（机械电子工程专业论文）汽车电流变液体减振器及其控制系统研究.pdf

顺卜论文 汽车i u 流变液体诫振榭及j c 控制系统研究 a b s t r a c t t h ed i s c u s s e dc o n t e n to ft h i st a s kr e l a t e st o e l e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d ( e r f ) s h o c k a b s o r b e ra n di t sc o n t r o l s y s t e m w o r k sa sf o l l o w sw e r ed o n e i nt h i st h e s i sb a s e do n u n d e r s t a n d i n gt h em e c h a n i s mo fe re f f e c t ，k n o w i n gt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe r m a t e r i a l sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n ( 1 ) t h ef l u i d sr h e o l o g i c a lb e h a v i o ri nt h ee rv a l v eo fa ne r fs h o c ka b s o r b e rh a s b e e na n a l y z e da n d d e v e l o p e d a p p l y i n g t h e t h e o r yo fr h e o d y n a m i c sa n dh y d r a u l i ct h e o r a r e l a t i o n s h i po fd a m p i n gv sv i b r a t o r yv e l o c i t ya n de l e c t r i cf i e l ds t r e n g t hh a sb e e ns e tu p t h er e l a t i o n s h i pi sv a l u a b l ef o u n d a t i o nf o ri m p r o v i n go nt h em e c h a n i s mo fe r fs h o c k a b s o r b e rm a d s t u d y i n gt h ev e l o c i t yp r o p e r t y ( 2 ) b e c a u s eo f r o a dr a n d o me x c i t a t i o n s ，s e n s o r s m e a s u r ee r r or l o a dc h a n g i n ga n dt h e e f f e c to f t e m p e r a t u r eo ne rf l u i d s ，t h eb e h a v i o ro fv e h i c l es u s p e n s i o ni su n c e r t a i n t h e a d a p t i v ec o n t r o l l i n gs t r a t e g yw h i c hi sc o m p o s e do ft h eo n l i n ei d e n t i f i c a t i o no fm o d e l p a r a m e t e r s a n dt h e l e a s t - s q u a r e e r r o rs e l f - t u n i n gr e g u l a t o r i s a d o p t e d t oc o n t r o lt h e a u t o m o t i v es e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fa ne r f i n t e l l i g e n ts h o c k a b s o r b e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h e f e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h ec o n t r o l s c h e m e ( 3 ) a nm i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l i n gs y s t e mh a sb e e no u t l i n e di no r d e rf o rt h er e q u i r eo f r e a lt i m ea v a i l a b l yc o n t r o l l i n gt h ea u t o m o t i v es e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mw