（机械电子工程专业论文）汽车磁流变液减振器的研究.pdf

硕士论文汽车磁流变液减振器的研究y 5 71 8 6 4 摘要 本文主要研究了智能液体材料一磁流变液技术在汽车减振系统中的应用。与 传统的汽车被动悬架系统相比，装有磁流变液减振器的半主动悬架系统，可以根 据路面状况和车辆运行状态，在计算机的控制下自动调节阻尼力，大大提高了汽 车乘坐的舒适性和行驶安全性。 本文采用模糊推理控制策略，以凇t l a b s i 跚l i n k 为仿真工具，对磁流变液 减振器半主动悬架系统统进行了计算机设计及仿真。在此基础上，提出了车辆减 振器基于磁流变液新技术的控制方法并设计开发了以d s p 芯片为主控器件的减 振器电控系统。仿真结果充分证明了本文提出的控制方案是正确可靠的，并证明 磁流变液减振器在提高汽车操纵稳定性和行驶平顺性方面均优于传统的减振系 统。 本文研究证明了磁流变液减振器在汽车半主动悬架控制系统中良好的减振 控制特性，为汽车减振技术的迸一步发展提供了很好的前景。 关健词t磁流变液半主动悬架模糊逻辑控制 计算机仿真 d s p 实时控制系统 硕士论文 汽车磁流变液减振器的研究 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h e a p p l i c a t i o n o ft h ei n t e l l i g e n tn l l i d m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ( m r f ) t e c h n o l o g yf o rc a ra b s o r p t i o no fv i b r a t i o ns y s t e mi ss t u d i e d c o m p a r e dw i t ht h e p a s s i v ec a rs u s p e n s i o n ，t h es e m i - a c t i v ec a rs u s p e n s i o ns y s t e mw i t ht h ei n t e l l i g e n t m r f d a m p e r c a r lc o n t r o lt h ed a m p i n gf o r c ea u t o m a t i c a l l yw i t ht h ec o m p m e rc o n t r o l a n d 也e ne r d a a r l c et h er i d ec o m f o r ta n d h a n d l i n gs t a b i l i t yo f t h e c a rm o r e e f f e c t i v e l y t h i sp a p e re s t a b l i s h e sao n e - f o n hv e h i c l em o l lw i t has e m i a c t i v es u s p e n s i o n a p p l y i n gf u z z yl o g i cc o n t r o ls t r a t e g y , u s i n gm a t l a b s i m u l i n k a sas i m u l a t i o n t o o lt os i m u l a t et h i sc o n t r o l s y s t e m b a s e do nt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h i sp a p e r d e s i g n sa n dd e v e l o p s af u z z y c o n t r o l l e ds e m i a c t i v e s u s p e n s i o ns y s t e mi nw h i c h t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p p l a y s t h em a i nr o l e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e m a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o lm e t h o d sp r e s e n t e db yt h i sp a p e ra r ea c c u r a t ea n d r e l i a b l e t h ep e r f o r m a n c e so fs e m i - a c t i v es u s p e n s i o ne x c e lt h a to f p a s s i v es u s p e n s i o n i nt h ea s p e c to f r i d ec o m f o r ta n d h a n d l i n gs t a b i l i t y t h er e