（载运工具运用工程专业论文）基于磁流变阻尼器的座椅悬架设计与仿真.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 对于长期作业和行驶在恶劣环境中的农用车辆、林用车辆以及工程车辆等 非公路车辆，磁流变座椅悬架提高其乘坐舒适性是最为简单直接和经济的方法。 鉴于工程车辆的非公路车辆在平坦路面上行驶时的乘坐舒适性较好，而在复杂 不平路面上行驶时振动强度较大的状况，考虑到延长磁流变阻尼器的寿命和节 省能量消耗，本文对座椅悬架进行了以下设计。 首先，对磁流变减振技术的机理进行了阐述，介绍了磁流变阻尼器的多种 数学模型，对型号r d 1 0 0 5 3 磁流变阻尼器进行外特性试验和减振特性试验， 根据磁流变阻尼特性测试数据，拟合了其库仑力一电流的关系曲线，为磁流变 半主动悬架控制系统的设计提供了依据。 其次，建立了带有座椅的1 2 车辆五自由度模型，并在b 级路面条件下，利 用m a t l a b 辅助优化设计对车辆座椅的垂向刚度、阻尼值进行了优化，降低了司 机在平坦路面上所承受的振动强度。 再次，在剪式座椅悬架的基础上确定了磁流变阻尼器的安装方式，对座椅 悬架的动态特性进行了受力分析，得出了它的垂向等效刚度和等效阻尼的表达 式，分析了悬架结构对垂向等效刚度的影响，得出了阻尼器的倾斜角，同时得 出了座椅悬架的动态特性参数。 最后，针对不平度较大的d 级路面和正弦激励路面，建立了磁流变座椅的 模糊控制策略，并借助m a t l a b s i m u l i n k 进行了大量的仿真研究，仿真结果表明： 采用模糊控制的磁流变座椅能够较好的抑制座椅垂直方向上的振动，较被动座 椅悬架有了较大的改善，提高了座椅乘坐的舒适性。 关键词：磁流变阻尼器，优化，模糊控制，剪式座椅悬架 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c h e ss h o wt h a ti ti st h es i m p l e s t ，d i r e c t e s ta n dm o s te c o n o m i c m e t h o du t i l i z i n gm a g n e t o - r h e o l o g i c a ld a m p e rs e a ts u s p e n s i o nt oi m p r o v e t h er i d ec o m f o r tf o rt h eo f f - r o a dv e h i c l e ss u c ha sa g r i c u l t u r a la n df o r e s t r y m a c h i n e r yc o n s t r u c t i o na n dq u a r r y i n g v e h i c l e sa n dm a c h i n e r ye t c w h i c h c o m m o n l yw o r ka n dr u ni nw o r s ee n v i r o n m e n t i nv i e wo ft h en o n r o a d c o n s t r u c t i o nv e h i c l e s ，v e h i c l e sd r i v e no naf l a tr o a dw h e nab e t t e rr i d e c o m f o r t ，b u ti nac o m p l e xv i b r a t i o nw h e nd r i v i n go nu n e v e np a v e m e n t s t r e n g t ho ft h el a r g e rs i t u a t i o n t oe x t e n dt h el i f eo fm a g n e t o r h e o l o g i c a l d a m p e ra n ds a v ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，i nt h i sp a p e r , t h es e a t - s u s p e n s i o n i sd e s i g n e df o rt h ef o l l o w i n g f i r s t ，t h ed a m p i n gm e c h a n i s mt e c h n i q u e sa r ed e s c r i b e da n dav a r i e t y o f m a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e r m a t h e m a t i c a lm o d e lw i t ht h e i r m a t h e m a t i c a le x p r e s s i o na r ea n a l y z e d e x p e r i m