i t ha ne r f s h o c ka b s o r b e r t h e r ea r et w oh i g hs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r si nt h ec o n t r o l l i n gd e v i c e o n eo p e r a t e sd a t a a c q u i s i t i o n ，t h e o t h e r o p e r a t e s c a l c u l a t i o na n dc o n t r o l l i n g o u t p u t m i c r o c o m p u t e r se x c h a n g ed a t ab ys e r i a lc o m m u n i c a t i o n k e y w o r d s ：e r fs h o c ka b s o r b e r ，s e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m ，a d a p t i v ec o n t r o l ， m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l i n gs y s t e m 坝i 论文汽车i u 流变液体减振器t ；6 乏j l 控制系统 i j | = 究 1 绪论 1 1 电流变技术简介 电流变技术是指将电流变效应或电流变现象( e l e c t r o r h e o l o g i c a le f f e c t 或 e l e c t r o r h e o l o g i c a ip h e n o m e n o n ) 成功地应用于工程实践的一项技术或- - i q 学科。它所 涉及的内容包括电流变效应的机理，电流变液体材料及电流变液体效应的工程应用。 早在1 9 世纪末，就有人发现了电流变现象。电流变效应( 简称e re f f e c t ) 是指 某种特殊液体( 一般是指两相悬浮液为主的电流变液体) ，在电场作用或控制下，表 征液体流动属性的表观粘度( 或流动阻力) ，在一定的剪切速率下，可发生明显变化 的现象，而且这种变化是可逆的、连续无级的和可以控制的。这种变化能够使可流动 的液体变稠、变硬甚至停止流动，达到凝固：并且使此时的液体具有固态的属性，即 保持形状或具有明显的抗剪切屈服应力出现，或者表示固体特征的弹性模量有明显的 变化。而当电场消失时，电流变液体立即变稀，恢复原来液体的状态。电流变效应的 这些特征，为它在工程应用中提供了广阔的前景。 关于电流变效应的作用机理，至今还没有统一的结论。由于电流变技术本身涉及 多种学科，不同的研究人员采用不同的材料或配方，站在不同的角度解释，因而得到 不同的结论。但是，绝大多数学者较为赞同场致极化理论，认为电流变效应是电流变 液体在电场作用下，其分散相( 固体粒子) 和连续相( 基础液或分散介质) 的极化。 电流变液体( e i e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d ，简称e r f ) 是指在电场作用下能产生明显 电流变效应的一类特殊液体。电流变液体是发展电流变技术的基础，没有性能良好的 电流变液体，就难以开发为工程应用所需要的性能优良的电流变液体器件和装置。 由于电流变效应的一系列特点，例如可控的流动属性、可控的粘度特性、固化效 应、快速响应以及可控性能的可逆性等，当将上述特性用于新设计的各种装置，可明 显的看到它们具有以下优点。 ( 1 ) 利用电流变液体器件制成的自动系统，其结构将十分简单，可以将不同信号 转变为电信号，直接去控制电流变液体制成的中间器件，使控制和调节具有无级连续 变化的性能，且响应速度快。 ( 2 ) 结构简单，易于生产，制造过程无精密加工的要求，可省去有摩擦运动的零 件和精密加工的零件。 ( 3 ) 由于电流变液体器件，往往没有金属和金属间的直接接触，因此工作中主要 坝i 论文汽车i u 流变液体减振器t ；6 乏j l 控制系统 i j | = 究 1 绪论 1 1 电流变技术简介 电流变技术是指将电流变效应或电流变现象( e l e c t r o r h e o l o g i c a le f f e c t 或 e l e c t r o r h e o l o g i c a ip h e n o m e n o n ) 成功地应用于工程实践的一项技术或- - i q 学科。它所 涉及的内容包括电流变效应的机理，电流变液体材料及电流变液体效应的工程应用。 早在1 9 世纪末，就有人发现了电流变现象。电流变效应( 简称e re f f e c t ) 是指 某种特殊液体( 一般是指两相悬浮液为主的电流变液体) ，在电场作用或控制下，表 征液体流动属性的表观粘度( 或流动阻力) ，在一定的剪切速率下，可发生明显变化 的现象，而且这种变化是可逆的、连续无级的和可以控制的。这种变化能够使可流动 的液体变稠、变硬甚至停止流动，达到凝固：并且使此时的液体具有固态的属性，即 保持形状或具有明显的抗剪切屈服应力出现，或者表示固体特征的弹性模量有明显的 变化。