s u l t ss h o w g o o d e f f e c to fs e m i - a c t i v ec a rs u s p e n s i o nw i 也m r f d a m p e ra n d v e t i f yf e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g eo fm r fd a m p e ri nc a rs u s p e n s i o nc o n t r o la n di nt h e m e a nt i m ep r o v i d eag o o df u t u r ef o rt h ed e v e l o p m e n to fc a ra b s o r p t i o no fv i b r a t i o n t e c h n o l o g y 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 i d c o m p u t e r s i m u l a t i o n f u z z yl o g i cc o n t r o l s e m i a c t i v ec a r s u s p e n s i o ns y s t e m d s pr e a l - t i m ec o n t r o ls y s t e m 硕士论文汽车磁流变液减振器的研究 1 绪论 1 1 磁流变液技术及其研究现状 磁流变液( m a g n e t o r h e l o g i c a lf l u i d s ，简称m r f ) 是一种可控液体，是由 非胶体的细小颗粒分散溶于绝缘载液中形成的随外加磁场变化而可控制其流变 行为的稳定的悬浮液。若磁流变液受到一中等磁场作用时，其表观粘系数增加两 个数量级以上；当m r f 受到一强磁场作用时就会变成“固体”，当磁场去掉时又 变成液体。这种将磁性及固一液转化的特性统一在同一种材料中的方法，孕育着 许多创新的工程应用。由于该材料在汽车减振器上的成功应用，有人预言在汽车 工业上，2 1 世纪将是磁流变液的世纪“”。 磁流变液的工程应用是从1 9 9 6 年开始才有所突破。从事这方面研究的学者 有美国s p e n c e rj r 教授( u n i v o fn o n ed a m e ) 、d y k e ，s h i r l e yj a n e ( w a s h i n g t o n u n i v ) 等，英国n e i ld s i m s ，r o g e rs t a n w a y ( d e p a r t m e n to f m e c h a n i c a le n g e e r i n g ， u n i v e r s i t yo f s h e f f i e l d ) ，韩国、日本及白俄罗斯等国家的学者，但开始较早且较 成功者主要是美国学者。企业界有美国l o r d 公司开始较早，不仅研究磁流变液 体成份及特性，还研究它的工程应用。 l o r d 公司j d a v i dc a r i s o n 。k e i t h dw e i s s 等通过分析磁流变液的特性，指出 其在场致屈服应力、使用温度范围、物理化学稳定性、能耗等均优于电流变液， 由此开创了国际上磁流变液研究的新局面。他们特别强调磁流变液可用于汽车减 振器、离合器和制动装置等，并开始磁流变液减振器的研发。c a r l s o n 及其合作 者d y k e ，s j ，研究用于货车车座的可控磁流变液减振器，并以这种减振器直接 代替普通减振器，使货车座位振幅减少2 0 5 0 ，大大降低在矿山或崎岖山路 上行驶的危险性。 k i mk i d u c k l e ej a e h y o u n g 和j e o nd o y o u n g ( 韩) 对汽车用磁流变减振器进 行实验研究，所用减振器直径4 0 m m ，长度1 5 0 m m ，行程为3 5 m m ，但没进行实 际车辆实验，只是在自行设计台架上作了实验验证。 我国对这方面的研究尚薄弱，目前中科院物理所、复旦大学、重庆大学、中 国科技大学、上海交大等科研单位及院校也相继开展了磁流变液的研究工作。 磁流变液用于振动控制领域已取得一定的成绩，它进一步的发展趋势是要达 到商业实用化程度。磁流变液的流变特性较复杂，应深入研究磁流变液减振器的 非线性行为，为磁流变减振器工程应用提供可靠的理论基础，为此还需进行以下 研究。 硕士论文汽车磁流变液减握器的研究 ( 1 ) 对已有的磁流变减振器可以利用稳健设计结合优化设计方法，在保证性能 或提高性能的前提下降低其成本。 ( 2 ) 在现有的应用领域中要有突破，须立足创新思想，根据基本功能原理设计 出结构新颖，性能卓越的减振设备。 ( 3 ) 综合发挥减振器参数化模型和非参数化模型各自的优势，进而深入研究总 结精确实用的数学模型，以利于减振器的设计与控制器设计。 结合材料特性的研究成果通过优化减振设备的性能来反求所需材料的特性， 进而对材料的特性提出进一步要求，如根据颗粒尺寸、微粒占总体积比等与磁场 强度的关系来反求磁流变液应有的组份特征。