挤压剪切混合模式磁流变悬置特性分析*

2020-12-03蔡强隗寒冰邓召学韦鑫鑫

汽车工程师 2020年11期

蔡强隗寒冰邓召学韦鑫鑫

（重庆交通大学机电与车辆工程学院）

动力总成悬置具有固定支撑动力总成、隔振作用和限位等功能，对车辆的乘坐舒适性和平顺性起着极为重要的作用。近年来，磁流变液作为一种新兴智能材料，应用于汽车动力总成液压悬置系统，与其他液压悬置相比，具有可控性好、响应迅速、能耗低等特点[1]。但是现有混合模式的磁流变悬置是由多组励磁线圈激励，结构复杂，为实现悬置工作模式的真正混合，提出一种新型挤压剪切混合模式磁流变悬置，建立了挤压剪切模式的力学模型，并对阻尼通道的磁感应强度及阻尼力进行分析，经过验证，该模式提高了悬置的隔振性能。

1 力学模型的建立

磁流变液的工作模式可分为流动模式、剪切模式和挤压模式。流动模式是在2 个固定不动的极板间充满磁流变液体，阻尼力具有良好的可控性，但是在低频段不能提供较大的阻尼力，如文献[2]采用环形流和径向流的磁流变阀结构来产生高阻尼力。挤压模式的磁流变液受极板的挤压向四周流动，外加磁场经过极板垂直作用于两极板之间的磁流变液，极板运动方向与外加磁场方向平行，其在低频段能提供较大的阻尼力但是可控性不及流动模式，文献[3]设计了一种挤压模式的磁流变悬置，该结构仅有1 个磁流变液腔室，可有效缓解由共振和在高频激励下磁流变液的动态硬化现象；文献[4]设计了带有不连通的非导磁性活塞杆的挤压模式磁流变悬置，可达到最大的磁场强度和均匀的磁场分布。剪切模式是在2 个相对运动的极板之间充满磁流变液体，多应用于离合器、制动器[5]，单剪切模式在磁感应强度为零时的动刚度相对较小，动刚度可调范围也较小。

为了使悬置充分发挥不同工作模式的优点，使其达到理想动特性，文献[6]建立了挤压剪切混合模式的磁流变阻尼器，该混合模式的磁流变悬置是多个独立励磁线圈驱动的，只是工作模式的简单叠加，而且增加了结构的复杂程度。因此提出一种新型挤压剪切混合模式磁流变液压悬置。内磁芯和外磁芯所形成的锥形阻尼通道和内磁芯轴线形成一定的夹角，使得磁流变液在一组线圈对应的一个阻尼通道里同时具备挤压和剪切2 种工作模式，实现真正的模式混合。

磁路结构中的锥形阻尼通道是挤压剪切混合模式磁流变悬置的核心，如图1 所示。其阻尼通道的进出口压降决定了悬置的隔振性能，而磁路结构、激励电流、振幅等因素决定了阻尼通道处的磁感应强度，进而影响悬置的阻尼力。