e n th a sb e e nd o n et ot e s t t h ed a m pc h a r a c t e r i s t i c so fl o r dr d - - 1 0 0 5 - 3m rd a m p e r a c c o r d i n gt o t h et e s td a t a ，t h e r ea r el i n e a r i t yr e l a t i o nb e t w e e nt h ec o u l o m bd a m p e r f o r c ea n dc u r r e n t ，a n di t p r o v i d e st h eb a s i sf o rm a g n e t o - r h e o l o g i c a l s e m i - a c t i v es u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e md e s i g n s e c o n d , ad y n a m i cs y s t e mm o d e lo fh a l fv e h i c l ew i t h5 - d o fi s e s t a b l i s h e dw i t hn u m e r i c a lc o u n ta n dt h er o a dm o d e li sb u i l du pb y f i l t e r e dw h i t en o i s em e t h o d t h e ni nt h eb r o a dc o n d i t i o n s ，t h es t i f f n e s s 江苏大学硕士学位论文 a n d d a m p i n gv a l u e s o f v e h i c l es e a ta r e o p t i m i z e du s i n gm a t l a b o p t i m i z a t i o nt o o l b o x t h ed e s i g nr e d u c e sv i b r a t i o ni n t e n s i t yt h a tt h e d r i v e rs u f f e r e dw h e nd r i v i n go nf i a tg r o u n d t h i r d ，t h ei n s t a l l a t i o no fm a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e ri sd e t e r m i n e d b a s e do nt h ec o n s t r u c t i o no fs c i s s o r sl i n k a g es e a ts u s p e n s i o n t h e nt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h es e a ts u s p e n s i o na r ea n a l y z e da n dt h er e s u l t s h o w st h a tt h ev e r t i c a le q u i v a l e n ts t i f f n e s sa n dv e r t i c a le q u i v a l e n th a v e r e l a t i o n sw i t ht h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fs e a ts u s p e n s i o n l a s t ，f o rt h es i t u a t i o nd c l a s sr o a da n ds i n u s o i d a le x c i t a t i o nr o a d w i t h l a r g e rr o u g h n e s s ，am a g n e t o - r h e o l o g i c a ls e a t ss u s p e n s i o nf u z z y c o n t r o ls t r a t e g yi se s t a b l i s h e d a n das e r i e so fs i t u a t i o n sa r ed o n et ot e s t a n dv e r i f yt h es t r a t e g y t h er e s u l ts h o w st h a tm a g n e t o - r h e o l o g i c a ls e a t s s u s p e n s i o nw i t hf u z z yc o n t r o ls t r a t e g yc a nr e d u c et h e v e r t i c a