“” 1 2 磁流变液汽车半主动悬架控制技术简介 在现代车辆设计中，悬架是实现车辆操纵性、安全性和舒适性最重要的部分 之一。目前，对悬架的振动控制一般有三种方法：被动控制、主动控制和半主动 控制。其中以控制减振器阻尼特性为目的的半主动悬架系统以其成本低、可靠性 好、减振效果也较好等优点，具有很好的应用前景。可控液体磁流变液在处于磁 场中时能够在几毫秒内粘度增大，呈现类似固体的状态，而当磁场移去之后又能 立即恢复液态。利用磁流变液进行设计，要比传统的机电设备简单、可靠、能耗 小、响应迅速，并且磁流变减振器通过调整产生磁场的电流的大小即可实现对减 振器阻尼力的控制，因此它易于同电子控制相结合，实现智能化连续控制，从而 进一步提高车辆半主动悬架的减振效果，使得行驶平顺性及操纵稳定性得到较大 的改善。 1 3 本课研究的目的和意义 该课题鲁在将可控流体磁流变液技术运用于车辆的减振器控制系统中，跟据 磁流变液的工作原理对汽车半主动悬架控制系统进行设计与分析，并以实验来证 明这种新型的磁流变减振器比传统减振器具有更好的减振效果。 该课题将对磁流变液技术在工程应用方面有所开拓，并提出了车辆减振器基 于磁流变液新技术的控制方法，使汽车减振技术达到一个新的高度，为汽车减振 技术的进一步发展提供了很好的前景。 1 4 本课题研究的主要内容 本文主要研究的主要内容是： 硕士论文汽车磁流变液减振器的研究 1 分析了磁流变液减振器的工作原理，推导了磁流变减振器的阻尼力与控制 电流之间的关系，并对其结构进行了优化设计； 2 用模糊逻辑推理方法实现了磁流变液汽车半主动悬架的控制并进行了系统 仿真设计； 3 设计了磁流变液减振器的实时控制系统，通过仿真证明了磁流变液减振器 比传统减振器具有更好的减振效果。 硕士论文 汽车磁流变液减振器的研究 2 磁流变液减振器的设计 本章主要研究了磁流变液减振器的工作原理，建立了磁流变液减振器阻尼力 与振动速度以及外加磁场强度之间的关系，并跟据其工作原理优化设计出磁流变 液减振器的结构，为磁流变液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 认识磁流变液 2 1 1 流体的粘度 流体流动时，在流体内部产生阻碍运动的摩擦力的性质叫流体的粘性。流体 产生粘性的最主要的原因有两条：一是流体分子之间的吸引力产生阻力，二是流 体分子作不规则的热运动的动量交换产生阻力。 设有两平行平板，相距为h ，其间充满液体，如图2 一l 所示。 图2 - 1 相对运动平板之间的流体 假设下板固定，上板在外力作用下以匀速v n 向右运动。与两板相接触的流体 由于附着力的作用必粘附于两平板上，具有与平板相同的运动速度。因此与上平 板相接触的一层流体将以速度v 。随上板一起向右运动，而紧贴下板的一层流体将 以自上而下逐层递减的速度向右运动。流动较快的流体层，带动较慢的流体层， 同时流动较慢的流体层又阻滞流动较快的流体层，从而在流体层之间产生内摩擦 力。牛顿经实验研究发现，流体运动产生的内摩擦力与沿接触面法线方向的速度 变化( 即速度梯度) 成正比，与接触面的面积成正比，与流体的物理性质有关， 而与接触面上的压强无关。这关系式称为牛顿内摩擦定律，即 硕士论文 汽车磁流变液减振器的研究 f ：删立 幽 ( 2 - 1 ) 式中，f 流体层接触面上的内摩擦力( n ) ； a - - 流体层之间的接触面积( m 2 ) ： d v d n 速度梯度，通常称为剪切速率p ( 1 s ) ； 表示流体物理性质的比例常数，称为动力粘性系数( p a s ) ，简 称粘度。 若以单位面积上的内摩擦力( 切应力) f 表示，则牛顿内摩擦定律可以表示 为 西 f = ：t ：a -( 2 2 ) 通常把满足牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体，此时u 由流体本身性质所 决定，不随d v d n 而变化，否则称为非牛顿流体。 2 1 2 磁流变液的流变学性质 流变学是一门描述在外力作用下物体发生形变情况的学科，此处的物体可以 是固体、液体和气体。理想的固体在外力作用下，会产生弹性变形，当消除外力 后，弹性变形可以消除并恢复原状；但当外力足够大时，固体的变形超出弹性变 形，会发生塑性永久变形，外力消除后，物体不能恢复原来形状。达到弹性变形 的最大应力称作弹性屈服应力，此应力可以是剪切应力，也可以是拉压应力。存 在屈服应力是固体的一种重要特征。液体在外力( 一般是剪切力) 的作用下，也 将发生变形，但这种变形是不可逆的，即他们在外力的作用下，不断的沿力的作 用方向流动。严格说理想的液体不存在明显的抗剪屈服应力。 磁流变液在无磁场作用时表现为牛顿流体，当有外加磁场作用时，磁流变液 表现出一种非牛顿流体的性质，最明显的变化是剪切力f 不再是剪切速率尹的线 性函数，图2 2 中f 一户的曲线的斜率即表观粘度，7 。随户的上升而下降，这称为 剪切稀化( s h e a r t h i n n i n g ) 。与此同时，m r f 呈现一定的屈服应力fv 即当f f 。时，m r f 呈现流动现象。在外磁场作用 下，m r f 的表现粘度叩。