磁流變液隔振器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真研究

簡(jiǎn)曉春，岳清亞，閔 峰，文竟力，王二紅

(1.重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074；2.重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)軍研所，重慶 400074；3.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

磁流變液(MRF)隔振器是一種新型智能型發(fā)動(dòng)機(jī)隔振器，根據(jù)汽車運(yùn)行工況不同，對(duì)阻尼力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，是一種實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)隔振控制的理想元件。其工作原理是通過控制磁場(chǎng)大小，在極短的時(shí)間(通常為ms級(jí))內(nèi)使MRF的狀態(tài)在可自由流動(dòng)的粘滯流體和半固體之間可逆變化，MRF隔振器具有響應(yīng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、阻尼力較大和可控性能比較強(qiáng)的特點(diǎn)，更為突出的是需要的工作能量較小，一般在50 W左右，工作電壓只需2～25 V[1]。

雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)有振幅小、寬頻的特點(diǎn)，但MRF隔振器高頻隔振性能很差。因此，在保證隔振器低頻良好隔振性能的同時(shí)，提高高頻隔振性能，十分必要。

1 磁流變液隔振器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 示功特性分析

表1 循環(huán)耗散能量 J

評(píng)價(jià)MRF隔振器性能的一個(gè)重要指標(biāo)是隔振器在一個(gè)振動(dòng)循環(huán)中消耗的能量。對(duì)磁流變液隔振器施加不同的激勵(lì)頻率f和激勵(lì)電流I，依次予以加載，并采集隔振器輸出的力和位移信號(hào)。經(jīng)過matlab處理過后，得到MRF隔振器在各工況下示功圖所圍面積，即各工況下的循環(huán)耗散能量E(見表1)。

隨著頻率增加，隔振器壓縮行程縮短、MRF流經(jīng)缸體和擠壓盤的時(shí)間縮短，流通面積不可變是隔振器不能適應(yīng)寬頻隔振的主要原因。因此，要提高M(jìn)RF隔振器的寬頻隔振能力，應(yīng)改善隔振器結(jié)構(gòu)，使高頻工況時(shí)單個(gè)腔內(nèi)需要交換的MRF體積流量降低，MRF流通面積增大。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化后的隔振器各部分具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。隔振器結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖 2所示。

圖1 寬頻隔振器結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的MRF隔振器將中間擠壓盤6與連接桿5分離，并新增加了下腔擠壓盤4和上腔擠壓盤7。上、下腔擠壓盤與連接桿5固接，中間擠壓盤6套在連接桿5上但不固接，并通過彈性元件組3把中間擠壓盤支撐在上、下腔擠壓盤之間，通過調(diào)節(jié)電流的大小，使勵(lì)磁線圈2起到調(diào)節(jié)MRF隔振器磁場(chǎng)的作用。

為了使MRF隔振器的阻尼達(dá)到最大，需確定改進(jìn)后的MRF隔振器的各參數(shù)。

1)彈簧剛度K

將可以調(diào)節(jié)的庫(kù)侖力與不可調(diào)節(jié)阻力之比稱為可調(diào)倍數(shù)β，計(jì)算式為

(1)

圖2 隔振器結(jié)構(gòu)參數(shù)

式中 F0為激振力;F1為粘滯阻尼力;F2為MRF慣性力;F3為磁流變效應(yīng)力;F4為初始力;ρ為MRF密度;α為材料系數(shù);NI為磁動(dòng)勢(shì); η為MRF粘度;hg為高頻振動(dòng)位移;hd為低頻振動(dòng)位移;x為振動(dòng)位移;Fg為高頻阻尼力; Fkg上為高頻上腔彈簧阻力。

上腔擠壓盤向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，在h2足夠大時(shí)，彈簧壓縮量主要受上腔擠壓盤位移的影響，由示功特性試驗(yàn)可知，當(dāng)隔振器在5 Hz工作時(shí)，隔振器位移大，此時(shí)Fg=0.5 kN，振動(dòng)位移x=0.6 mm，隔振器剛度K=33 kN/m。

2)上、下腔擠壓盤半徑r3

3)上腔上間隙 h0

h0對(duì)隔振器阻尼力F1有較大影響。如果h0過大，會(huì)導(dǎo)致阻尼力過小。在不改變隔振器腔體總高度的情況下，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)振幅一般小于1 mm[4]，在高頻工作時(shí)，兩個(gè)新增擠壓盤相對(duì)于中間擠壓盤對(duì)稱,因此新增擠壓盤在各自獨(dú)立腔體內(nèi)也設(shè)計(jì)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即h0=h2=h4=h6，h1=h5。

除擠壓盤各尺寸有所變化外，為減少工作量，其它尺寸不變。

2 示功特性仿真及分析

MRF隔振器在低頻工況工作時(shí)，其隔振性能較好，而高頻工況工作時(shí)性能較差。因此，在低頻時(shí)，用優(yōu)化前MRF隔振器低頻阻尼力模型計(jì)算，而高頻工作時(shí)則用化優(yōu)后MRF隔振器高頻阻尼力模型計(jì)算。計(jì)算模型為

(4)

運(yùn)用matlab中simulink模塊對(duì)改進(jìn)后隔振器阻尼力進(jìn)行仿真，并將得出的結(jié)果輸出，再用M文件編制相應(yīng)程序。施加勵(lì)磁電流為0，0.5，1.0，1.5 A，頻率40，60，80 Hz對(duì)應(yīng)的振幅分別為0.13，0.08，0.06 mm。對(duì)優(yōu)化前后模型進(jìn)行比較。

繪制出的仿真結(jié)果見圖 3～5。

圖3 頻率為40 Hz、振幅為0.13 mm的仿真結(jié)果

圖4 頻率為60 Hz、振幅為0.18 mm的仿真結(jié)果

圖5 頻率為80 Hz、振幅為0.06 mm的仿真結(jié)果

優(yōu)化后的MRF隔振器與優(yōu)化前的MRF隔振器相比，在寬頻時(shí)示功圖更為圓潤(rùn)飽滿，耗散能力得到大幅提升。

3 結(jié)語(yǔ)

優(yōu)化后的MRF隔振器，在結(jié)構(gòu)上增加了上、下腔擠壓盤和彈簧組，不僅滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)低頻時(shí)對(duì)大振幅、大阻尼的要求，同時(shí)在高頻工作時(shí)，增強(qiáng)了MRF的流動(dòng)性，提高了隔振性能，隔振器耗散能力較強(qiáng)，其寬頻范圍的工作能力得到了顯著提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]Takao Ushijima.High Performance Hydraulic Mount for Improving Vehicle Noise and Vibration[C].USA:SAE Paper,1988.

[2]Lee Dug-Young, Wereley Norman M. Analysis of Electro-and Magneto-Rheological Flow Mode Dampers Using Herschel-Bulkley Model[C]// Proceedings of SPIE Smart Structure and Materials Conference. California:Newport Beach,2000:244-255.

[3]Wang Xiao-jie,Gordaninejad Faramarz. Study of Field Controllable Electro-and Magneto-Rheological Fluid Damper in Flow Mode Using Herschel-Bulkley Theory[C]//Proceedings of SPIE Smart Structure and Materials Conference.California:Newport Beach,2000:232-243.

[4]閔峰,孫亮,王利偉,等.擠壓式磁流變阻尼器示功特性[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,26(6):13-17.