ls e a t v i b r a t i o nm o r ee f f e c t i v e l yt h a np a s s i v es e a ts u s p e n s i o n k e yw o r d s ：m a g n e t o r h e o l o g i c a l f l u e n t d a m p e r , o p t i m i z a t i o n , f u z z y c o n t r o l ，s c i s s o r sl i n k a g es e a ts u s p e n s i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：蝴 2 d 如年6 月1 2 _ e l 指剥雠：肴铤 2 oid 年6 月j 乙日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：橼 日期：2 0 1 0 年5 月 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着整体国民经济的发展，中国汽车工业有了较大的发展，近两年来更是发 展迅速。与此同时，汽车消费、汽车保有量明显增加，国民对汽车的消费也日趋 理性。人们不仅仅满足于把汽车作为代步工具，而且对车辆的各种配置要求越来 越高，对乘坐的舒适性要求同益提高。 大量的研究结果表明，高强度的全身振动会对人体的腰椎、脊柱、胃和肾脏 等器官造成伤害【1 。5 】，而最易遭受这种振动伤害的是农用车辆、林用车辆以及工 程车辆等非公路车辆的驾驶员。非公路车辆长期作业和行驶在恶劣环境中，由于 作业需求以及结构和制造成本的限制，多数采用结构简陋的悬架或刚性悬架，因 此，在作业和行驶过程中产生强烈的振动，致使驾驶员长时间承受低频( 2 8 h z ) 高强度的乘坐振动，从而引发脊椎畸变、胃病等职业性疾病，严重地损害驾驶员 的身心健康，降低工作效率。 汽车座椅作为汽车的基本装置、直接与人接触的部件，将人体和车身联系在 一起。它伴随汽车的诞生而出现，1 8 8 6 年德国人戴姆勒制成了最早的汽车座椅， 其座垫以棉花等软填料作为芯子，靠背用木板和木条围成嗍。一百多年来，随着 汽车的发展和人们要求的不断提高，汽车座椅已不是单纯满足乘坐和美观需求的 车身部件，而是关系到汽车的乘坐舒适性和安全性，集人机工程学、机械振动、 控制工程等为一体的系统产品。汽车座椅舒适性已成为重要的研究方向之一。 1 2 车辆座椅的减振意义及分类 1 2 1 座椅悬架对动态舒适性的影响 随着汽车技术的飞速发展，人们对汽车的乘坐舒适性要求也越来越高汽车振 动系统主要有轮胎、汽车悬架和座椅三个减振环节川。研究表明： ( 1 ) 轮胎气压降低，减少轮胎垂直刚度，有利于提高汽车的平顺性：但轮胎 江苏大学硕士学位论文 气压的降低会增加轮胎变形，影响其使用寿命。 ( 2 ) 对汽车悬架来说，适当降低悬架刚度，增加阻尼，有利于提高汽车平顺 性；但是悬架、阻尼的改变会影响操纵稳定性和制动稳定性，而这些性能对悬架 参数要求是互相矛盾的，改动余地很小。 ( 3 ) 座椅动态参数的改变对汽车的其它使用性能没有影响，而且制造方便易 行，周期短，见效快。 汽车座椅的动态舒适性与座椅以及人体的振动特性密切相关。人体是一个复 杂的系统，在不同的姿态下所表现出来的振动特性也各不相同：在立姿状态下， 人体的共振频率在5 - 1 2h z ；在卧姿状态下，人体的共振频率在3 - 4h z ；在坐 姿状态下，人体的共振频率在4 - 6h z 。其中胸、腹部的共振频率在4 8h z ， 头、颈部的共振频率在2 0 - - 3 0h z ，由此看来，人体的振动响应分布在低频3 0h z 以下。研究结果表明：4 - 8i - i z 是人体对垂直方向振动的敏感区域，此时身体部 分区域容易产生共振，随着频率的增高，敏感度下降。因此，在进行汽车和座椅 动态舒适性设计时尽量避开这些区域。另外，座垫、靠背、地板三个支撑面中， 座垫与人体接触表面垂直方向的振动对人体的影响最大，占三个方面中的 7 0 1 8 1 。那么，在动态舒适性设计时应把座挚的垂直振动研究放在首位。 为了提高汽车的乘坐舒适性，除了要提高路面品质以减少振源外，更主要的 是使汽车因路面等产生的振动有良好的隔振性能。汽车上除了隔振能力较小的轮 胎外，悬架和座椅的特性，以及它们的相互匹配是十分重要的。因此，座椅设计 就是要合理的选择振动参数，力图减小传到人体的振动加速度，尽量避免传递人 最敏感的频率的振动。对汽车而言，垂直振动对舒适性的影响最大，而对振动影 响最大的因素，则是振动系统的固有频率和传递函数1 9 1 。 1 2 2 被动驾驶员座椅悬架系统 早期的驾驶员座椅没有弹性悬架系统，座椅骨架与车辆底板呈刚性联接。为 了增加座椅的弹性，常用纵横交错的勾簧作为座垫支撑。这种结构的座椅隔振效 果十分有限，有时还放大振动强度。随着科学技术和经济的发展，人们对车辆乘 坐舒适性的要求越来越高，刚性连接的驾驶员座椅已经基本为弹性悬架结构的驾 驶员座椅所代替简化，模型如图1 - 1 ( a ) 所示。