磁流变悬置参数对低频动特性的影响

吴 群，夏长高

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212000)

由于发动机隔振性能要求的不断提高，半主动控制悬置已得到广泛运用。磁流变悬置作为一种新型悬置具有可实时调节、响应快、控制方便的优点。利用磁流变液的可控特性，在磁场作用下可增加黏度，提高悬置阻尼和动特性，从而更好地满足低频隔振要求，减小振动传递率［1－6］。目前，国外学者对汽车磁流悬置已进行了大量的研究，而国内在磁流变悬置的应用则处在起步阶段，关于磁流变悬置参数对其动特性的影响分析涉及较少。本文研究一种被动液压悬置和磁流变液相结合的磁流变悬置。采用流动模式，通过改变电磁激励线圈上的电流，提高作用于可控阻尼通道的磁场强度，增加悬置阻尼，从而改善悬置在低频大振幅工况的动特性［7－11］。针对这一悬置，本文推导了其动刚度和阻尼角的表达式，并研究磁流变悬置主要参数对其动特性的影响。

1 磁流变悬置

本文设计的磁流变悬置的主要组成部分见图1。橡胶主簧与磁芯内盖、磁芯外盖等构成上液室。橡胶底膜、磁芯外座和磁芯内座组成下液室。磁流变液充满上下液室，通过可控通道或解耦膜在上下液室之间流动。在低频大振幅激励下，解耦膜行程受阻，磁流变液只流经可控通道。通过控制电磁激励线圈上的电流，改变可控通道内的磁场，从而获得较高阻尼，改善其低频动态特性。在高频小振幅激励下，其机理与被动液压悬置一致，解耦膜在其平衡位置附近振动，通过对电流的调节可以有效地抑制高频动态硬化，改善其高频动态特性。

图1 磁流变悬置结构简图

1.1 磁流变液特性

磁流变液体是磁流变悬置的工作介质，通过改变激励线圈的电流实现对阻尼力的控制。在零磁场下，磁流变液颗粒杂乱分布;在磁场作用下，磁流变液颗粒沿磁场方向呈线性链排列。其剪切屈服强度具有随磁场强度增大而增大的特点［7－11］。

根据安培环路定理，确定电流与磁流变液剪切屈服应力之间的关系为:

式中:N为线圈匝数;I为所通电流;h为可控通道间隙;H为磁场强度;τy为磁流变液的剪切屈服应力;α和β均为与磁流变液材料有关的常数。

1.2 可控阻尼通道

可控阻尼通道是流动模式磁流变悬置的核心组成部分，其液感和液阻决定了悬置的低频动态性能。而磁路、线圈匝数和激励电流大小决定了可控阻尼通道有效磁极部分的磁感应强度，从而调节可控阻尼通道的液阻。

由流体力学可知，可控阻尼通道的液感为

可控阻尼通道的液阻由2部分组成:有效磁极产生的液阻;无效磁极产生的液阻。有效磁极对应通道液体经过的流量为

对应的压力差为

将式(1)、(2)代入式(5)可得有磁部分液阻为

无磁部分对应通道的液阻为

则可控通道的液阻为

式中:L为可控通道的长度;Ai为可控阻尼通道的横截面积;l为有磁通道长度;lw为无磁通道长度;w为等效宽度;w'为最大宽度;ρ为磁流变液的密度;η0为零场黏度。

2 磁流变悬置模型建立

运用流体力学的理论，对悬置结构进行简化，建立液压悬置的力学模型(图2)。F(t)为发动机激励，Kr和Br是橡胶主簧的等效刚度和阻尼，Ap为其等效活塞面积，Ii和Id分别为可控阻尼通道和解耦膜的液感，Ri和Rd分别为可控阻尼通道和解耦膜的液阻，Qi(t)和Qd(t)分别为磁流变液流经可控通道和解耦膜产生的流量，C1和C2分别为上下液室的等效体积柔度，P1(t)和P2(t)分别为上下液室的压力，X(t)为发动机振动位移激励，Ft(t)为传递到基体的力。

图2 磁流变悬置力学模型

为研究动特性，基于力学模型建立其数学模型，并作以下假设:磁流变液不可压缩，各液室内压力相等，上下液室体积刚度视为线性，仅考虑悬置受垂直方向激励，忽略温度对磁流变液密度和黏度的影响。

橡胶主簧受激励时，上下液室之间产生压力差，磁流液通过可控阻尼通道流动，通道中液体的运动微分方程为

上下液室中液体的流体力学方程为

解耦膜中液体的运动微分方程为

悬置传递给基体的力为

在低频大振幅作用下，悬置解耦膜固定，液体只流经可控通道，视Qd值为0，Rd趋于无穷大，将式(9)～(13)进行Laplace变换，可求得悬置复刚度为

在高频小振幅作用下，假设可控通道无流体运动，视 Qi值为0，Ri趋于无穷大，将式(9)～(13)进行Laplace变换，可求得悬置复刚度为

3 磁流变悬置仿真分析

根据磁流变悬置动刚度和阻尼滞后角的表达式(16)、(17)，结合确定的磁流变悬置的主要参数，利用Matlab编程对其动特性进行仿真。

3.1 电流对低频动特性的影响

根据低频段动刚度和阻尼滞后角的表达式，以及表1的参数，运用Matlab编程进行仿真，结果见图3和图4。

从图3(a)可以看出:在0～47 Hz内动刚度随着控制电流的增加而增加，在47 Hz之后动刚度随电流增加而减小，在20 Hz处动刚度由0 A的400 N/mm增加到1.5 A的620 N/mm，增幅达44%。从图3(b)可以看出:阻尼滞后角的峰值随电流的增大而减小，阻尼滞后角峰值对应的频率也随电流的增大而减小，磁流变悬置的阻尼滞后角从1.5 A 的 32°增大到 0 A 的 37°，增幅达15.6%。因此，低频下可以通过增加控制电流来提高悬置动刚度，从而提高悬置系统隔振性能。