图1 挤压剪切混合模式磁流变悬置磁路结构示意图

锥形阻尼通道的展开是圆盘的一部分，如图2 所示。建立圆盘的柱坐标系，如图3 所示。

图2 锥形阻尼通道平面展开示意图

图3 圆盘柱坐标系

磁流变液特性考虑为宾汉模型，流体径向压力梯度表示为[7]：

式中：τ——切应力，N；

Pmr——压降，Pa。

在整个上下圆盘的间隙内对z积分并考虑对称边界条件为时，得出切应力为：

圆盘表面的切应力等于屈服应力，即z=0 时：

式中：τ1——取决于磁场强度的屈服应力，N。

屈服应力τ1随着压降的增大而增大[8]：

式中：τ0——垂向压力为零时的屈服切应力，N；

KH——斜率，随着磁场强度增大而增大。

将式（4）代入式（3），并积分整理得到圆盘挤压模式压降公式为：

式中：C——积分常数。

而在圆盘剪切模式时，其阻尼力（Fτ/N）为[9]：

式中：R2——圆盘外径，m；

R1——圆盘内径，m。

则剪切模式的压降（ΔP/Pa）为：

式中：A——有效剪切面积，m2。

将式（7）代入式（5）可解得常数C，得到挤压剪切压降公式，并在整个圆盘对挤压剪切压降公式积分得挤压剪切混合模式阻尼力（F/N）为[10]：

所以，整个圆盘的阻尼力表达式为：

由于挤压剪切混合模式的阻尼通道展开后是圆盘截取ɑ 角度，其表达式为：

式中：θ——阻尼通道倾斜角度，（°）。

所以挤压剪切混合模式磁流变悬置的阻尼力（F挤剪/N）表达式为：

2 仿真分析

基于挤压剪切混合模式磁流变悬置力学模型，为探讨结构参数内径R1、阻尼通道水平间隙H0、倾斜角度θ 和外部激励振幅X0、电流强度I对通道磁感应强度及阻尼力的影响规律，初步确定磁路结构参数，如表1 所示。

表1 悬置初始结构参数

2.1 结构参数对磁感应强度及阻尼力的影响

采用有限元法分别计算了倾斜角度变化范围为5°～35°、内径R1变化范围为12～22 mm、水平间隙H0变化范围为1～2 mm 时阻尼通道内的磁感应强度，其结果如图4～图6 所示。

从图4 可以看出，当振幅X0=-2 mm，内磁芯运动到下端时，随着倾斜角度θ 的增大，阻尼通道上下两侧磁感应强度均呈现增大趋势；当振幅X0=+2 mm，内磁芯运动到上端时，上侧阻尼通道磁感应强度减小，而下侧继续呈现增大趋势。从图5 可以看出，上侧阻尼通道平均磁感应强度在内磁芯向上运动时，随着内径R1增大，磁感应强度逐渐减小，在内磁芯向下运动时，平均磁感应强度逐渐增大；下侧阻尼通道平均磁感应强度在内磁芯向上运动时，平均磁感应强度增大缓慢，在内磁芯向下运动时，平均磁感应强度增大较快。从图6 可以看出，阻尼通道上下两侧平均磁感应强度随着水平间隙H0的增大均呈减小趋势；当水平间隙H0=1 mm时，上侧阻尼通道在振幅X0=-2 mm 时随着倾斜角度θ增大，呈现先增大后减小趋势，在振幅X0=+2 mm 时，随着倾斜角度θ 增大而减少；下侧阻尼通道磁感应强度在振幅X0=-2 mm 时，随着倾斜角度θ 增大而减小，在振幅X0=+2 mm 时，随着倾斜角度θ 增大无明显变化；当水平间隙H0取值大于等于1.2 mm 时，阻尼通道上下两侧平均磁感应强度在振幅X0=-2 mm 时均随着倾斜角度θ 的增大而增大，在振幅X0=+2 mm 时上侧阻尼通道平均磁感应强度随着倾斜角度θ 增大而增大，而下侧阻尼通道平均磁感应强度无明显变化。

图4 振幅X0=±2 mm 时倾斜角度θ 与阻尼通道平均磁感应强度的关系

图5 阻尼通道磁感应强度与内径R1、倾斜角度θ 的曲面图

图6 阻尼通道磁感应强度与阻尼水平间隙H0、倾斜角度θ 的关系

阻尼力计算结果，如图7～图9 所示。从图7 可以看出，随着倾斜角度θ 增加，当内磁芯向上运动时，阻尼力方向向下，且增加平缓，当内磁芯向上运动时，阻尼力增加较快。从图8 可以看出，内径R1对磁感应强度以及阻尼力的影响并不是很大，但随着内径R1增加，阻尼力缓缓增加，倾斜角度θ 对阻尼力及磁感应强度有明显影响，随着倾斜角度θ 增加，当内磁芯向下运动时，阻尼力明显增大，当内磁芯向上运动时，阻尼力变化平缓。从图9 可以看出，随着阻尼水平间隙H0的增加，阻尼力逐渐减少，但是，随着倾斜角度θ 的增加，内磁芯向上运动时，阻尼力逐渐增加且在20°后趋于饱和，内磁芯向下运动时，阻尼力逐渐增加且在20°后增加迅速。