驾驶员座椅的弹性悬架通常包括 2 江苏大学硕士学位论文 导向机构、弹性元件、阻尼元件以及悬架高度调节机构等几部分。弹性元件的存 在使得驾驶员座椅的振动固有频率大大低于刚性联接的驾驶员座椅，因而能部分 地避开车辆底盘的振动固有频率和人体的敏感受振频段，提高驾驶员的乘坐舒适 性。此外，合理地选择座椅悬架中阻尼元件的阻尼值，可以使其吸收大部分来自 车辆底板的振动能量。 但对于线性弹性特性的驾驶员座椅悬架来说，座椅振动固有频率与悬架静位 移和动行程之间是一对矛盾，：若座椅悬架刚度太大，悬架系统的振动固有频率将 增大，低频隔振效果将变差，难以满足乘坐舒适性的要求；若悬架刚度太小，座 椅的静位移和振动行程将增大，但过大的静位移常常为总体布置空间所限制而难 以实现，而过大的振动行程则会使驾驶员操纵紊乱，容易引发事故。 1 2 3 主动和半主动座椅悬架系统 针对被动驾驶员座椅悬架存在的问题，自二十世纪八十年代以来，人们就提 出将主动和半主动悬架引入驾驶员座椅的设想，并进行了大量的研究【1 0 】- 【1 2 1 。半 主动悬架的简化模型如图所示，由可变特性的弹簧和阻尼器组成。其基本工作原 理是根据簧上质量相对车轮的速度响应和加速度响应等反馈信号，按照一定的控 制规律调节可调弹簧的刚度或可调阻尼器的阻尼力。半主动悬架在产生力的方面 近似于被动悬架，但是其阻尼系数或刚度系数是可变的。 半主动驾驶员座椅悬架系统兼备主动座椅悬架隔振性能良好和被动座椅悬 架结构简单、成本低的优点。它无需外界输入能量，可以在一定范围内对悬架弹 簧的刚度和或阻尼器的阻尼系数进行适应性调节，其隔振性能介于被动座椅悬 架与主动座椅悬架之间。 主动控制悬架简化模型如图1 1 ( b ) 所示，由弹性元件和一个力发生器组成。 力发生器的作用在于改进系统中能源的消耗并供给系统以能量，该装置的控制目 标是要实现一个优质的隔振系统，而又无需对系统作出较大的变化。因此，只需 使力发生器产生一个正比于绝对速度负值的主动力，即可实现该控制目标。这种 悬架的减振效果非常理想。 3 江苏大学硕士学位论文 a 被动座椅悬架b 主动和半主动座椅悬架 1 传感器2 可调阻尼器3 力发生器 图1 - 1 三种座椅悬架的简化模型 f i g1 - 1s i m p l i f i e dm o d eo ft h r e et y p e so fs e a ts u s p e n s i o n 显然，主动驾驶员座椅悬架是从根本上解决振动隔离问题的最有效的方法， 但由于其对力发生器的响应速度要求高，导致其结构复杂，成本高，且能量消耗 大，这些因素制约了其在车辆上的普及应用。相比之下半主动驾驶员座椅悬架， 虽然其隔振效果不及主动驾驶员座椅悬架，但己在很大程度上提高了座椅悬架的 隔振性能，而且无需外界能量的输入，工作可靠，因而具有很大的应用前景。目 前所研究的驾驶员座椅半主动隔振系统主要由刚度可调的空气弹簧或由阻尼可 调的电流变液( e r ) 、磁流变液( m r ) 阻尼器以及普通的油液阻尼器等构成的系统。 1 3 磁流变技术介绍 1 3 1 磁流变技术的应用及现状 磁流变液( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d 即m r 流体) 是一种具有工程应用价值的 新型智能流体材料，它在无外磁场作用下表现为流动良好的液体状态，但在中等 强度磁场作用下可在短时间( 毫秒级) 内增加2 个数量级以上的表观粘度，并呈现 类似固体的力学性质，且粘度呈连续、无极、可逆变化，即一旦撤掉磁场后，又 还原为流动液体。整个转化过程极快，易于控制，能耗极小，可实现实时主动控 制。磁流变液是当前智能材料研究的一个重要支柱，在汽车、机械、航空、建筑、 仪表、医疗等领域具有广阔的应用前景。 4 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 磁流变液的组成和特点 磁流变液主要由载液、可磁化的分散粒子、表面活性剂组成【1 3 1 。载液一般 为硅油、矿物油、烃类、酷类、聚苯醚甚至纯水等，要求其热稳定性和化学稳定 性好、挥发性低、适用温度宽。可磁化的粒子可以是铁、钴、镍等磁性材料的合 金，或者是复合磁性材料的颗粒。表面活性剂的主要作用是稳定磁流变液的化学、 物理性能。 磁流变液与电流变液相比，具有许多优点【1 5 1 ：屈服应力更大。磁流变液 和电流变液都具有塑性特性，然而，前者的屈服应力明显大于后者。通过磁场作 用很容易获得8 0 k p a 以上的屈服应力，而最好的电流变液只有3 k p a 的屈服应力。 温度范围宽。性能优良的磁流变液可以在4 0 1 5 0 的温度范围内工作。稳定 性好。磁流变液的性能不受在生产、应用过程中引入的少量杂质的影响，而且可 以在更大范围内选用添加剂。磁流变液在装置中用量远远小于电流变液，使装 置结构更为紧凑，质量更轻，更加适合于运动系统中的应用。安全性高。磁流 变液装置中没有运动部件，工作平稳可靠：只需普通的低压电，利用电磁感应回 路就可以产生用来激活和控制磁流变液的磁场，工作环境安全。 