而当电场消失时，电流变液体立即变稀，恢复原来液体的状态。电流变效应的 这些特征，为它在工程应用中提供了广阔的前景。 关于电流变效应的作用机理，至今还没有统一的结论。由于电流变技术本身涉及 多种学科，不同的研究人员采用不同的材料或配方，站在不同的角度解释，因而得到 不同的结论。但是，绝大多数学者较为赞同场致极化理论，认为电流变效应是电流变 液体在电场作用下，其分散相( 固体粒子) 和连续相( 基础液或分散介质) 的极化。 电流变液体( e i e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d ，简称e r f ) 是指在电场作用下能产生明显 电流变效应的一类特殊液体。电流变液体是发展电流变技术的基础，没有性能良好的 电流变液体，就难以开发为工程应用所需要的性能优良的电流变液体器件和装置。 由于电流变效应的一系列特点，例如可控的流动属性、可控的粘度特性、固化效 应、快速响应以及可控性能的可逆性等，当将上述特性用于新设计的各种装置，可明 显的看到它们具有以下优点。 ( 1 ) 利用电流变液体器件制成的自动系统，其结构将十分简单，可以将不同信号 转变为电信号，直接去控制电流变液体制成的中间器件，使控制和调节具有无级连续 变化的性能，且响应速度快。 ( 2 ) 结构简单，易于生产，制造过程无精密加工的要求，可省去有摩擦运动的零 件和精密加工的零件。 ( 3 ) 由于电流变液体器件，往往没有金属和金属间的直接接触，因此工作中主要 坝l 论文汽车也流变液体减振器使奠挣制系统研究 零件没有磨损，因而可有较长的工作寿命。 f 4 ) 由于器件的工作介质是液体，因此工作过程柔和，同时由于无固体或金属摩 擦副的存在，因而噪音低，振动少，即电流变液体器件是一种低噪音、工作平稳和柔 和的器件。 ( 5 ) 与其他控制系统相比，由电流变液体制作的控制器件，在控制中消耗的能量 较低。 f 6 ) 由于电流变液体器件的控制信号简单，即只需要一个电场信号或电压信号， 因此极易与微机技术相结合形成智能控制，这是一种极有前途的控制方式。 电流变液体器件虽然有上述优点，但目前也存在着许多有待解决和改善的问题， 这些问题可归纳如下： ( i ) 目前已有的电流变液体，其性能指标不能全面和理想的满足各种工程应用所 提出的要求，因而大大限制了它在各种工程应用领域的使用范围。目前所能够开发和 设计的电流变液体器件，仅局限在现有电流变液体性能指标所许可的范围之内。 ( 2 ) 目前在设计电流变液体器件方面的工程实践经验尚不成熟和丰富，有关高压 电场的施加、器件在复杂工作状态下的绝缘、体积小重量轻的高压电源的制造，也都 影响着电流变液体器件的成功使用。 ( 3 ) 目前，不管性能如何的电流变液体，大都停留在实验室的科研阶段，真正能 够作为商品大批量生产和向工程人员提供的电流变液体几乎没有。 1 2 电流变液体减振器的研究现状 根据目前电流变液体性能所能达到的水平，综合经济及技术上的考虑，它最有可 能在汽车工业、液压传动与控制、机器人工业、国防工业等领域首先获得广泛的应用。 据专家的预测，汽车工业将成为这一技术最早的受益者和最大的潜在的市场。美国、 日本等发达国家特别重视在汽车上使用电流变液体装置，有的汽车公司已把电流变液 体减振器装在轿车上做试验。 从实现电流变液体减振器产品化的角度出发，电流变液体减振器的研究围绕结构 设计、控制系统设计两个方面进行。目前，国内外有关电流变液体减振器的研究主要 还在减振器的结构方面。有关电流变液体减振器控制系统方面的研究，文献记载的很 有限。a n d r e wp i n k o s 等人在应用电磁流变液体的旋转减振器的研究中提到用增益补 偿式自适应策略对其进行控制。p e t e kn 等人采用改进型的天棚阻尼控制策略对带有 空气室的双筒式结构减振器进行了实验研究。在国内，人们对电流变液体减振器的研 究也大都还仅限在对减振器性能进行的测试上。 由此可见，在电流变液体减振器的研究上，结合减振器结构以及实际激励情况， 坝l 论文汽车也流变液体减振器使奠挣制系统研究 零件没有磨损，因而可有较长的工作寿命。 f 4 ) 由于器件的工作介质是液体，因此工作过程柔和，同时由于无固体或金属摩 擦副的存在，因而噪音低，振动少，即电流变液体器件是一种低噪音、工作平稳和柔 和的器件。 ( 5 ) 与其他控制系统相比，由电流变液体制作的控制器件，在控制中消耗的能量 较低。 f 6 ) 由于电流变液体器件的控制信号简单，即只需要一个电场信号或电压信号， 因此极易与微机技术相结合形成智能控制，这是一种极有前途的控制方式。 电流变液体器件虽然有上述优点，但目前也存在着许多有待解决和改善的问题， 这些问题可归纳如下： ( i ) 目前已有的电流变液体，其性能指标不能全面和理想的满足各种工程应用所 提出的要求，因而大大限制了它在各种工程应用领域的使用范围。目前所能够开发和 设计的电流变液体器件，仅局限在现有电流变液体性能指标所许可的范围之内。 ( 2 ) 目前在设计电流变液体器件方面的工程实践经验尚不成熟和丰富，有关高压 电场的施加、器件在复杂工作状态下的绝缘、体积小重量轻的高压电源的制造，也都 影响着电流变液体器件的成功使用。 ( 3 ) 目前，不管性能如何的电流变液体，大都停留在实验室的科研阶段，真正能 够作为商品大批量生产和向工程人员提供的电流变液体几乎没有。 1 2 电流变液体减振器的研究现状 根据目前电流变液体性能所能达到的水平，综合经济及技术上的考虑，它最有可 能在汽车工业、液压传动与控制、机器人工业、国防工业等领域首先获得广泛的应用。 据专家的预测，汽车工业将成为这一技术最早的受益者和最大的潜在的市场。美国、 日本等发达国家特别重视在汽车上使用电流变液体装置，有的汽车公司已把电流变液 体减振器装在轿车上做试验。 从实现电流变液体减振器产品化的角度出发，电流变液体减振器的研究围绕结构 设计、控制系统设计两个方面进行。目前，国内外有关电流变液体减振器的研究主要 还在减振器的结构方面。有关电流变液体减振器控制系统方面的研究，文献记载的很 有限。a n d r e wp i n k o s 等人在应用电磁流变液体的旋转减振器的研究中提到用增益补 偿式自适应策略对其进行控制。p e t e kn 等人采用改进型的天棚阻尼控制策略对带有 空气室的双筒式结构减振器进行了实验研究。在国内，人们对电流变液体减振器的研 究也大都还仅限在对减振器性能进行的测试上。 由此可见，在电流变液体减振器的研究上，结合减振器结构以及实际激励情况， 坝i 地史汽车l u 流变液体减振器t ；6 乏其控制系统研究 设计相应的控制系统，实现对电流变液体减振器的闭环控制是非常必要的。另外，也 只有在控制系统的合理控制下。才能实现电流变液体快速、连续、可逆变化的特性。 从而真正迈向电流变液体减振器产品化的进程。 1 3 本课题研究的内容 本课题以“十五”重点国防科研项目“超远程火炮反后座系统研究”为选题背景， 对使用电流变液体减振器的汽车半主动悬架进行控制系统设计与分析，目的是对电流 变液体减振器及其控制系统进行研究。目前，由于电流变液体减振器的成功应用极少， 国内外有关电流变液体减振器控制系统方面的研究资料也很少，很多工作还没有人进 行。而且在某种意义上说，发展适合电流变液体材料的控制技术装置与发展满足工程 应用要求的电流变液体材料同等重要。为此，作者在深入了解电流变技术的机理、液 体材料性能以及工程应用研究发展现状的基础上，对电流变液体减振器及其控制系统 进行了探索性的研究。研究工作包括：电流变液体减振器的理论模型推导、电流变液 体减振器构成的的汽车半主动悬架系统的控制策略以及控制系统软、硬件总体设计， 具体工作有以下几点： ( 1 ) 分析筒式汽车电流变液体减振器内部电流变阀中液体的流动，运用流变力学 理论和液压理论，建立起筒式汽车电流变液体减振器阻尼力与振动速度以及外加电场 强度之阊的数学模型。为电流变液体减振器半主动悬架的控制系统设计以及筒式电流 变液体减振器的结构改进提供了一定的理论依据。 ( 2 ) 考虑到实际车辆悬架系统，出于地霭随机激励、传感器测量误差、装载量变 化以及温度对电流变材料性能等方面的影响，其动态行为具有不确定性，另外，电流 变液体具有响应迅速，便于实时控制等特点，设计中采用了模型参数在线辨识与最小 方差自校正调节器相结合的自适应控制策略，用于实现对电流变液体减振器构成的汽 车半主动悬架系统的控制。设计出以外加电场强度的平方作为控制输入，簧载质量垂 直振动加速度作为输出的控制算法模型。并结合汽车悬架典型参数运用m a t l a b 语言 对控制系统进行计算机仿真。 ( 3 ) 为了满足对电流变液体减振器构成的汽车半主动悬架系统进行模型参数在 线辨识与实时有效控制的需要，以高速单片微型计算机为主控器件，对控制系统进行 硬件架构设计并进行相应的软件模块分析。控制器采用双m p u 结构，一个负责数据 采集与处理，另一个负责算法实现及控制输出，两个m p u 采用串行通讯方式进行数 掘交换。 坝i 地史汽车l u 流变液体减振器t ；6 乏其控制系统研究 设计相应的控制系统，实现对电流变液体减振器的闭环控制是非常必要的。另外，也 只有在控制系统的合理控制下。才能实现电流变液体快速、连续、可逆变化的特性。 从而真正迈向电流变液体减振器产品化的进程。 1 3 本课题研究的内容 本课题以“十五”重点国防科研项目“超远程火炮反后座系统研究”为选题背景， 对使用电流变液体减振器的汽车半主动悬架进行控制系统设计与分析，目的是对电流 变液体减振器及其控制系统进行研究。目前，由于电流变液体减振器的成功应用极少， 国内外有关电流变液体减振器控制系统方面的研究资料也很少，很多工作还没有人进 行。而且在某种意义上说，发展适合电流变液体材料的控制技术装置与发展满足工程 应用要求的电流变液体材料同等重要。为此，作者在深入了解电流变技术的机理、液 体材料性能以及工程应用研究发展现状的基础上，对电流变液体减振器及其控制系统 进行了探索性的研究。研究工作包括：电流变液体减振器的理论模型推导、电流变液 体减振器构成的的汽车半主动悬架系统的控制策略以及控制系统软、硬件总体设计， 具体工作有以下几点： ( 1 ) 分析筒式汽车电流变液体减振器内部电流变阀中液体的流动，运用流变力学 理论和液压理论，建立起筒式汽车电流变液体减振器阻尼力与振动速度以及外加电场 强度之阊的数学模型。为电流变液体减振器半主动悬架的控制系统设计以及筒式电流 变液体减振器的结构改进提供了一定的理论依据。 ( 2 ) 考虑到实际车辆悬架系统，出于地霭随机激励、传感器测量误差、装载量变 化以及温度对电流变材料性能等方面的影响，其动态行为具有不确定性，另外，电流 变液体具有响应迅速，便于实时控制等特点，设计中采用了模型参数在线辨识与最小 方差自校正调节器相结合的自适应控制策略，用于实现对电流变液体减振器构成的汽 车半主动悬架系统的控制。设计出以外加电场强度的平方作为控制输入，簧载质量垂 直振动加速度作为输出的控制算法模型。并结合汽车悬架典型参数运用m a t l a b 语言 对控制系统进行计算机仿真。 ( 3 ) 为了满足对电流变液体减振器构成的汽车半主动悬架系统进行模型参数在 线辨识与实时有效控制的需要，以高速单片微型计算机为主控器件，对控制系统进行 硬件架构设计并进行相应的软件模块分析。控制器采用双m p u 结构，一个负责数据 采集与处理，另一个负责算法实现及控制输出，两个m p u 采用串行通讯方式进行数 掘交换。 坝i 论义汽车i u 流变液体减振秣投儿控制系统i i j | _ 究 1 4 电流变液体减振器半主动悬架控制系统简介 汽车是一个复杂的多质量的弹性系统，在汽车的行驶过程中，由于路面不平产生 的冲击以及由于加速、制动、转向、发动机运转不平衡等原因会引起汽车的多种振动。 这些振动使汽车的动力性得不到充分发挥，影响着人的舒适性、工作效能和身体健康， 甚至损坏汽车的零部件和运载的货物。 随着汽车结构和功能的不断改进和完善，研究汽车振动，设计新型悬架电控系统， 将振动控制到最低水平是提高现代汽车品质的重要措慈。汽车减振主要使用悬架系 统。悬架系统是连接车身和车轮之间全部零件和部件的总称，一般由弹性元件( 弹簧) 、 阻尼元件( 减振器) 构成。当汽车行驶在不同路面上而使车轮受到随机激励时，由于 悬架装置实现了车体和车轮之间的弹性支承。有效地抑制、降低了车体和车轮的动载 和振动，从而保证汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，达到提高平均行驶速度及乘坐舒 适性的目的。 汽车行驶的平顺性是衡量悬架性能好坏的重要指标，平顺性的好坏直接影响到人 乘坐汽车的舒适性。汽车行驶的平顺性一般通过车体或车身某个部位( 如司机座椅处) 的加速度响应来评价。本文正是以提高汽车行驶的平顺性为控制性能指标，对使用电 流变液体减振器的汽车半主动悬架进行了控制系统的设计与分析。 电流变液体减振器在汽车上的安装形式与常规减振器相同，上连车身，下连车轴， 可以完全取代原来的减振器在汽车上进行安装。 为了简化研究对象，突出问题的本质，通常将汽车悬架系统用不同的简化模型来 掐述。两自由度的l 4 车体模型分析起来简单且不失研究的重要性，采用这种模型易 于进行实验研究，所以为众多研究者所采用。本文也采用两自由度的1 4 车体模型进 行控制系统的设计与分析。 考虑到实际车辆悬架系统的动态行为具有不确定性，另外，电流变液体具有响应 迅速，便于实时控制等特点，本文采用了模型参数在线辨识与最小方差自校正调节器 相结合的自适应控制策略，用于实现对电流变液体减振器构成的汽车半主动悬架系统 的控制。控制算法模型以外加电场强度的平方作为控制输入，簧载质量垂直振动加速 度作为控制输出。 图1 1 即为本文所设计的电流变液体减振器半主动悬架的控制系统应用示意图。 在通电状态下，加速度传感器将检测到的车身振动加速度信号经a d 转换后以 数字形式输入控制器的单片机m p u i ，m p u t 对数据进行分板处理后，将其串行发送 至控制器的另一单片机m p u 2 ，m p u 2 进行模型参数在线辨识与实时控制算法运算， 运算后得到的控制信号经d a 转换后输出给高压电源。高压电源将相应的高电压加 颂卜论义汽午【乜流变液体减糕器及j e 控制系统研究 到电流变液体减振器的环行缝隙问，在减振器的环行缝隙问形成高压电场。输出电压 的连续变化，可导致电场连续变化，电场连续变化则引起电流交液体的阻尼力发生连 续变化，从而有效的调节了减振器的阻尼力，实现对电流变液体减振器构成的汽车半 主动悬架系统的在线实时闭环控带4 。控制器部分具有高速数据采集能力、通讯能力与 快速计算能力，采用双m p u 分工串行工作方式。 在不通电状态下( 由于某种原因电路出现意外两失效时) ，电流变液体减振器的 环行缝隙阃无电场，减振器仍能按传统的液压减振器正常工作，只是此时电流变液体 所提供的阻尼力最小，而且阻尼不可调节而己。这样做的耳的，即可保证电流变液体 在正常工作时的阻尼可调节性、控制灵敏性，又能在特殊情况下保证减振器工作的可 靠性。 1 一控制器2 一a d 转换器3 一加速度传感器4 一簧载质量( 车身质量) 5 一悬架弹簧6 一电流变液体减振器7 一非簧载质量8 轮胎的当量弹簧 9 一高压电源1 0 d a 转换器1 1 一单片机m p u 21 2 一单片机m p u l 1 3 一两自由度的 4 车体振动模型 图1 1电流变液体减振器半主动悬架的控制系统应用示意图 域l 论史汽午l u 流变域体减振糕及j e 控h m 系统埘究 2 汽车电流变液体减振器 本章针对所选用的筒式汽车电流变液体减振器，建立起其减振器阻尼力与振动速 度以及外加电场强度之间的数学模型，从而为电流变液体减振器半主动悬架的控制系 统设计提供了一定的理论依据。 