增加( 液体的实际粘度无变化) 是由于屈服应力增加造 成的，这种粘塑性行为称为b i n g h a r n 塑性摸型。当f f ，时，f = f ，+ 叩。尹。 b i n g h a m 模型的不足之处是无法解释剪切稀化现象。 硕士论文 汽车磁流变液减振器的研究 磁流变液在外加磁场下，其流变性能的变化的微观机理可描述为：在外磁场 作用下，液体中的颗粒产生磁偶极矩，通过磁偶极子之间的相互作用，为了达到 能量最小要求而形成长链，外磁场的加大，使这种链状结构进一步发生聚集，形 成复杂的团簇结构，这种微观结构上的变化直接导致了液体流变性。“7 1 oi o2 03 0q o 1 2 0 1 0 0 一 8 0 皇6 0 4 0 0 户，( 1 ，s )户( 1 s ) ( a )无外磁场作用( b )外磁场作用下 图2 - 2 剪切应力t 随剪切率y 的变化曲线 2 1 3 磁流变液的性能 ( 1 ) 屈服应力 与电流变液相似，磁流变液存在塑性特性。然而，磁流变液的屈服应力明显 大于相应的电流变液。实际上，通过作用一个磁场很容易获得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 范围的屈服应力。 ( 2 ) 温度范围 磁流变液能在一4 0 1 5 0 的范围内正常工作，这是一个与高屈服强度同等 重要的问题。在这个温度范围内由于载体介质的扩张与收缩引起粒子体积百分率 的变化而使屈服强度略有变化。 ( 3 ) 粘度 当没有磁场作用时，磁流变液可以自由流动。在表观粘度与剪切速率的函数 图上，磁流变液显示出剪应力下降之势。表观粘度定义为测得剪应力除以剪切速 率。按b i n g h a m 塑变模型，粘度被定义为根据测得的剪应力与剪切速率数据得出 的一条线性回归曲线的斜率。对于磁流变液，塑性粘度通常在0 1 0 o 7 0 帕 秒的范围内。 ( 4 ) 响应时间 与电流变液的特性相似，磁流变液对作用的磁场响应时间为毫秒数量级。例 6 ”巾o 硕士论文汽车磁流变液减振器的研究 如一个磁流变液模型减振器，作用磁场之后，在6 5 毫秒内可以达到流变平衡。 ( 5 ) 稳定性 与电流变液不同，磁流变液不受在制造和应用中通常存在的化学杂质所影 响。另外，其原材料无毒，环境安全，与多数设备兼容。通常流动情况下，磁流 交液会发生微粒子载体容剂分离。低剪切搅拌可很容易的使粒子重新分散，消 除分层。 表2 一l 为磁流变液与电流变液的性能比较： 表2 - 1 磁流变液与电流变液的区别 2 1 4 磁流变液的组成及制各 磁流变液分散体系由铁磁颗粒、载液和稳定剂三部分组成。悬浮相采用系列 羰基铁粉，粒度分布为o 5 2 0 p m ，体积分数为1 5 一3 0 。稳定剂采用磺酸盐、 油酸、烷基胺磷酸脂、溴化烷基甲基铵( c t b ) 、烷氧基硫代磷酸盐、聚乙二醇、 s i 0 2 及其它非离子型添加剂等，添加体积浓度为o 5 巧。载液分别采用硅油 和烃类油。典型制备工艺为基液转换法，即先在某种介质中添加适当助剂对悬浮 相进行超声分散和机械高速分散，随后进行真空干燥或红外干燥和更换基液并添 加适当助剂，进行高速机械分散适当时间。制备完毕后将样品置于密闭容器储存。 以下是几种磁流变液的制各方法： ( 1 ) 铁钻合金磁流变液的制备 取按体积4 8 的f e 、5 0 的c o 和2 的v 所组成的铁一钴合金1 1 2 9 ，与2 2 4 9 硬脂酸分散剂以及3 0 9 的o 2 p a s 的硅油混合在一起，在这种磁流材料中铁一钴 硕士论文 汽车磁流变液减振器的研究 合金粒子的体积比为o 3 ，然后高速分散，使这种磁流变液材料均质，磁流变液 材料储存在聚乙烯材料制成的容器中，以供使用。 ( 2 ) 铁一镍合金磁流变液的制各 取重量为9 4 2 5 9 的铁镍合金粉，其中f e 的重量占9 2 ，n i 的重量占8 ， 根据硬脂酸或硅油的重量变化使粒子成分的重量占2 5 ，然后将载液与铁镍粒 子的混合粉，通过高速分散使其磁流变液均质，这种磁流变液被储存在聚乙烯材 料制成的容器中以各使用。“1 2 2 磁流交液减振器工作原理 2 2 1 磁流变液减振器的工作模式 磁流变液减振器是跟据磁流变液在磁场作用下具有可控的高屈服应力从而 使阻尼力增大来工作的。磁流变液阻尼器的工作模式主要有流动模式和剪切模 式，如图2 3 ： 婚奄旃y l ( a ) 流动模式( b ) 剪切模式 图2 - 3 磁流变液减振器的工作模式 在流动模式中，磁流变液位于两个相对静止的极板之间，磁流变液流经阻尼 通道产生压力差，该压力差可分为与磁场无关的秸性分量只和由磁场引起的屈 服应力分量尸r 。其中只大小推导如下： 为了简化假设磁流变液在两板之间的流速是线性变化的，不计体积力的作用，由流体力 学得平扳间流动模式的流动方程： d r 卸 咖 工 ( 2 3 ) 其中，f 为磁流变液的剪切应力，y 为垂直于磁流变液流动方向的坐标：l 为平 硕士论文汽车磁流变液减振器的研究 板的长度；p 为阻尼通道两端的压力差。 在无磁场作用下，磁流变液表现为牛顿流体，其剪应力r 可用下式来表示： f ：，f 坐 ( 2 4 ) f 2 o _ 、”7 a y 其中，“为磁流变液的流动速度，芦。