1 3 3 磁流变阻尼器在减振领域的应用 磁流变阻尼器是磁流变技术研究的一大热门。磁流变阻尼器在建筑结构领域 的研究非常活跃。1 9 9 5 年，在英国设菲尔得( s h e f f i e l d ) 召开的第五届电、磁流变 液以及相关技术研讨会上，美国l o r d 公司展示了应用磁流变液的上市产品。其 中一种是用磁流变液制成的卡车座位阻尼器，见图1 2 。它全长1 5 c m ，在磁场区 域内效的流体量仅为0 3 c m ，用于产生磁场的电力功耗为1 5 w 。这种磁流变液减 振阻尼器可以直接替代普通阻尼器，使卡车座位的振幅减少2 0 - - 5 0 ，大大减 小了卡车司机在矿山等崎岖道路上驾车的危险【垌。 5 江苏大学硕士学位论文 幽1 - 2 l o r d 公可研制的庠椅磁流变阻尼器 f 嘧1 - 2 t h e m r d a m p e r s c a td c v c l o p c x lb y l o r d c m 。p o r a t i o n 韩国学者s e u n gb o kc h o i 开发了客车悬架系统磁流变阻尼器，该阻尼器足 烈筒结构，起阻尼通道位于工作缸的两端，在阻尼器外设计了膜片隔离气体补偿 器，并利用全年模型设讣了基于天棚阻尼的p 1 d 控制器，控制目标是垂直加速 度达到最小，实验室测试表明利用磁流变阻尼器可以大幅提高车辆的安全性和舒 适性。2 0 0 1 年日本东京国家新兴科技博物馆j n m o n k a g a k u 一- m i r f l i k a n 建筑首 次将磁流变阻尼器用于地震反应控制。 哈尔滨工业大学的默进萍和关新春等人系统地研究和开发了磁流变液及其 性能测试装置以及磁流变阻尼器装置，将其应用于海洋中台结构和人型桥梁斜拉 索振动的阻己控制。我国的岳阳制庭湖大桥斜拉索振动控制装置中就用到，磁流 变阻尼器。西安交通人学研制卅一种磁场外置旁路式磁流变f h 尼器，并申请了国 家专利。1 j = l 是固内的磁流变阻尼器设计还处于实验室阶段且备方面的性能和设 计方法还有待于提高。 1 4 本课题研究的内容，方法及意义 本课题基于非公路车辆对驾驶员座椅悬架的要求，结合磁流变阻尼器阻尼可 调的特点，赴对磁流变阻尼器进行全面系统研究的基础上，将其应用到剪式座椅 悬架中，优化出座椅悬架在良好路面下的刚度，阻尼值这时磁流变阻尼器处于 断电状态：而在崎岖路面条件下，磁流变阻尼器通电，设计出磁流变阻尼器的模 糊控制策略。为半誊动磁力座椅悬架的深入研究提供理论基础和技术支持。 1 探讨磁流变阻尼器的减振机理，并以型号为r d - 1 0 0 5 3 的磁流变阻尼器 囊 江苏大学硕士学位论文 样件，对其进行外特性实验，分析其减振特性。 2 对座椅系统进行的刚度，阻尼进行优化，以适应路面磁流变阻尼器关状 态下座椅悬架系统对驾驶员舒适性的要求。 3 以h y - z 0 4 型剪式座椅为例分析计算座椅系统的振动特性，确定磁流变阻 尼器的安装方式，推倒出其动态特性参数。 4 建立1 2 带座椅的车辆模型，并设计磁流变半主动座椅系统的模糊控制策 略，在m a t l a b s i m u l i n k 软件上进行仿真。对仿真结果进行分析比较。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章磁流变阻尼器减振机理与实验分析 磁流变液阻尼器是应用磁流变液在磁场作用下的快速可逆流变特性而制造 的一种新型半主动控制装置。本章节主要是阐述磁流变阻尼器的工作原理，介绍 几种磁流变阻尼器的数学模型，并在实验的基础上分析磁流变阻尼器的阻尼特 性，拟合出库伦力电流的关系，为座椅悬架的设计进行必要的理论准备。 2 1 磁流变效应及其流变机理 2 1 1 磁流变效应原理 在未加磁场时，磁流变液表现为牛顿流体的特性，其剪切应力等于粘度与剪 切率的乘积；在外加磁场的作用下，磁流变液表现为b i n g h a m 流体的特性，其 剪切应力由液体的粘滞力和屈服应力两部分组成，其流变特性的改变表现为屈服 应力随磁场强度的增加而单调增加，而液体的粘度上变，当外加磁场达到某一临 界值时，磁流变液停止流动达到固化，而当去掉外加磁场时，它又恢复到原来的 状态，其响应时间仅为几毫秒。 磁流变液的这种随外加磁场强度变化而改变流变特性的现象被称为磁流变 效应。磁流变效应是磁流变技术和磁流变液走向工程应用的基础，它具有下列特 征【1 7 1 1 8 】： a 连续性：它能够随磁场强度的变化而连续变化，因而磁流变阻尼器的阻 尼力可以通过控制磁场大小而连续调节。 b 可逆性：即施加磁场后，磁流变液随磁场强度的增加硬化成为具有一定 剪切强度的粘塑性体，当撤去磁场后，又恢复为自由流动的液体状态。 c 磁流变效应对杂质不敏感。 d 可以采用低电压，大电流的信号来控制磁场强度的强弱，从而控制磁流 变效应，这种控制室安全且容易实现的。 e 反应迅速：流变性能的转化通常在毫秒级的时间内就可以完成。 磁流变效应所需的能耗较低，这为磁流变在车辆工程中的应用提供方便。 