表1 磁流变悬置的主要参数

图3 电流强度对悬置动特性影响

3.2 橡胶主簧等效横截面积对低频动特性的影响

在0.5 A电流作用下，在橡胶主簧横截面积原值上增减10%，通过仿真得出动特性曲线。

图4 橡胶主簧横截面积对悬置动特性影响

由图4可知:橡胶主簧等效面积对悬置动刚度和阻尼角峰值影响很大。由图4(a)可知:悬置动刚度随橡胶主簧面积的增大而增大，在20 Hz时动刚度从原基础的480 N/mm增大到550 N/mm，增幅达14.6%。由图4(b)可知:悬置阻尼角峰值随横截面积的增大而增大，由原基础的27°增大到31°，增幅达14.8%，且峰值对应频率随橡胶主簧面积的增大而减小。可见，增大橡胶主簧横截面积能有效提高悬置隔振性能。

3.3 橡胶主簧刚度对低频动特性的影响

在0.5 A电流作用下，在橡胶主簧刚度原值上增减10%，通过仿真得出动特性曲线。

从图5可以看出:动刚度在整个低频段随橡胶主簧刚度的增加而增加。由图5(a)可知:在20 Hz时动刚度从原基础的460 N/mm增大到500 N/mm，增幅达8.7%。由图5(b)可知:悬置阻尼角峰值随横截面积的增大而增大，由原基础的27°增大到29°，增幅达7.4%，且峰值对应频率随橡胶主簧面积的增大而减小。提高橡胶主簧刚度能改善悬置系统的隔振性能。

图5 橡胶主簧刚度对悬置动特性影响

3.4 可控阻尼通道间隙对低频动特性的影响

在0.5 A电流作用下，在可控阻尼通道间隙原值上增减10%，通过仿真得出动特性曲线。

由图6可知:可控阻尼通道间隙对悬置低频段动刚度有较大影响。由图6(a)可知:在3～40 Hz动刚度随可控通道间隙的减小而明显增加，最终稳定在650 N/mm处。由图6(b)可知:阻尼角峰值和峰值对应频率随间隙的增大而增大。可见，小间隙通道对提高动刚度有利，但是通道间隙一般在0～2 mm内。

3.5 可控阻尼通道有效长度对低频动特性的影响

由图7可知:通道有效长度对悬置低频动刚度有较大影响，在低频段动刚度随通道有效长度的增加而增加，阻尼角峰值和峰值对应的频率随间隙的增大而减小。可见，适当增加通道有效长度对提高动刚度有利。

图6 可控阻尼通道间隙对悬置动特性影响

图7 可控阻尼通道有效长度对悬置动特性影响

3.6 磁流变液密度对低频动特性的影响

在0.5 A电流作用下，在磁流变液密度原值上增减20%，通过仿真得出动特性曲线。

由图8可知:磁流变液密度对悬置低频段动刚度有较大影响。由图8(a)可知:在12～50 Hz动刚度随磁流变液密度的增加而明显增加，在50 Hz处由原来的650 N/mm增大到680 N/mm，增幅达5%。由图8(b)可知:阻尼角峰值随密度的增大而增大，峰值对应频率随密度的增大而减小。

图8 磁流变液密度对悬置动特性影响

3.7 磁流变液零场黏度对低频动特性的影响

在0.5 A电流作用下，在磁流变液零场黏度原值上增减20%，通过仿真得出动特性曲线。

由图9可知:磁流变液零场黏度对悬置低频段动刚度有较大影响。由图9(a)可知:在0～40 Hz动刚度随磁流变液密度的增加而明显增加，在20 Hz处动刚度由原来的500 N/mm增大到550 N/mm，增幅达10%。由图9(b)可知:阻尼角峰值和峰值对应频率随零场黏度的增大而减小。

3.8 上液室体积柔度对低频动特性的影响

在0.5 A电流作用下，在上液室体积柔度原值上增减20%，通过仿真得出动特性曲线。

由图10可知:上液室体积柔度对悬置低频段动刚度有较大影响。由图10(a)可知:在10～50 Hz动刚度随上液室体积柔度的减小而明显增大，在20 Hz处动刚度由原来的475 N/mm增大到525 N/mm，增幅达10.5%。由图10(b)可知:阻尼角峰值和峰值对应频率随零场黏度的增大而减小。因此，适当减小上液室柔度能增大动刚度，改善隔振性能。

图9 磁流变液零场黏度对悬置动特性影响

图10 上液室体积柔度对悬置动特性影响

4 结论

1)在低频大振幅振动工况下，电流增大时，磁流变悬置动刚度增大，可以通过控制电流来改变悬置动刚度，从而改善隔振性能。

2)橡胶主簧等效面积和刚度对磁流变悬置动刚度的影响明显，因此应在结构设计允许的条件下，尽可能地增大橡胶主簧的等效面积。

3)可控阻尼通道结构尺寸对磁流变悬置动刚度有一定的影响，应在不影响通道磁流变液流动的基础上减小阻尼通道间隙，增大有效长度。

4)磁流变液的性能对悬置动特性也有一定的影响，应选择大密度、大零场黏度的磁流变液。

5)适当减小磁流变悬置上液室体积柔度，从而增大动刚度，改善磁流变悬置动特性。

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