为磁流变液的零磁场粘度。 将( 2 。4 ) 式代入( 2 3 ) 式中，并利用边界条件：u ( o ) = o ；u ( g ) = o 求解二 阶微分方程，得出平行板通道速度分布： “力2 彘( y 2 一g y ) ( 2 5 流过平行板的磁流变液的流量为： q = f w u ( 肭一器 协6 ) 其中，w 为平板的宽度，g 为两平板问的间隙厚度。由( 2 6 ) 式可得卸。的 表达式： 肾印一訾 ( 2 7 ) 而由磁场引起的屈服应力分量只。其大小近似为： c f 己 卸，= ( 2 - 8 ) d 一 其中，f 。是由磁场强度h 所引起的屈服应力。参数c 的最小值为2 ( 当 啦卸。小于1 时) ，最大值为3 ( 当啦印，大于1 0 0 时) 流动模式中总压 力差近似为弛和印。之和。 剪切模式中，磁流变液位于两相对运动的极板之间，产生剪切阻尼力，该阻 力分别为粘性力分量e 和由磁场引起的屈服力分量c ，分别为 f ：_ , u o g l w ( 2 9 ) ” 譬 e = f y 工w 式中，v 为极板相对速度。 2 2 2 控制电流与减振器阻尼力的关系 ( 2 1 0 ) 由以上分析的磁流变液减振器的工作模式，设计出基于混合工作模式的磁流 硕士论文 汽车磁流变液减振器的研究 变液减振器结构如图2 - 4 所示 1 工作缸；2 活塞杆；3 阻尼孔：4 活塞：5 磁流变液；6 线圈；7 线圈外套：8 活塞环 图2 4 磁漉变减震器的工作原理 由以上讨论得混合工作模式的阻尼力为 f = 岛+ 只+ + c ；t 1 2 l o q l4 + 型4 + 业+ f ，w ( 2 - 1 1 ) g 。w gg 。 其中a ，为活塞的有效作用面积，v o 为活塞的运动速度，注意到q = v o a p w = 2 7 r r l ，g = r 2 - r l ，l = 2 1 ，取c = 3 ，代入( 2 1 1 ) 式得： 肛糯+ 告矿辔桃 仁圆 流动模式的粘性阻尼分量与剪切工作模式的粘性阻尼分量之比为 每= 鬻黔 = ! ：墨! ：! 墨兰二墨! ! ： 3 a p 2 ( 2 一t 3 ) 0 硕士论文汽车磁流变液减振器的研究 设活塞杆与活塞面积之比为口，则a p = ( 1 一口) 斌1 2 ，代k ( 2 1 3 ) 式 旦：! l 她| ( 2 1 4 ) 03 ( 1 一口) l r lj 同理可得两种工作模式的屈服力阻尼分量之比 墨：j l 她 ( 2 1 5 ) 只3 ( 1 一口)r l 因为r 2 一r 1 “r l ，从( 2 - 1 4 ) 式和( 2 一1 5 ) 式可以看出f 野 足，只 p r ，因此 减振器的阻尼力可简化为 其中剪切屈服应力l 由磁场强度日决定： r ，= k h p f 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 其中，k 和是与磁流变液相关的实验常数，这里k 取0 0 6 1 8 ，取1 2 5 ； 日为阻尼孔中的磁场强度。由于汽车振动的频率较低，为简化，可按静态磁路设 计的原理进行设计，不计磁路损失，根据安培环路定律并考虑到间隙磁压远大于 磁芯磁压，由n i = r m c l ，o = b s ，= 占肛，可得： h ：坠 f 2 18 ) r m 汹 其中r 。为磁阻，r 。= 2 ( r 2 一r 1 ) i l l s ，为间隙长度，为磁导率，s 为磁路的横截面积，得 爿2 而而 ( 2 1 9 ) 其中n 为线圈匝数。将( 2 1 7 ) 和( 2 - 1 8 ) 式代a ( 2 1 6 ) 中得： f = 籍+ i 6 ：l a c r k 。l ：( 月：i n r ) j 1 4 ( 2 2 。) 从( 2 2 0 ) 式可看出控制电流与阻尼力之间是单调递增的，并且电流只影响阻 啬 一户 ：l 蜀 翻一一 一心碣 硕士论文汽车磁流变液减搌器的研究 尼力的库仑阻尼部分，当电流为0 时，减震器的阻尼力就等于粘性阻尼力。由此， 为得到理想的阻尼力，相应的控制电流可以用下式确定：“” k 盟型忙蒜i r 2 - r i1n r c r r 16 t a p k ， b z ， ll 1 ( 足2 一) 3 。 峰。u 2 3 磁流变液减振器的设计 2 3 1 减振器设计原则 2 3 1 1 对磁流变液性能的要求 1 ) 为保证汽车架乘人员的人身安全，必须确保磁流变液无毒、无害和无腐蚀： 2 ) 由于汽车是长期使用的，必须确保磁流变液的性能是稳定的、可靠的和不沉 淀的： 3 ) 要使磁流变减振器的调节范围大，须保证其零场粘度低： 4 ) 由于汽车电瓶( 发电机) 的功率所限，磁流变减振器的功耗要小，必须确保磁 流变液在较低的磁场作用下发生磁流变效应，在外加磁场作用下，磁流变液 的剪切屈服强度至少达3 0 k p a - 5 0 k p a ： 5 ) 汽车在冬季使用时温度较低，在夏季使用时温度较高，必须确保磁流变液有 较宽的温度使用范围( 一般要求4 0 1 5 0 c ) ： 6 ) 为了减小磁流变减振器的运动部件的磨损，在磁流变液中应无磨粒存在； 7 ) 在减振器使用过程中不发生腐蚀现象； 8 ) 磁流变液的响应速度要快，以确保磁流变减振器在较高振动频率的环境中进 行实时控制； 9 ) 磁流变液本身的价格要低，确保磁流交减振器市场竞争力。 