dam pe r
第 35卷第 1期 2008 年 2 月
拖拉机与 农用运 输车 T ractor& F arm Transporter
Vo.l 35 No. 1 Feb. , 2008
用于车辆悬架的磁流变减振器研究动态
刘韶庆 1, 2, 周孔亢 1, 袁善发 1, 姚 斌 1, 贾永枢 1, 3
( 1. 江苏大学 汽车与交通工程学院, 江苏 镇江 212013; 2. 南车四方机车股份公司技术中心, 山东 青岛 3. 浙江工贸职业技术学院, 浙江 温州 325003)
R esea rch Deve lopm en t o fMR Dam pe rs U se d on S em i2ac tive S u spe ns io n
LIU Sha o2qing1, 2, ZHOU Kong 2kang1, YUAN Shan2fa1, YAO B in1, J IA Yong2shu1, 3
Abs tra c :t Investigation have been done on active and sem i2active suspensions to im prove the perform ance of veh icle.
MR dampers has a ttracted attention for its low2expende r, short response tim e character istics. Work2m ode and dynam ic mode l ofMR dampers had be stud ied. The structure ofMR damper can be optim ized by research ing the distributing ru le of magnetic fie ld and flow fie ld. F arther study shou ld be done on the questions of response lag and tem pe rature. The pa ram e ter ofMR dam per and suspension shou ld be m atching as the MR dam pe r be used on suspens ion.
磁流变减振器主要是通过活塞处的磁场变化控制流体 黏度来改 变阻尼力, 流体黏度状态发生变 化时必然 会影响工 作缸内流 体的流 动特征, 因此磁流变减振器内部 流场在活 塞运动过 程中发生 着复杂 的变化, 对内部流场的分布与流 动特征的 研究可以 精确判断 减振器 的阻尼性能, 提高结构设计的可靠性。
收稿日期: 2007- 01- 09 基金项目: 江苏大学博士创新基金资助项目 ( 2005014); 浙江省教育厅资助项目 (20061616)
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制的磁流变实时减振装置, 据称是世界上反应最快的悬 挂控制系统, 如图 1所示。 ZF 公司在 2005 年 4 月的上海车展 上和 Delph i公司同 时展出了带有控制器的 磁流变 减振器。 而 Lord 公司拥 有较多 的磁 流变流体的专利, Delph i公司则拥 有较多 的磁流 变流体 产品结 构专 利。美国 V irgin ia大学在磁流变阻尼器的 控制理论 和实车应 用方面 的研究较为深入。
型比 较 多, 主 要有 宾 汉姆 ( B ingh am ) 模 型、Bou c2wen 模 型、改进 的
Bouc2wen 模型和五参 数粘弹性塑性模 型等。对于宾汉姆 模型, 对磁
流变液剪切力与剪切速度之间的关系描述为
S = Sy (H ) sgn(#C) + GC# 式中的第一项是库伦剪切力, 第二项称为粘滞剪切力, 这 一模型体现
美国 Lord 公司较早 开始专业 研究、制 备和销售 磁流变液, 并开 发磁流变液应用器件, 突破了可控磁流液阻尼 器 (简称 MR 阻尼器 ) 的产品化实现技术, 1998年开始生产用于 载货汽车 座椅的半 主动可 控磁流液阻尼器。 Ford汽车公司的磁流变液小组长期从事 磁流变液 的机理及应用研究。制造赛车的 Carrera公司也于 1998 年将 其生产 的 M agn eShock 可控磁流变阻尼减振器系统 装备在赛车上, 目 前正在 着手开发第二代磁流变减振 器。美国通 用汽车 公司在 2003 年 1 月 首次亮相的凯迪拉克 SR X豪 华多功 能车上 率先使 用了 D elph i公司 生产的磁行车控制系统 ( M agn et icR ideCon trol Sys tem ) , 这 种 电 子 控
( 1. School of Au tom ob ile and Traffic Engineer ing, J iangsu University, Zhenjiang 212013, China;
2. Technology Development C ente r, CSR S ifang Locom otive& R olling Stock Co. , LTD. , Q ingdao 266111, Ch ina; 3. Zhejiang Industry& Trade Pohytechn ic, W enzhou 325003, Ch ina)