8 江苏大学项士学位论文 2 12 磁流变液的流变机理 磁流蹙液的流变效血目前还没有完全成熟明确的理论，通过显微镜可以观察 到，在无磁场的情况下，磁流变颗粒的分靠式杂乱无章的，施加磁场后，磁场颗 粒沿磁场方向呈链或链柬状排列，在磁极之间形成粒子链，如图2 - 1 所示。阻碍 流体的正常流动，使流体成为一种具有一定剪切强度的粘塑性体。 ( a ) 无磁场作用( b ) 强磁场作用 图2 - 1 磁流变液流变机理 f i g1 - 1m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i dr h e o l o g i c a lm e c h a u i s m 目前被j 1 为接受的解释是当无磁场作用时，粒子悬浮于母液中旱随机分布。 施加磁场作用后粒子表面出现极化现象，形成磁偶极子。磁偶极子克服热运动 作用而沿磁场方向结成链状结构。一条极化链中各相邻粒子i i 】的吸引力随外加磁 场强度的增加而增加。当磁场强度增至临界值时，磁偶极子相互作用超过热运动， 使粒子热运动受缚，此时，磁流变液呈现崮体特性。磁流变液的屈服应力值随外 加磁场强度的增加而增加。但当达到某一饱和值后，如果再增加磁场强度，磁流 变液的力学性质便会基本不变，即达到了饱和磁场下的动态屈服应力。 213 磁流变阻尼器的工作模式 磁流变技术研究的一个重要目标是利用磁流变液在外磁场作用下改变流变 特性这一特点，开发各种用途的磁流变阻尼器，从现有文献看，磁流变阻尼器的 上作模式自下列几种【1 9 1 ： ( 1 )压力驱动模式或流动模式：这是目前应用最多的一种工作模式。其 江苏大学硕士学位论文 原理如图2 2 所示，磁流变液在压力作用下通过固定的磁极，磁流变液流动的方 向与磁场方向垂直，可通过改变励磁线圈的电流控制磁场的变化，使得磁流变液 的流动性能发生改变，从而使磁流变阻尼器的阻尼力发生变化。该系统可用于伺 服控制阀，阻尼器和阻尼器等。 图2 2 压力驱动模式 f i g2 2p r e s s u r em o d e ( 2 )直接剪切模式：如图2 3 所示，只有一个磁极固定，另一个磁极作平 行于固定磁极的运动或绕固定磁极旋转，磁流变液在可移动磁极的作用下通过可 控磁场，同样磁场方向垂直于磁流变流体流动，适合也磁极运动的使用场合。这 种系统可用于离合器，制动器，锁紧装置和阻尼器的磁流变器件。 ( 3 )挤压模式：如图2 - 4 所示，磁极移动方向与磁场方向相同，磁场方向 与磁流变液的流动方向垂直，磁流变液在磁极运动时同时受到挤压和剪切作用。 磁流变液在磁极压力的作用下向四周流动磁极移动位移较小，磁流变液产生的阻 尼力较大，可应用于低速小位移( 一般小于l m m ) ，大阻尼力的磁流变阻尼器和 减振设备等。这一模式中不均匀磁场导致悬浮颗粒聚集，阻尼力随时间不断增长， 无法实现对振动的稳定控制。 气一鲥 l 图2 - 3 剪切模式 f i g2 - 3s h e a rm o d e 1 0 陀e l卜 ，一7 、二l 三 i 釜 图“挤压模式 r i g2 - 4e x t r u s i o nm o d e p l a c e m e n t 江苏大学硕士学位论文 2 14 磁流变阻尼器的结构及工作原理 图2 - 5 所示为基于了流动模式的单筒充气磁流变阻尼器结构及工作原理示意 舟，基本组成构件包括工作缸、活塞( 内含电磁线圈) 、补偿腔、空心活塞杆等 元件，其中导磁筒和活塞式一体的刚。活塞将工作油缸分为上、下两腔，电磁 线圈绕制在绕线架子上，被封存于活塞内部，通过空心活塞杆引出电源线。电磁 线圈产生的磁场穿过位于活塞上的阻尼通道，采用不同的电流产生不同的磁场， 进而调节环形阻尼通道之间磁流变阻尼液的流动粘度，实现对阻尼力大小的控 制，由上腔经阻尼通道流入下腔的磁流变也液不能完全填充r 腔的空间，由此造 成阻尼器在压缩过程中产生“空行程”现象，需要在阻尼器内充入一定压力的氮 气进行体积补偿。由于磁流变液在流经阻尼通道时受磁场影响，导致其粘度发生 变化，从而使阻尼器输出阻f l 已发生变化，实现了阻尼可调。 h + 图2 - 5 基于流动模式磁流变阻尼器结构及i 作原理示意酬 f i 9 2 - 5 t h e m d a m p e r d i a g r a mo f t h es t r u c t u r ea n d w o r k i n g p r i n c i p l e b a s e d o n f l o w r o o d e l 2 2 磁流变阻尼器的阻尼力模型 磁流变阻尼器数学模型用于表述磁流变阻尼器的阻尼力与活塞运动之间的 江苏大学硕士学位论文 关系。根据磁流变液的流变学特性，磁流变液在磁场作用下呈非牛顿流体特性， 磁流变阻尼器表现出的阻尼力呈非线性变化规律，这包括磁滞现象【2 1 】。设计有 效的控制器，实现理想的阻尼力变化，更需要建立合适的数学模型。 磁流变阻尼器的数学模型可分为参数化模型和非参数化模型，常见的参数化 模型又可分为：非线性b i n g h a m 塑性模型、改进的b i n g h a l n 模型、b o u c - w e n 模型、 修正的b o u t - w e n 模型。