2 3 1 2 阻尼通道的设计 阻尼通道的结构和尺寸直接影响到磁流变减振器的阻尼特性，阻尼通道有下 列几种形式：阻尼通道位于活塞内；阻尼通道位于活塞和工作缸之间；阻尼通道 位于工作缸之外。阻尼通道的设计主要确定阻尼间隙和阻尼通道的长度。这两个 参数对减振器的阻尼力影响较大。减小阻尼间隙，增大阻尼通道的长度均可增大 减振器的阻尼力，从而确定减振器的调节泛围。 硕士论文 汽车磁流变液减振器的研究 2 3 1 3 磁路中磁芯材料的选用 在磁路中，磁芯材料所起的作用是增加磁感、改变磁路的磁通密度、减小漏 磁等。磁芯材料的种类较多，主要有：电工纯铁、硅钢、铁镍合金、铁铝合金、 铁钴合金、磁温度补偿合金和软磁铁氧体等。由于各种磁芯材料的性能和价格相 差较大，有的材料还需要真空或氢气保护热处理，导致磁芯元件的性和价格相差 较大，根据下列原则，本文所设计的磁流变减振器选用2 0 # 低碳钢作为导磁材 料。 1 ) 要求磁导率高，当线圈匝数一定时，通以不大的电流，就能产生较大的磁感 应强度。磁流变液减振器阻尼通道中的工作磁感应强度一般为0 3 0 0 0 t 0 6 0 0 0 t ， 选用磁芯材料时应将最大磁导率作为选择材料的主要依据。 2 ) 要求材料的磁滞回线所包括的面积小，矫顽力低，磁导体中有小涡流损失和 磁滞损失小。 3 ) 在交变磁场作用下，磁导体的磁滞回线的形状和大小随磁场频率的改变而变 化，磁导体中有涡流损失和磁滞损失( 总称为铁损) 铁损的存在不仅使线圈激励 电流增加，而且使磁路中的磁势与磁通之间存在相位差。 4 ) 磁流变液减振器线圈的电流( 实对控制的交变电流) 决定于线圈的电阻和电抗， 线圈中的电抗与磁路中磁阻有密切关系。“” 2 3 2 减振器的设计 根据以上分析减振器工作原理、磁流变液的特性及磁路设计原理，设计出实 验用磁流变液减振器的结构如图2 - 7 ，悬架质量等参数见本文有关章节。减振器 外径为5 4 i n m ，行程为8 0 m m 。工作缸外筒、活塞以及阻尼孔隙共同构成磁路， 根据磁芯材料的选择原则，从磁芯的性能、价格和工艺等因素考虑，选用无缝钢 管( 低碳钢) 作为工作缸，选用坡莫合金或电工纯铁( 为了提高磁导率必须进行热处 理) 作为活塞材料。由于磁流变液中存在微小的磁性颗粒，它在阻尼通道中的流 动对活塞和工作缸有冲刷作用，因此有必要对其进行表面处理，在表面处理过程 中不能影响磁路的特性。磁路中线圈的导线通过中空活塞杆送入，在外部控制所 加电流的大小就可以控制磁场，从而控制阻尼力大小。 该减振器采用单伸出杆结构，由于活塞杆所占用的体积致使减振器在拉伸过 程中由上腔经阻尼通道流入下腔的磁流变液不能完全填充下腔的空间，由此造成 减振器在压缩过程中产生“空行程”现象。为解决该问题，采用了充气结构的补 偿器，如图2 7 ，用一个浮动活塞形成一个密封气室，其中充满氮气，充气压力 为2 m p a 。 硕士论文汽车磁流变液减振器的研究 减振器的结构参数如下： 缸径d = 6 0 m m ，阻尼孔位置尺寸r l = 2 2 m m ，r 2 = 2 4 m m ，活塞杆直径 d = 1 4 m m ，活塞杆内孔径d l = 3 m m ，活塞直径为6 0 m m ，阻尼孔径为2 m m ，阻尼孔 长度8 m m ，线圈匝数为8 0 匝。缸内装3 0 0 m l 的磁流变液。 给线圈通以电流，即可产生可控磁场控制阻尼力，所加电流不宜过大，以避 免磁场达到饱和而使阻尼力不再受电流的控制。取电流在o 1 2 a 内变化，需加5 v 的电压，输出功率5 w 。 根据式( 2 18 ) 计算，设活塞运动速度为o 3 m s 时，当通以0 1 2 a 的电流时， 所产生的阻尼力泛围为2 0 1 4 0 0 n ，能够满足减振器的工作要求。 图2 - 5 为用m a t l a b 绘制出的阻尼力随电流变化的曲线，图2 6 为阻尼力随电 流以及活塞运动速度变化的三维曲线图。 图2 - 5 活塞运动速度为0 3 m s 时，阻尼力随电流变化的曲线 由图2 5 、2 - 6 可知，阻尼力随电流变化是单调递增的，通过控制电流的大 小即可实现减振器阻尼力的连续可调。 2 4 小结 通过对磁流变液减振器的工作原理的分析及设计，可以得出以下结论： ( 1 )磁流变减振器只需几伏特电压，功耗仅有几瓦特，说明磁流变阻尼器是低 功耗的可控阻尼器件。与传统的汽车减振器相比，其运动部件大减少，几乎无碰 撞，故噪声低。 ( 2 )阻尼力随电流变化单调递增，通过调节电流，达到调节阻尼器阻尼力的目 的，说明阻尼力的大小可通过引入电流的大小来调节。 ( 3 )由于密封与活塞杆之间的摩擦力的存在，磁流变体与磁芯材料特性参数测 4 硕士论文 汽车磁流变液减振器的研兜 试不准确、理论分析模型的简化等原因使得实际阻尼力值要比理论值要小 一些。 