车用磁流变阻尼悬置器磁场优化及控制研究*

赵志刚，严 友

(衢州职业技术学院 机电工程学院，浙江 衢州 324000)

1 前言

许多研究及实验结果表明，发动机运行产生的二阶往复惯性力是汽车振动的主要来源。有效隔离发动机振动到车架的传递是提高整车NVH性能提升的关键。磁流变液作为新兴材料因为其优良的特性越来越多的应用于工程领域［1］。

目前国内外已有许多将磁流变技术和隔振技术结合的研究，市面上也有许多磁流变阻尼减震器。但由于发动机悬置工作环境复杂且安装空间受限，因此对发动机悬置器的设计有特殊的要求。

笔者在已有磁流变悬置元件的基础上，对其磁场分布进行优化，并加载天棚控制和模糊控制，以提高悬置器性能使其满足发动机隔振需求。

2 磁流变阻尼器磁场优化

磁流变阻尼器通过控制直流线圈中的电流，产生可控磁场来改变磁流变液的粘度，使其通过阻尼通道时产生剪切应力［2］。目前大多数磁流变阻尼器的直流线圈都采用径向布置方式，为了分析径向绕组式磁流变减震器磁场分布特性，笔者在ANSYS中建立模型，仿真用活塞和缸体的材料为电工纯铁(DT4C)，磁流变液型号选用MRF-01型。

选用电工纯铁因其具有高磁化强度以此提高阻尼器的动力可调范围，电工纯铁的磁化特性曲线如图1所示。

图1 电工纯铁磁化特性曲线

径向绕组直流线圈的每个线圈绕组的磁力线通过活塞轴、工作缸和阻尼间隙形成了闭合磁回路，因加载异相电流，故2个并联绕组产生相对磁极形成两个独立的回路，这就产生了在阻尼通道的轴向呈现出三段分布磁场的现象，而线圈安装槽正对的通道没有磁场。图2为有限元分析得出的径向绕组的磁通密度云图，直流线圈安匝数为2×660。

如图2所示，在阻尼间隙通道中出现三段式磁场分布，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域，阻尼通道的其他区域几乎没有磁场分布，造成阻尼通道长度的浪费，即有效活塞长度(分布了磁场的活塞长度)缩短。且在阻尼间隙通道的两端出现了不可控漏磁现象，导致磁流变液进入阻尼间隙通道之前就开始流变反应，使得这一部分的流体状态变得复杂，很难得到此区域的流体模型而且不利于控制策略的加载。线圈正对处的活塞和缸体内部出现了过饱和现象，磁感强度达到2.36 T，降低了阻尼器的动力可调范围。

图2 径向绕组式MR减震器磁场分析

鉴于此结构的不足，对提出了新线圈布置方案以适应发动机悬置的需求。在保证使用线圈匝数不变的情况下，采用四组扇形轴向绕组直流线圈，沿活塞圆周均匀分布，结构简图如图3所示。

图3 轴向绕组线圈安装示意图

首先，单从所设计的结构特点来看，直流线圈被安装在活塞内部，相较于之前的径向绕组结构来说，线圈得到了更多的保护。众所周知，发动机悬置元件的工作环境很复杂，所受外界干扰很多而且当汽车运行时还需要时时隔离来自发动机的振动，因此结构对线圈加强了保护，在一定程度上提高了悬置元件的使用寿命。在保持线圈安匝数、活塞尺寸以及阻尼通道间隙不变的情况下，利用ANSYS的电磁分析模块对轴向绕组直流线圈的磁路进行模拟计算，设置分析加载电流2 A，对相邻线圈绕组加载异相电流，阻尼通道磁力线分布如图4所示。