磁流变液在磁场作用下呈非牛顿流体特性，b i n g h a m 塑 性流体模型或k e l v i n 粘弹塑性模型可以比较精确地反映磁流变阻尼器的力一位 移特性，但不能描述它的非线性滞环特性。b o u t - w e n 模型不但能反映阻尼力与 速度的滞回关系【2 2 1 ，且通用性强。但b o u c - w e n 模型参数过多，难求其逆函数。 为了更好地拟合磁流变阻尼器低速时的恢复力衰减现象，s p e n c e r 等提出了基于 b o u c - w e n 滞回模型的现象模型。该模型能e , 很z 好地反映磁流变阻尼器的动态性能， 与试验结果较吻合，且比较灵活，优于其他模型。其有效性己经在l o r d 公司的 m r 阻器上应用。 国内对磁流变阻尼器数学模型研究还比较少，比较有代表性的是2 0 0 0 年南 京航空航天大学胡海岩课题组对l o r d 公司的r d 1 0 0 5 单筒磁流变阻尼器进行研 究，假定磁流变液在屈服前为非线性塑性流动，屈服后为线性粘性流动，提出一 种新的非线性滞回模型，这种模型采用磁流变阻尼器速度和加速度的多项式表示 阻尼力。 2 2 1b i n g h a m 模型 磁流变液的流变学特性与电流变液类似，建立磁流变阻尼器模型时通常借鉴 电流变液的相关建模理论。最简单的参数化模型为b i n g h a l n 模型，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 b i n g h a m 模型 f i g2 - 6b i n g h a mm o d e l 江苏大学硕士学位论文 这种模型假设：磁流变材料在屈服前是刚性的，不流动，因此，当l ，( f ) l ( 3 1 1 ) 珊 弘( 咖粼训州吲 对于五自f h 度模型： 但( 叻) = 日1 1 日2 1 日3 1 日4 l h 5 l h 1 2 h 2 2 h 3 2 h 4 2 h 5 2 ( 3 - 1 2 ) 伊( 叻) 是一个复数矩阵，它是位移响应对路面不平度输入的频率响应矩阵。 平面五自由度的平顺性模型对应的频率响应矩阵伊( 叻) 式一个5 行2 列矩阵， 它是一个以振动的圆周频率w 为自变量的矩阵，但一般计算时需要用到的是时 间频率厂，根据w 和厂之间的关系w - - 2 矿，将但( 们 矩阵元素中的w 换成 f 即可。 3 1 3 路面输入模型 路面的高低不平是引起车辆振动的最主要的激励源。路面不平度是一个很复 杂的随机过程，很难对其进行统计分析。为了研究的简便，一般按照1 9 8 4 年国 际标准协会在文件i s o t c l 0 8 7 s c 2 n 6 7 中提出的“路面不平度表示方法草案 和 国内由长春汽车研究所起草制定的“车辆振动输入路面不平度表示方法草案 所建议的采用路面不平度功率谱密度描述其统计特性f 2 7 1 。其功率谱可以表示为： c q ( 妒g q ) ( 一 ( 3 - 1 3 ) 式中，刀为空间频率，表示每米长度中包含的波数，单位为1 1 1 ；以。为参考 空间频率，n 0 = o 1 m ；g 鼋，瓴) 为参考空间频率下的路面谱值，称为路面不平 度系数，单位为m 2 m - l = m 3 ；w 为频率指数，确定每段功率谱斜线的斜率，取值 由路面谱的频率结构确定。 根据路面功率谱密度把路面按不平度分为8 级。表2 - 1 规定了各级路面不平 江苏大学硕士学位论文 度系数g 鼋rq o ) 的变化范围的几何平均值以及0 0 1 1 m 。1 以 2 8 3 m - 1 的均方根值， 分级路面谱的频率指数w = 2 。 对于汽车振动系统的输入除了路面不平度，还要考虑车速这个因素，根据车 速v ，可将空间频率密度谱g 吁q ) 换算为时间频率谱密度g 。( ，) 。当汽车以车速1 ， ( 单位为嬲q ) 驶过空间频率刀的路面不平度时，输入的时间频率，( 单位为s - 1 ) 是刀与1 l ，的乘积，即 厂= y 忍 ( 3 1 4 ) 故而，可得时间频率谱密度 g q ( 厂) ：导gq ( ，z ) ( 3 m ) l ， 4 将式( 3 1 3 ) 和( 3 1 4 ) 代入式( 3 1 5 ) ，当w = 2 时，得 g ) = 吾g 口( n o ) ( = g 鼋( n o 斌声( 3 - 1 6 ) g q ( ，) 指的是路面不平度垂直位移功率谱密度，对上式求导，还可得到速度 功率谱密度，由公式可知，路面速度功率谱密度不随频率变化而变化，在整个频 率范围内为一个常数，因此汽车的路面速度输入为一白噪声。 g 牙( 厂) = = ( 2 z f ) 2 gq ( 厂) = = 4 z 2 g g ( ，z o ) ，z 云v ( 3 - 1 7 ) 表2 1 为根据路面不平度划分路面等级的分类标准，通过对不同路面下的车 辆座椅垂向振动加速度的仿真结果分析，可以得出在b 级路面下乘客的垂向加 速度为0 3 4 4 5 历j 一，对比i s o t c l 0 8 s c 2 n 6 7 中的相关评价方法，在本文中选 取b 级路面作为公路平顺路面，并以此为路面激励优化座椅悬架的刚度、阻尼 值；选取d 级路面作为非公路崎岖路面，并以此为路面激励设计座椅悬架磁流 变阻尼器的控制策略，并进行仿真。 