图2 - 6 阻尼力随电流以及活塞运动速度变化的三维曲线图 硕士论文 汽车磁流变液减振器的研究 图2 7 磁流变液减振器结构示意图 1 上吊环2 连接电缆3 导向座4 密封圈5 密封圈6 工作缸7 活塞杆8 垫圈 9 活塞1 0 线圈n 线圈矫套1 2 垫圈1 3 螺母1 4 0 型密封圈1 5 浮动活塞1 6 密封气室1 7 下吊环 6 硕士论文 汽车磁流变液减振器的研究 3 磁流变液减振器半主动悬架模糊控制系统设计 本章运用模糊逻辑控制理论对磁流变液减振器半主动悬架控制系统进行了 设计仿真分析，证明了模糊控制半主动悬架控制效果优于传统的被动悬架控制系 统。 3 1 汽车半主动悬架振动模型 对汽车的研究，是围绕“道路一车辆一人”所构成的系统进行的。因此，在 进行控制系设计之前，要建立悬架的振动模型，道路模型和响应评价标准。 3 1 1 车身与车轮双质量系统的振动模型 汽车是一个复杂的振动系统，应根据所分析的问题进行适当的简化。车体四 分之一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，本文即采用2 自由度的四分之一模型。 图( 3 - 1 ) 中，埘j 一汽车悬挂质量( 车身质量) ； j 即 - j z 埘，一非悬挂质量( 车轮质量) ； k 悬架刚度： c 阻尼器阻尼系数； 鼢一轮胎刚度。 口一路面激励 车轮与车身垂直位移坐标为z ，、z ? ，坐标原点 选在各自的平衡位置。 图3 1 汽车振动模型 则磁流变减振器的半主动悬架运动微分方程为 脚2 三2 + 彭( z 2 一z 1 ) + f ( 三2 一南) + f j = 0 m 1 艺i + k ( z i z 2 ) + 胁( z l q ) + c ( z l z 2 ) 一f 】：o f 3 - 1 其中阻尼力厂= c ( 乞一j 1 ) + f 】，为受磁场控制的可调阻尼力部分，其方 向与( j ，一毛) 的方向同。 建立状态方程如下： 爹 r。l ， 硕士论文汽车磁流变液减振器的研究 j y ( ：= 倒a x + + 。b u u ，其中，片= f z 2 岛商赢】r ，：，u ：【g ，m a = o1 一x m 2 一c m 2 o0 x m lc m l 00 x m 2c m 2 ol 一( k + k t ) m l c m i ，b 2 0 0 0 k t m l 0 1 m 2 0 1 m 1 c = 【- k m ：，一c m ：，x m ：，c m 2 】，d = 【0 ，一l 肌：】 则对于非磁流变减振器的被动悬架，令f 为零便得到其状态方程。 3 1 2 汽车平顺性的评价方法 汽车行驶时，由于路面不平等因素激起汽车的振动，使乘员处于振动环境之 中。振动影响着人的舒适性、工作效能和身体健康。保持振动环境的舒适性，以 保证驾驶员在复杂的行驶和操纵条件下具有良好的心理状态和准确灵敏的反应， 它将影响“人一汽车”系统的操纵稳定性，对确保安全行驶是非常重要的。研究 平顺性的目的就是控制振动的传递，使乘坐者不舒适的感觉不超过定界限，这 就要掌握汽车振动系统各环节的特性一人对振动的反应、汽车振动系统的传递特 性和作为振动“输入”的路面不平度的统计规律。7 0 年代初，标准化组织( i s o ) 在综合大量有关人体全身振动的研究工作和文献的基础上，订出了国际标准 i s 0 2 6 3 l 人承受全身振动的评价指标。国际标准i s 0 2 6 3 l 推荐两种方法对人 承受全身振动进行评价，平顺性评价也参照这两个方法。 3 1 2 11 3 倍频带分别评价方法 用这个方法评价，首先要把传至人体的加速度进行频谱分析 带的加速度均方根值谱。 l 3 倍频带上、下限频率的比值 l f u j l = 2 3 = 1 , 2 6 式中， 一上限频率； 石一下限频率。 l 中心频率= 五 = 26 石 上、下限频率与中心频率的关系为 = 1 1 2 兀：石= o 8 9 五 分析带宽，= ：i 一石 得到1 ，3 倍频 ( 3 - 2 ) 硕士论文汽车磁流变液减振器的研究 各1 3 倍频带加速度均方根值分量a 可以从传至人体加速度j i j ( f ) 的功率 谱密度g 口( ，) 对相应1 3 倍频带中心频率尼的带宽疋积分而得 = 脱叫) 矽 _ ( 3 - 3 ) l ，3 倍频带分别评价方法认为，同时有许多个l 3 倍频带都有振动能量作用 于人体时，各频带振动的作用无明显的联系，对人体产生影响的，主要是由人体 感觉的振动强度最大的一个l 3 倍频带所造成。 由于人体对各频带振动的敏感程度不同，所以1 ，3 倍频程加速度均方根值分 量盯。的大小并不能反映人体感觉的振动强度的大小。为此，要用人体对不同频 率振动敏感程度的频率加权函数，将人体最敏感的频率范围以外各1 3 倍频带加 速度均方根值分量盯。进行频率加权，即按人体感觉的振动强度相等的原则折算 为最敏感频率范围，垂直振动4 s h z ，水平振动1 2 h z 的数值称为加权加速 度均方根值分量盯鼬，。它的大小可以反映人体对振动强度的感觉。 其计算公式为 仃驯= w ( 厶) 盯拼 ( 3 - 4 ) 式中，厶一第一人1 3 倍频带的中心频率，单位为h z ； w ( l ，) 一频率加权函数，并有 垂直方向( 厶) = 0 5 厶( 1 厶4 ) 1 ( 4 正。s 8 ) 8 厶( 8 正，) ( 3 5 ) 加权加速度均方根值分量盯。