基金项目: 陕西省教育厅专项科研计划项目(2010JK660); 中国博士后科学基金项目(20100481310)
通讯作者: 寇发荣(1973-),男,甘肃酒泉人,博士,副教授,硕士生导师,主要从事车辆动力学、机械振动控制等领域的研究工作.
1.西安科技大学 机械工程学院,陕西 西安 710054; 2.长安大学 汽车学院,陕西 西安 710064
(1.College of Mechanical Engineering, Xi'an University of Science and Technology, X i'an 710054, China; 2.College of Automobile,Chang'an University,Xi'an 710064, China)
seat suspension; magneto-rheological damper; control current; damping characteristics; experimental research
在分析磁流变阻尼器的工作原理和简化模型的基础上,以座椅悬架用磁流变阻尼器为实验对象,在不同控制电流和不同激振频率输入下,对磁流变阻尼器的阻尼特性进行了台架实验研究。结果 表明, 该磁流变阻尼器耗能效果明显, 而且阻尼力随着控制电流、激振频率的增加而增大,并趋于平衡。
Based on the analysis of working principle and simplified model with magneto-rheological damper, targeted magneto-rheological damper used in vehicle seat suspension, under different control currents and different excitation frequency inputs, test studies on the damping characteristics of magneto-rheological damper are completed. The results indicate that the magneto-rheological damper has a good effectiveness for energy dissipation.The damping force increases with the increasing of control current and excitation frequency and tends to balance.
20世纪40年代Rabinow首次发现了磁流变液的磁流变现象。磁流变液(Magneto-rheological fluid)的主要组分为软磁性颗粒、母液以及为了防止磁性颗粒沉降而添加的在总组分中所占比例很少的添加剂。软磁性颗粒主要有铁钴合金、铁镍合金、羟基铁等性能优良的颗粒,使用最多的磁性颗粒为羟基铁粉。磁流变液的基本特征是在外加磁场作用下能在瞬间(毫秒级)从自由流动的液体变为半固体,呈现可控的屈服强度,而且这种变化是可逆的[1]。
采用磁流变液制成的磁流变阻尼器(Magneto-rheological damper,MRD)是一种半主动阻尼控制装置,其输出阻尼力受制于工作控制电流,具有结构简单、体积小、响应快、动态范围大、能耗小、耐久性好等优良特性。磁流变阻尼控制既具有被动系统的可靠性,又具有主动控制系统的强适应性,通过一定的控制率可以达到与主动控制系统十分接近的控制效果,是一种具有较好工程应用前景的控制技术。
文中将磁流变阻尼器技术应用于车辆座椅悬架控制中,通过分析磁流变阻尼器的结构原理以及磁流变阻尼器简化模型,对在不同控制电流、不同激振频率下的磁流变阻尼器阻尼力特性进行了台架实验研究。
依据磁流变阻尼器的阻尼通道与工作缸的空间关系,磁流变阻尼器分为通道位于缸内和缸外两种; 依据阻尼器活塞杆和缸筒的数量,磁流变阻尼器分为单杆双缸式、单杆单缸式、双杆单缸式3种; 依据磁流变液在磁流变阻尼器中的受力状况和液流形式的不同工作模式,磁流变阻尼器可分为流动式、挤压式、剪切式和3种模式的随意组合, 如图1所示。图1中,d表示工作极板产生相向运动的方向,P表示工作极板不动而磁流变液在压力作用下产生流动过程; v表示阻尼器磁流变液不动而工作极板产生相对运动。汽车座椅悬架用磁流变阻尼器设计一般不采用挤压式,通常采用剪切式、流动式或二者共同起作用的混合工作模式[2]。
磁流变阻尼器结构上由磁流变液、缸体、节流口、活塞、线圈、密封件等组成。活塞上带有节流孔,在节流孔周围设计有能产生强磁场的线圈绕组,如图2所示。当磁流变阻尼器安装在座椅悬架中工作时,磁流变阻尼器的活塞在其缸体内作往复直线的运动。安装在座椅悬架上的控制器,就会根据磁流变阻尼器活塞的实施位置所反馈回的信号,经过一定控制律计算,发出特定的阻尼器电流驱动控制指令,通过电磁线圈建立强磁场,使得磁流变液中的铁磁性颗粒在节流孔之间形成一个“链”,从而改变了磁流变液的表面粘度,控制了磁流变液在阻尼节流通道中的流动特性,改变了磁流变阻尼器活塞左、右工作腔间的压力差,从而实现磁流变阻尼器的阻尼力调节,如图3所示[3]。