2 1 电流变液体减振器及其结构 电流变液体减振器是一种新型的阻尼可连续调节的减振器，它是用电流变液体作 为减振器工作液，通过施加外电场改变电流变液体的抗剪应力和粘度，从丽获 导连续 可变的阻尼。其特点是在一定范围内阻尼力可由电场快速无级调节，并且结构简单， 功耗小。 目前，常用的电流变液体减振器有以下几种结构形式。 ( 1 ) 用于往复直线振动的电流变液体减振器。一般有以下几种结构： 图2l 环形间隙通道内置的图2 2 环形间隙通道外置的 电流变液体减振器 电漉变液体减振器 ( a ) 电极周定、环形间隙通道置于减振器内部的电流变液体减振器，其结构如图 域l 论史汽午l u 流变域体减振糕及j e 控h m 系统埘究 2 汽车电流变液体减振器 本章针对所选用的筒式汽车电流变液体减振器，建立起其减振器阻尼力与振动速 度以及外加电场强度之间的数学模型，从而为电流变液体减振器半主动悬架的控制系 统设计提供了一定的理论依据。 2 1 电流变液体减振器及其结构 电流变液体减振器是一种新型的阻尼可连续调节的减振器，它是用电流变液体作 为减振器工作液，通过施加外电场改变电流变液体的抗剪应力和粘度，从丽获 导连续 可变的阻尼。其特点是在一定范围内阻尼力可由电场快速无级调节，并且结构简单， 功耗小。 目前，常用的电流变液体减振器有以下几种结构形式。 ( 1 ) 用于往复直线振动的电流变液体减振器。一般有以下几种结构： 图2l 环形间隙通道内置的图2 2 环形间隙通道外置的 电流变液体减振器 电漉变液体减振器 ( a ) 电极周定、环形间隙通道置于减振器内部的电流变液体减振器，其结构如图 顺f j 论文汽车也流变液体减振器发i _ 【= 控制系统研究 2 1 所示。在这种结构中，电流变液体通过的间隙的形状和长度是固定的，且一般置 于减振器的壳体内，间隙一般是由两个同心圆筒组成的圆环形间隙通道，正负电极分 别是两个被隔开的圆筒。当减振器的活塞上下做往复运动时，电流变液体被压迫通过 圆环形间隙通道，使上下腔的电流变液体相互交换，在通道中产生相应的阻尼力，并 且通过改变极板间的电场强度来控制阻尼力的大小。阻尼力使间隙通道两端的压力 p l 和j d2 形成一个压差p ，也就是引起活塞上下腔中有不同的压力。但上下腔的压 力随着活塞的移动方向以及电流变液体在间隙的流动方向不同，活塞上下腔中的压力 不仅大小在改变，且阻尼力的方向也在改变。当活塞向下时，下腔液体通过间隙流向 上腔，下腔压力大于上腔，活塞向下的运动受到较大的阻力；当活塞向上运动时液流 方向相反，电流变液体由上腔流向下腔，上腔内的压力大于下腔，使活塞向上运动的 阻力增大，因而活塞上下运动时，都将消耗很大的振动能量，使振动很快消失。当控 制间隙的电场强度时，减振的能力将根据人员的舒适性要求或其他特殊要求予以控 制。以达到最理想的效果。 ( b ) 电极固定、环形间隙通道置于减振器外部的电流变液体减振器，其结构如图 2 2 所示。减振器本体在左侧，运动的活塞3 将减振器分为上工作腔1 和下工作腔2 ， 下工作腔的底部有一个自由移动的浮动活塞4 ，活塞下部充以空气5 作为减振器工作 时的缓冲元件。电流变液体的圆形间隙通道置于减振器的右侧，由一个圆柱体和一个 同心的圆筒6 作为两个电极，其问构成一个圆环形间隙通道。圆柱体与同心圆筒用绝 缘材料7 隔离，减振器的上、下腔分别与圆环形通道相连，8 为施加于内圆柱体的高 压电极，外圆筒接地。当减振器的活塞上下运动时，电流变液体分别以不同的流动方 向和速度通过环形间隙通道，产生不同的阻尼力，使活塞上下工作腔内的压力不同， 并阻止活塞的运动，消耗振动的能量。当对圆环形通道施加电场时，由于阻尼力发生 变化，减振器的性能也相应发生变化，达到减振器性能可控的目的。 这种电流变液体减振器的优点是结构简单，旁置的通道可设计成多种形式，电场 的旌加和控制也比较容易实现，其缺点是体积相对较大。此外，外置的固定电极的流 道也可是平板式的间隙通道。 ( c ) 圆环形流道内置、但作为电极之( 也是流遒组成的一部分) 是滑动的电流 变液体减振器，其结构如图2 ，3 所示。由图可以看出，减振器的一个或多个同心圆缸 简是圆环形间隙流道的一部分，并且是一个固定的电极；活塞是环形流道的另一部分， 并且也是另一个电极。但活塞是运动的，因此，电极和流道的一部分也是运动的。 这种减振器的结构比较简单，散热性能也比较好，但由于活动的电极一般设置在 活塞上，和活塞共同运动。由于减振器的行程有一定限制，活塞的轴向尺寸不可能过 长。因此活动电极的长度以及能够产生电场作用的两极板的相对面积也受到了限制， 不容易满足高阻尼的要求。因为电流变液体在上、下腔中的往复交换，要通过活动极 坝：匕论文 汽车电流变淑体碱振器及j c 控制系统研究 板与固定极板所形成的流道而产生阻尼力，而活动极板的长度有限，因此阻尼力肯定 也将受到限制。 ( a ) ( b ) 图2 3 滑动电极的电流变液体减振器 图2 4 扭转振动应用的电流变液体减振器 坝士论文汽车电流变澉体减振揣投j e 精制系统研究 ( 2 1 用于扭转振动应用的电流变液体减振器。在振动系统中除了作直线往复运动 的振动状态，还存在着作旋转运动时的往复扭转振动。解决这种振动的减振方法是应 用扭转式电流变液体减振器。图2 4 是- - ； e e 消除扭转振动应用的电流变液体减振器。 