汽车设计中减震器相对阻尼系数的确定

周林+肖朝银+刘晓芳

摘 要：本文嘗试以汽车的电磁涡流减震器作为研究对象，分析减震器相对阻力系数，初步确认了减震器相对阻尼系数的计算公式，并探讨了汽车设计中，需要减震器阻尼系数确定需要因素，确认了基本的减震器设计原则。

关键词：汽车设计；减震器；阻尼系数

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.216

汽车工业是现代制造业的支柱性产业，汽车工业发展水平反映了一个国家的制造业发展水平。减震器是汽车必不可少的装备。当前汽车的减震器类型繁多，主要包括液压减震器、充气式减震器、电/磁流变液减震器、电磁涡流减震器等，不同减震器各有优劣。阻力系数是反映减震器减震性能的重要指标，本次研究试以汽车的电磁涡流减震器作为研究对象，分析减震器相对阻力系数计算方法，确定汽车设计中减震器设计的基本原则。

1 电磁涡流减震器阻尼系数

1.1 电磁涡流减震器

涡流减震器的涡流阻尼影响因素较多，涉及到电磁饱和、传热理论、退磁效应、集肤效应等，计算过程比较复杂，最终影响计算精度以及效率。近年来有限元仿真技术飞速发展，为阻力计算创造了条件。本文讨论的电磁涡流减震器，有三个条件：①忽略温度的小幅度变化对材料电导率、相对磁导率的影响；②计算导体框架的涡流效应，不考虑其他部件；③不考虑温度对材料物理性能的影响。电磁涡流减震器整体成圆柱形，上段是电子轴，下段为定子导体，后者由永磁体、铁极构成。在进行电磁涡流减震器的设计过程中，需要考虑如何高效的利用永磁体产生的磁场，使用相同的材料、体积结构产生更大的涡流阻力，同时考虑汽车的减震需求，确电磁涡流减震器最低阻尼力。根据磁路优化理论，采用筒式的定子导体，相较于矩形结构，能减少的电磁磁漏效应，更好的产生涡流，从而快速消耗测量运动过程中产生的振动能量。永磁体的充磁方向不会显著影响磁场的利用，目前主要采用轴向以及径向两类，根据有限元分析，轴向充磁永磁体磁感应强度峰值为2.0242T，周围气隙磁感应强度峰值0.5t最左右，而采用经向冲磁，则为1.72345T、0.4T，显然轴向冲磁效果更理想。确定结构以及冲磁的基本结构后，需要设计合适的尺寸。

1.2 阻尼力计算

用于电磁涡流减震器阻尼系数计算的理论主要包括有限差分法、有限元法、矩量法、边界元素法、格林函数法等。有限差分法适用于手机辐射、不同建筑结构室内电磁干扰研究、微带线问题研究，不适合尺寸较大、细薄结构的媒质，有限元法适合复杂媒质、边界条件、复杂边界形状的定解问题，具有较高的设计进精度，每个环节都可进行标准法，计算程序分组，方程组元数很多，计算时间长。用于电磁涡流减震器磁通密度计算，主要包括磁偶极子方法，计算方法简单，轴向磁通密度计算公式为

其中K（k）、E（k）分别为第一类全椭圆积分和第二类全椭圆积分，Rm、m分别为圆柱体永磁体的半径与厚度，在实际处理工程与科学问题时，绝大多数的微积分都无法得到准确的解析解。运动的永磁体是一个沿着轴向（z）和径向（r）都变化的磁场，导体外套涡流以及涡流阻尼力产生机制主要包括导体在恒定磁场相对运动、导体处在变化的磁场中，根据法拉第的电磁感应定律，前者为感生电动势，后者可根据洛伦磁力法则定义为动生电动势，总的电动势是两者之和，E=Etransk+Emotional=-，相对速度是永磁体和导体外筒之间的相对运动速度。考虑到相对速度是竖向方向，则永磁体的竖直分量和相对运动速度是垂直的，故此方向上的磁场不会影响导体外筒中的涡流，永磁体径向分量才产生涡流，则动生电动势作用产生的涡流阻尼力为F=，其中为导体外筒的体积，rin是导体外筒的内半径，rout为内半径。据此可计算电磁涡流的减震器，永磁体的竖直方向上的涡流阻尼力表达式，推导出电磁涡流减震器的等效阻力系数C=，同时需要考虑到集肤效应，但因推导的公式方式比较复杂，需要采用软件辅助编程求解。

2 减震器设计匹配

在获得相对阻力系数后，需要根据需求，设计减震器。以车辆悬架减震器为例，基于舒适性的车辆悬架的最佳阻尼比，需要考虑车身垂直加速度平方根，从而计算最佳阻尼比。从安全性的角度来看，需要考虑车轮动载荷的频响，使减震器能够满足车轮动载荷要求。而对于半主动的悬架系统而言，需要综合考虑安全性与舒适性，基于不同形式路况、车速，选择合适的阻尼系数。需要建立系统的运动方程，也就是前文提到的减震器阻尼系数方程，而后充分考虑时间、路面参数，考虑车轮在路面上受到的激励，考虑汽车的速度，计算路面输出模型，建立非线性的阻尼子系统，计算平顺性。在确认最佳的阻尼系数后，确认导体外筒、内半径、外半径指标，完成整个设计过程。需注意的是，绝大多数情况下，三项指标都不能准确的被计算出来，需要考虑制作工艺难度、成本、安装、整体构件等因素，选择合适的设计。

3 小结

减震器的相对阻尼系数计算与其技术特点有关，近年来电/磁流变液减震器、电磁涡流减震器等高技术含量的减震器开始取代传统的液压减震器，成为汽车减震器的未来主流发展方向。但当前，减震器的相对阻尼计算仍有许多基础问题未能得到解决，计算量比较大。在进行汽车设计时，需要利用有限元算法等先进的算法，确认减震器的阻尼系数计算方程，而后根据汽车减震需求，确定阻尼系数，才通过方程进行减震器构件的设计。

参考文献：

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