反映人体对各l 3 频带振动强度的感觉，l 3 倍频带分别评价法的评价指标就是盯鲫。中的最大值( 仃晰) 。当通过计算或实测 分析得到( 盯m ) 。值，把它与最敏感频带允许的界限值加以比较，进行评价。 当用这个方法评价时，要改善平顺性就得减小( 仃。) 。值，即要求传至人 体的振动能量在频率分布上不要过于集中，尤其在人体最敏感的频带不要有突出 的尖峰。 3 1 2 2 总加权值方法 这个方法是用l 8 0 h z ，2 0 个1 3 倍频带加权加速度均方根值分量盯m 的方 和根值一总加权加速度均方根值d 卸来评价。仃加的计算公式为 咿防2 0 i = l 一2 i s ， 仃加= i ( 盯m ) 2i 。 ( 3 勘 lj 硕士论文汽车磁流变液减振器的研究 总加权加速度盯鼬除了对传至人体的加速度芦( f ) 进行1 3 频程分析，然后按 式( 3 6 ) 计算外，还可以对加速度的谱密度g b ( ，) 进行频率加权直接进行计算， 此时 ( 3 7 ) 式中，( ，) 一频率加权函数；计算的l 3 倍频带中心频率为1 - 8 0 h z 的相应积分 范围( 0 9 9 0 ) h z 。 本文采用的是第一种评价方法。 国家标准g b l l 2 4 7 9 0 “客车平顺性评价指标及限值”规定了客车平顺性随 机输入行驶试验平价指标及其限值。这个标准适用于大、中型客车和轻型客车。 本文同时使用这种评价标准。 3 1 3 路面的统计特性 3 l3 1 路面不平度的功率谱 分析汽车的振动系统时，掌握了输入的路面不平度功率谱阻及车辆系统的频 响函数，就可以求出各响应物理量的功率谱，用来分析振动系统参数对各响应物 理量的影响和评价平顺性。 作为车辆振动输入的路面不平度，主要采用路面功率谱密度来描述其统计特 性。这反映在1 9 8 4 年国际标准协会在文件i s 0 厂r c l 0 8 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“车辆振动输入一路 面不平度表示方法”标准之中，两个文件均建议路面功率谱密度q ( ”) 用下式作 为拟台表达式 q ( ) = q ( 嘞) ( 刍一 ( 3 8 ) ，1 0 式中胛一空间频率，它是波长五的倒数，表示每米长度中包括几个波长，单 位为m “： n o 一参考空间频率，玎o = o 1 m 。； g 。( n 。) 一参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 。1 ： w 一频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率，它决定路面谱的频率结构。 通常取w = 2 。 ，一2 1；，一 够)厂( p g )厂( 2 矿 o 9n l = w 硕士论文汽车磁流交液减振器的研究 上述路面功率谱指的是垂直位移功率谱，还可以采用不平度函数对纵向 长度i 的一阶导数，即速度功率谱( 单位为m ) ，来补充描述路面不平度的统 计特性。 g ( ) = ( 2 a n ) 2g 口( 玎) ( 3 - 9 ) 当频率指数w = 2 时，将式( 3 - 8 ) 表达的g 。( 胛) 代入式( 3 - 9 ) ，得到： g 口( h ) = ( 2 n n o ) 2 g 口( ，7 0 ) ( 3 - 1 0 ) 可以看出，此时路面速度功率谱幅度在整个频率范围内为一常数，即为 一“白噪声”，幅值大小只与不平度系数有关，以后将可以看到，用它来计算 分析会带来一定方便。 3 1 3 2 空间频率谱密度g 。( 竹) 化为时闻频率谱密度g q ( ，) 对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“，将空间频率谱密度换算为时间频率谱密度。 当汽车以一定车速驶过空间频率为的路面不平度时，输入的时间频率是与的乘 积，即 f = , 时间频率带宽与相应空间频率带宽的关系为 a f = u & n 可以看出，当空间频率行或带宽刀一定时， 随车速u 正比变化。 ( 3 1 1 ) f 3 - 1 2 ) 时间频率，与时间频率带宽 功率谱密度的物理意义是单位频带内的“功率”( 均方值) ，故空间频率 谱密度可以表示为： 啄加慨= 鲁 p 1 3 ) 式中 吐，i 一路面谱在频带a n 内包含的“功率”。 在一定车速下，与空间频带相应的时间频带内所包含的不平度垂直位移 谐量成分相同，其“功率”仍为2 。，因此换算的时间频率谱密度可表示为： g q ( f ) = 删l i m = 等( 3 - 1 4 ) 2 v + 。2 寻 将式( 3 1 2 ) 、( 3 1 3 ) 代入上式，得到瓯( ”) 与q ( ，) 的换算式 硕士论文汽车磁流变液减振器的研究 q ( ，) = 二q ( n ) ( 3 - 1 5 ) 将式( 3 - 8 ) 、( 3 - 1 1 ) 关系代入式( 3 - 1 5 ) 得时间频率不平度垂直位移谱 密度( 单位为m 2 ，s ) 表达式，当w = 2 时，得 q ( ，) = 丢q ( n o ) c 案j = q ( ) 酊乒 ( 3 - 1 6 ) 从而，时间频率的不平度垂直速度的谱密度( 单位为m