它的基本工作原理与直线往复式的电流变液体减振器相似，壳体和旋转活塞分别 是高压电源的两个电极，壳体与活塞间应很好的加以绝缘，产生旋转阻尼的流道是四 段圆弧形的狭长间隙。与直线往复式的差别之处是电流变液体的流动方向不同，前者 的流向是沿着圆筒形间隙的轴向，而后者是沿着圆弧间隙的切向。 2 2 汽车电流变液体减振器 众所周知，减振器是车辆悬架系统中的重要部件，它通过自身的阻尼作用，耗散 掉由于地面激励所引起的车辆振动的能量，为车辆行驶提供良好的平顺性及操纵稳定 性。对于传统的阻尼不可调节的液体减振器，即被动式的液体减振器，汽车振动剧烈 时，驾驶员般是通过加速或减速，来克服汽车的振动。而新型的阻尼可连续调节的 电流变液体减振器，即主动式的液体减振器，则是反其道而行之，通过改变电流变液 体的表观粘度而改变汽车悬架系统的振动响应，从而达到克服汽车剧烈振动的目的。 由于电流变液体比较短的响应时间和它们良好的可控性，因此在主动式的汽车减振器 中得到广泛的应用。理论计算和实际测量都可证明，主动式的电流变液体减振器无论 在舒适性方面或安全性方面都明显优于传统的被动式液体减振器。 2 2 1 汽车电流变液体减振器的设计原则 对于汽车电流变液体减振器，其设计的指导思想是希望应用电流交技术改进现有 的液压减振器，使之成为- , e e 阻尼可调的主动式减振器。为了使电流变液体减振器能 够尽快的取代现有的液体减振器，因此外形尺寸尽量保持原状，但对其内部结构进行 重新的设计与改造，并且使这种新型的汽车减振器兼有传统的液征减振器与电流变液 体减振器的功能。这样设计是由于通常对于电流变液体城振器只考虑了利用电流变液 体在外加电场作用下流动阻力的变化来调节阻尼力，可是一旦由于某种原因电路出现 意外而失效时，我们希望此时的减振器仍能按传统的液压减振器正常工作，只是阻尼 不可调节而已。这样做的目的，即可保证电流变液体在正常工作时的阻尼可靠性、控 制灵敏性，又能在特殊情况下保证减振器工作的可靠性。 由于是在原有液压减振器的基础上进行结构设计的，外部尺寸没有改变，因而所 设计成功的电流变液体减振器在汽车上的安装形式与常规减振器相同，上连车身，下 连车轴，可以完全取代原来的减振器在汽车上进行安装。所不同的是对传统液压减振 坝士论文汽车电流变澉体减振揣投j e 精制系统研究 ( 2 1 用于扭转振动应用的电流变液体减振器。在振动系统中除了作直线往复运动 的振动状态，还存在着作旋转运动时的往复扭转振动。解决这种振动的减振方法是应 用扭转式电流变液体减振器。图2 4 是- - ； e e 消除扭转振动应用的电流变液体减振器。 它的基本工作原理与直线往复式的电流变液体减振器相似，壳体和旋转活塞分别 是高压电源的两个电极，壳体与活塞间应很好的加以绝缘，产生旋转阻尼的流道是四 段圆弧形的狭长间隙。与直线往复式的差别之处是电流变液体的流动方向不同，前者 的流向是沿着圆筒形间隙的轴向，而后者是沿着圆弧间隙的切向。 2 2 汽车电流变液体减振器 众所周知，减振器是车辆悬架系统中的重要部件，它通过自身的阻尼作用，耗散 掉由于地面激励所引起的车辆振动的能量，为车辆行驶提供良好的平顺性及操纵稳定 性。对于传统的阻尼不可调节的液体减振器，即被动式的液体减振器，汽车振动剧烈 时，驾驶员般是通过加速或减速，来克服汽车的振动。而新型的阻尼可连续调节的 电流变液体减振器，即主动式的液体减振器，则是反其道而行之，通过改变电流变液 体的表观粘度而改变汽车悬架系统的振动响应，从而达到克服汽车剧烈振动的目的。 由于电流变液体比较短的响应时间和它们良好的可控性，因此在主动式的汽车减振器 中得到广泛的应用。理论计算和实际测量都可证明，主动式的电流变液体减振器无论 在舒适性方面或安全性方面都明显优于传统的被动式液体减振器。 2 2 1 汽车电流变液体减振器的设计原则 对于汽车电流变液体减振器，其设计的指导思想是希望应用电流交技术改进现有 的液压减振器，使之成为- , e e 阻尼可调的主动式减振器。为了使电流变液体减振器能 够尽快的取代现有的液体减振器，因此外形尺寸尽量保持原状，但对其内部结构进行 重新的设计与改造，并且使这种新型的汽车减振器兼有传统的液征减振器与电流变液 体减振器的功能。这样设计是由于通常对于电流变液体城振器只考虑了利用电流变液 体在外加电场作用下流动阻力的变化来调节阻尼力，可是一旦由于某种原因电路出现 意外而失效时，我们希望此时的减振器仍能按传统的液压减振器正常工作，只是阻尼 不可调节而已。这样做的目的，即可保证电流变液体在正常工作时的阻尼可靠性、控 制灵敏性，又能在特殊情况下保证减振器工作的可靠性。 由于是在原有液压减振器的基础上进行结构设计的，外部尺寸没有改变，因而所 设计成功的电流变液体减振器在汽车上的安装形式与常规减振器相同，上连车身，下 连车轴，可以完全取代原来的减振器在汽车上进行安装。所不同的是对传统液压减振 坝士论文汽车电流变澉体减振揣投j e 精制系统研究 ( 2 1 用于扭转振动应用的电流变液体减振器。在振动系统中除了作直线往复运动 的振动状态，还存在着作旋转运动时的往复扭转振动。解决这种振动的减振方法是应 用扭转式电流变液体减振器。图2 4 是- - ； e e 消除扭转振动应用的电流变液体减振器。 