从图4可看出阻尼通道中，磁力线沿活塞圆周分布均匀且平行，在阻尼通道中产生出均布磁场，解决了三段式磁场分布的问题。

图4 磁感线分布图

图5所示为轴向绕组布置式磁流变悬置器在ANSYS中磁场模拟计算的磁场分布云图。可知，磁场沿活塞圆周均布满阻尼通道，大大提高了活塞有效长度且阻尼通道中的磁感强度并未达到饱和，也在一定程度上提高了磁流变悬置器的动力可调范围。

图5 轴向绕组悬置磁场分布云图

3 数学模型建立

本文提出的磁流变阻尼悬置器用于发动机隔振，选定的发动机采用三点式悬置安装方式［3］。为了研究单个悬置器的控制方法和隔振特性，将磁流变悬置物理模型加以简化得模型简图［4］，如图6所示。

图6 磁流变悬置模型

式中:FMR(t)为悬置传给车架的力;Me为单个悬置承载的动力总成质量;Ap为橡胶主簧等效活塞面积;Am为可控通道横截面积;Ai为惯性通道横截面积;Kr为橡胶主簧刚度;Cr为橡胶主簧等效阻尼;Ri、Ii为惯性通道部分液体惯性效应、液阻;Rm、Im为磁场可控通道部分液体惯性效应、液阻;C1、C2为上、下液室柔度;P1(t)、P2(t)为某时刻上、下液室压强;Xe(t)为某时刻发动机位移。其数学模型可表达为如下形式:

式中:V1，V2分别为上下液室的容积:Ii=ρπD1/Ai，Im=2ρl/πD2h;FMR为磁流变悬置器产生的阻尼力;Pm，Pi分别表示可控通道压强和惯性通道压强［5］。

根据上式所构建数学模型，在Matlab中搭建带模糊控制器磁流变悬置系统模型［6］，如图7所示，图8为模糊控制器子系统构架图。

图7 磁流变悬置器隔振系统模型框图

图8 模糊控制器框图

4 实验结果

对发动机转速为750 r/min工况下，即怠速工况，悬置隔振系统进行仿真可得如下结果:图9为悬置系统加载模糊控制策略前后，车身垂直加速度的变化情况。图10为加载模糊控制前后，由悬置器传递给车架的力。

图9 加载控制前后车身垂向加速度

图10 加载控制前后传递给车身的力

研究表明，磁流变悬置器在隔离低频振动的性能较隔离高频振动时要差，因此就发动机怠速工况下的振动特性进行研究。从图9、10可以看出，加载模糊控制前后，车身垂向加速度幅值从0.075 m/s2下降至0.055 m/s2，下降了约27.0%;而由悬置器传递给车身的力从15 N下降到11 N，下降了26.7%。

5 结论

本文提出了一种新型磁流变阻尼悬置器的设计过程，对磁流变悬置器的直流线圈进行重新安排，新结构磁流变悬置器可以使得线圈在恶劣的工作环境下得到较好的保护，提高悬置的使用寿命。此外，我们还对新型磁流变阻尼悬置器的磁场分布进行了模拟计算，结果表明新型结构磁流变悬置器较传统磁流变悬置器来说在磁场分布上解决了许多问题，大大提高了其使用性能。最终，加载模糊控制策略验证本文所设计的磁流变悬置器在隔振性能上有很大的提升。

［1］ 沈志宏，郭福祥.基于能量解耦法的动力总成悬置系统优化设计［J］.噪声与振动控制，2010(3):35-37.

［2］ 杨超君，陈 澜.轴向绕组磁流变液阻尼器的磁场特性分析［J］.机械设计，2010，27(5):14-18.

［3］ Ali Hafidi.Vibration reduction on city buses:Determination of optimal position of engine mounts［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2010(2):2198-2209.

［4］ 张 旭.基于免疫进化算法的发动机悬置系统稳健优化［J］.汽车科技，2012(5):10-13.

［5］ 王 峰.汽车动力总成悬置系统振动分析及优化设计［D］.上海:上海交通大学，2008.

［6］ Johnson Stephen，Subhedar Jay.Computer optimization of Engine Mounting systems［C］.SAE paper 790974.