忽略阻尼器摩擦力和液流惯性的影响,同时假定磁流变阻尼器的磁流变液体不可压缩,上下两工作腔中的压力均布,将磁流变阻尼器阻尼力看成流动工作模式阻尼力和剪切工作模式阻尼力的共同叠加,则混合工作模式下磁流变阻尼器的阻尼力计算表达式为
式中 η表示流体动力粘度; l表示工作极板长度; h表示工作极板间距; v0表示活塞杆的运动速度; τy表示磁流变液体的剪切应力; Ap表示活塞有效作用的面积; b表示工作极板宽度。
由式(1)可知,磁流变阻尼器阻尼力为粘性阻尼力和库仑阻尼力之和。粘性阻尼力与活塞运动速度成函数关系; 库仑阻尼力与磁流变液体屈服应力成函数关系,其受磁场强度控制,是控制电流的函数,因此,式(1)可变为
F=-Cev0+FMR.(2)
这里,Ce,FMR分别表示粘性阻尼等效系数和库仑阻尼力。
通过磁流变液的剪切应力与剪切应变率的试验研究以及一元非线性的函数回归拟合,最终找出磁流变液体的屈服应力与磁感应强度的函数关系,可以表示为
τy=1.43×10-6B2+4.743×10-3B-1,(3)
B=μNcI/2h.(4)
这里,h表示阻尼通道间隙; μ表示磁流变液体的磁导率; B表示阻尼通道中的磁场感应强度; Nc表示线圈匝数; I表示线圈励磁控制电流。
联合式(1)式(2)和式(3),得出在一定控制电流下磁流变阻尼器的阻尼力计算公式
F=-Cev0+(a1I2+a2I+a3)sgn(v0).(5)
通过实验与计算,本研究中所采用的磁流变阻尼器的阻尼力计算式为
F=-180v0+(0.086I2+0.38I+110)sgn(v0). (6)
将磁流变阻尼器应用于半主动座椅悬架控制中,在一定的活塞速度下,通过控制线圈中的电流而产生相应的磁场强度,由此形成一定的阻尼力。磁流变阻尼器的阻尼特性实验采用的主要设备包括磁流变阻尼器试样、MTS试验机、数据采集系统等[7-10]。磁流变阻尼器采用的是哈尔滨泰达尔科技有限公司生产的Tider-MRD-50-6型磁流变阻尼器,其缸筒外径45 mm,行程±15 mm,功率4 W,最大电流2 A,如图4所示。
磁流变阻尼器的阻尼特性实验原理如图5所示。在MTS试验机上,对磁流变阻尼器的示功特性进行了实验测试,测试现场如图6和图7所示。在该实验中,液压缸的激振作用使座椅悬架的磁流变阻尼器活塞在缸内作往复运动,实验系统中力传感器和位移传感器分别检测阻尼力和液压缸激振位移,该位移即为磁流变阻尼器活塞的绝对位移。
座椅悬架用磁流变阻尼器的阻尼特性实验是按照行业标准《QC/T545-1999汽车筒式阻尼器台架实验方法》来开展相关实验的。座椅悬架用磁流变阻尼器实验时的安装方向为铅垂方向; 初始位置大致在阻尼器行程的中间部分。实验中的台架激振参数为:①激振振幅分别为5,10,15 mm; ②频率输入分别为:1,2,3 Hz; ③控制电流选择为:0,0.5,1.0 A.
通过台架实验,获得了座椅悬架用磁流变阻尼器的阻尼力与活塞位移的关系曲线,如图8和图9.通过对实验结果的对比分析,可以得出如下结论
1)该磁流变阻尼器的阻尼力-活塞位移曲线比较饱满, 表明该磁流变阻尼器衰减振动与耗能效果良好;
2)在激振振幅为10 mm和激振频率为1 Hz的正弦激振输入下, 该磁流变阻尼器阻尼力大小随着控制电流的增大(0 A到1 A)而增大;
3)对于同一个控制电流(如1.0 A),磁流变阻尼器阻尼力数值基本保持恒定。从图8可看出, 当控制电流为0 A时, 阻尼力最小; 当控制电流为1.0 A时,阻尼力最大;
4)在正弦激振振幅为10 mm和控制电流为1.0 A输入下, 该磁流变阻尼器的阻尼力随激振频率的增加(1.0到3.0 Hz)而增加,但是增加的幅度不大;
5)伴随着所施加到磁流变阻尼器上的激振频率、阻尼器控制电流的增大,阻尼力-活塞位移曲线所包络面积增大,说明该磁流变阻尼器的衰减与耗散能量的能力也相应增大了。
将该磁流变阻尼器安装于MTS试验机上,在频率为1.0 Hz的正弦激励输入下,将控制电流输入连续地由0 A变化到2.0 A,分别采集控制电流数据和磁流变阻尼器阻尼力数据,由一系列的数据处理可得到如图 10所示的磁流变阻尼器阻尼力与控制电流强度的关系曲线。
该实验结果如图 10所示,在激振振幅和激振频率一定的情况下,随着控制电流的增加,磁流变阻尼器阻尼力也随之增大,从而说明了该座椅悬架用磁流变减振器的阻尼力可控性。从实验结果还看出,伴随着控制电流的增加,磁流变减振器阻尼力增加的幅度不尽相同:控制电流小时增加的幅度是较大,当电流达到1.4 A左右后,该磁流变减振器阻尼力增加幅度明显减小,阻尼力趋于平衡。