它的基本工作原理与直线往复式的电流变液体减振器相似，壳体和旋转活塞分别 是高压电源的两个电极，壳体与活塞间应很好的加以绝缘，产生旋转阻尼的流道是四 段圆弧形的狭长间隙。与直线往复式的差别之处是电流变液体的流动方向不同，前者 的流向是沿着圆筒形间隙的轴向，而后者是沿着圆弧间隙的切向。 2 2 汽车电流变液体减振器 众所周知，减振器是车辆悬架系统中的重要部件，它通过自身的阻尼作用，耗散 掉由于地面激励所引起的车辆振动的能量，为车辆行驶提供良好的平顺性及操纵稳定 性。对于传统的阻尼不可调节的液体减振器，即被动式的液体减振器，汽车振动剧烈 时，驾驶员般是通过加速或减速，来克服汽车的振动。而新型的阻尼可连续调节的 电流变液体减振器，即主动式的液体减振器，则是反其道而行之，通过改变电流变液 体的表观粘度而改变汽车悬架系统的振动响应，从而达到克服汽车剧烈振动的目的。 由于电流变液体比较短的响应时间和它们良好的可控性，因此在主动式的汽车减振器 中得到广泛的应用。理论计算和实际测量都可证明，主动式的电流变液体减振器无论 在舒适性方面或安全性方面都明显优于传统的被动式液体减振器。 2 2 1 汽车电流变液体减振器的设计原则 对于汽车电流变液体减振器，其设计的指导思想是希望应用电流交技术改进现有 的液压减振器，使之成为- , e e 阻尼可调的主动式减振器。为了使电流变液体减振器能 够尽快的取代现有的液体减振器，因此外形尺寸尽量保持原状，但对其内部结构进行 重新的设计与改造，并且使这种新型的汽车减振器兼有传统的液征减振器与电流变液 体减振器的功能。这样设计是由于通常对于电流变液体城振器只考虑了利用电流变液 体在外加电场作用下流动阻力的变化来调节阻尼力，可是一旦由于某种原因电路出现 意外而失效时，我们希望此时的减振器仍能按传统的液压减振器正常工作，只是阻尼 不可调节而已。这样做的目的，即可保证电流变液体在正常工作时的阻尼可靠性、控 制灵敏性，又能在特殊情况下保证减振器工作的可靠性。 由于是在原有液压减振器的基础上进行结构设计的，外部尺寸没有改变，因而所 设计成功的电流变液体减振器在汽车上的安装形式与常规减振器相同，上连车身，下 连车轴，可以完全取代原来的减振器在汽车上进行安装。所不同的是对传统液压减振 坝十论文汽车电流变液体减振 及j 控制系统研究 器中决定减振器阻尼力的阀系结构进行了重新设计与构造。 2 2 2 汽车电流变液体减振器的结构 在上述设计思想指导下，现将已经研制成功且为本论文所采用的一种筒式汽车电 流变液体减振器的结构介绍如下。 此种电流变液体减振器的结构如图2 5 所示。该筒式电流变液体减振器包括内筒 5 、中筒6 、外筒7 ，上、下端盖l 、1 4 ，活塞9 和活塞杆8 。外筒7 内套中简6 ，中 筒6 内套内简5 ，内筒5 上部与下部沿周边均布有至少4 个小孔e 。中筒6 与内筒5 的一端上装有绝缘套简4 ，绝缘套筒4 外部套有上端盖1 ，上端盖1 外端与外筒7 由 螺纹连接。内筒5 中的实心活塞杆8 下端装有活塞9 ，活塞杆8 底端有螺母l o 将活 塞9 紧固。活塞将中筒分为上腔a 和下腔b ，活塞杆8 上端与连接环固连，中筒6 与 内筒5 下端装有下部凹进的阀座1 2 ，阀座1 2 上设有常通孔和单向阀l i 。阀座1 2 下 部壁上开有通油孔。阀座1 2 底部装有下端盖1 4 ，下端盖1 4 外端与外筒7 固连，下 端盖1 4 底端固连连接环1 5 。内筒上部及下部周边开有小孔e ，这使得液体可通过中 筒与内筒间的环形间隙c 在腔a 、b 中流动。绝缘套筒4 上有0 形密封圈2 ，上端盖l 上有0 形密封圈3 ，防止液体泄漏，绝缘套筒4 的内孔起到对活塞杆8 的导向作用。 下端盖1 4 通过螺纹与外筒7 连接，同时对阀座起到固定作用。下端盖1 4 上的0 型密 封圈1 3 防止液体泄漏。下端盖1 4 上焊接连接环1 5 。连接环1 5 内套有尼龙衬套1 6 。 上端盖1 通过螺纹与外筒7 相连，拧紧时可将绝缘套筒4 固紧。 使用时减振器被灌满电流变液体。将电压正极施加在活塞杆8 上，外筒接地。这 样内筒通过活塞变为正电极，中筒通过导线与外筒相联而接地变成负电极，在环形间 隙c 间形成电场。在通电状态下，当电流变液体减振器处于压缩行程，活塞在内筒中 向下运动时，- - , 3 , 部分电流变液体先通过下阀座上的常通孔，再经下部的通油口进入 储油腔d ，大部分电流变液体通过内筒两端的孔e 进入环形间隙c ，此时其阻尼力出 于电场的作用而增大，产生较大的流动阻力，于是增大了a 、b 腔间的压差。电场变 化则电流变液体的阻尼力变化，从而使a 、b 腔间的压差发生变化，调节了减振器的 阻尼力。当电流变液体减振器处于复原行程时，活塞向上运动，阀座上的单向阀打开， d 腔的电流变液体通过它补偿b 腔，以免使活塞出现空行程。同时a 腔的电流变液体 通过环形间隙c 经内筒上的小孔e 流入b 腔，电场使得阻尼力变大。由于电场连续变 化可使电流变液体的电致阻尼力连续变化，故可导致减振器阻尼力的连续变化。 在不通电状态下，当活塞在内筒中上下运动时，c 腔无电场，则电流变液体通过 c 腔时所提供的阻尼力最小。反之，如果c 腔的电场最大，则电流变液体通过c 腔时 电致阻尼力最大，此时产生的阻尼力最大。 坝十论文汽车电流变液体减振 及j 控制系统研究 器中决定减振器阻尼力的阀系结构进行了重新设计与构造。 2 2 2