江苏大学硕士学位论文 表2 - 1 路面不平度8 级分类标准 t a b l e2 - 1t h e8c l a s s i f i c a t i o n so f r o a dr o u g h l l e 8 8 路面 g 以( 以。) 1 0 。6m 2 m - 1 仃x 1 0 4m 。= 0 1 m 0 1 q ， 一 等级 0 0 11 m - 1 v = j m h ( 叻 = j 2 万【h ( 叻 ( 3 2 1 ) 【h ( 叻 4 = - - w 2 h ( 叻) = 一4 2 2 厂2 h ( 叻) ( 3 2 2 ) 同理设g 心h 、g 口f q 分别是振动系统第i 自由度的速度、加速度响应的自功 率谱密度，于是响应的可以得到振动系统第i 自由度的速度、加速度的均方根植 o v i 、并有， q = 气z = q 畸形 ( 3 _ 2 3 ) 一 s o 砬= 气z = ( 吆万 ( 3 捌) ，$ 0 注意，当计算平顺性的评价指标，即计算驾驶员垂直方向的加速度均方根值 时，需要乘一个频率加权系数( 厂) 2 8 1 ，于是， 吃= z = j ；sw k ( f ) g 蚋彤 ( 3 2 5 ) ，弗o 其中， 3 2 2 约束条件的建立 州班废 0 5 f 2 ) 2 f 4 ) 4 f 1 2 5 ) 1 2 5 f 8 0 ) 1 无阻尼固有频率 通常只要选取无阻尼固有频率值低于2 h z 就可得到基本满意的隔振性 能，另外无阻尼固有频率也不宜过低，否则驾驶员可能会产生“晕车”病症状， 因而选取为1 5 - 2 0 h z 为宜。 3 1 江苏大学硕士学位论文 ”只= 去鲁2 。 净2 6 ， 2 座椅悬架阻尼比 阻尼比的选择对振动传递率曲线的形状和大小有很大影响。阻尼比 值过大 时，将使隔振区的震动衰减程度降低，隔振性能变差；阻尼比f 值过小时，则放 大区的振动传递率又要增大，尤其是共振峰更突出。通常取阻尼比f 值在0 2 5 - - 0 5 0 范围内较为合适。 0 2 5 l 新参数 图3 - 3 优化设计的一般过程及相关关系 f i g3 - 3o p t i m a ld e s i g no ft h eg e n e r a lp r o c e s sa n dr e l a t i o n s h i p 江苏大学硕士学位论文 3 3 3 优化方法 在本文中是直接选取m a t l a b 优化工具箱中的优化函数f m l i n c o n 。函数f m i n c o n 是用于求解带有非线性约束的优化数学模型。现在这里对f f l i n c o n 函数格式做一 下说明，【x , f v a l , e x i t f l a c 5 0 u t p 啊= f m i n c o n ( f u n x , a , b ，l b ，l i b ， o p t i o n s , v a r a r g i n ) ； 等式右边是要输入的量，f u n 是目标函数( 式( 3 2 5 ) ) 的句柄，x 是优化 初始点( 座椅悬架原始刚度、阻尼值) ；a 、b 是线性不等式约束，( 式( 3 2 6 ) ， ( 3 - 2 7 ) ) ，即设计变量x 必须满足a 毛b ；l b 、u b 是设计变量的上下界，即 l b i 而u b i ；o p t i o n s 是包含设置优化参数的结构体；v a r a r g i n 是额外的变量， 它将被传入目标函数中。 3 3 4 优化计算 此处选取某载重汽车为优化车型其参数为： 质量m 、m 1 、m 2 和m 3 分别为9 4 4 0 蚝、5 0 k g 、5 5 0 k g 和1 0 4 1 k g ；转动惯量j 为7 5 0 7 0 妇幸m 2 ；刚度系数屯、屯、k 4 雨f l k 5 分别为3 0 1 8 4 0 n m 、1 9 0 0 0 0 0 n m 、 6 0 7 3 6 4n m 和3 8 0 0 0 0 0n m ；阻尼系数c 2 和c 4 分别为1 1 9 0 1n 幸s m 和 2 3 6 9 1n * s m ； a = 2 2 3 8 m ，b = 1 4 6 2 m ，d = 3 2 3 8 m ；座椅悬架初始值为 c 1 = 2 4 0 n 木s m ，k l = 1 0 5 0 0 n m 。 利用3 2 节所建立的五自由度车辆模型，结合上面讨论的目标函数及约束函 数，在m a a b 环境下编写m 文件，对车辆进行平顺性优化计算。最终优化计算 得座椅悬架的刚度，阻尼及目标函数的值如下： 表3 2 座椅悬架优化结果及比较 t a b l e3 - 2c o m p a r i s o no fo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa n ds e a ts u s p e n s i o n 座椅刚