具有非對(duì)稱力學(xué)特性的汽車磁流變減振器設(shè)計(jì)與控制

于建強(qiáng) 董小閔 張宗倫

重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶,400044

具有非對(duì)稱力學(xué)特性的汽車磁流變減振器設(shè)計(jì)與控制

于建強(qiáng) 董小閔 張宗倫

重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶,400044

為降低汽車磁流變懸架系統(tǒng)中傳感器成本，提高系統(tǒng)可靠性，提出了一種具有非對(duì)稱力學(xué)特性的汽車磁流變減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及分級(jí)控制方法。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對(duì)其力學(xué)輸出特性進(jìn)行了理論分析,并進(jìn)行了樣機(jī)加工與試驗(yàn)測試。為分析分級(jí)控制算法在相應(yīng)半主動(dòng)懸架中的控制效果，建立了1/4車輛懸架動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析。研究結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的磁流變減振器具有連續(xù)輸出非對(duì)稱阻尼力的工作特性，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路和方法的有效性；采用分級(jí)控制算法的半主動(dòng)懸架在適應(yīng)道路條件的變化方面比被動(dòng)控制下的懸架具有更大的優(yōu)越性；雖然分級(jí)控制的控制效果在部分路面下沒有天棚控制的控制效果好，但基于分級(jí)控制的減振控制系統(tǒng)可以節(jié)約成本并提高可靠性，具有較好的應(yīng)用前景。

磁流變；非對(duì)稱；減振器；分級(jí)控制

0 引言

磁流變液在外加磁場的作用下可以在較短時(shí)間內(nèi)由液體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為半固體狀態(tài)，而且這種變化具有良好的可控性和可逆性。在外加電流或磁場的控制下, 磁流變減振器工作通道中的磁流變液的流變特性會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，可實(shí)現(xiàn)對(duì)阻尼力大小的無級(jí)控制，因此，磁流變減振器是實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)振動(dòng)控制的理想器件，并已在國外部分中高級(jí)轎車上得到應(yīng)用[1]。但目前磁流變半主動(dòng)懸架應(yīng)用仍存在一些問題和優(yōu)化空間，如控制算法較復(fù)雜，需要的反饋狀態(tài)較多，導(dǎo)致傳感系統(tǒng)成本較高，而且復(fù)雜的算法和傳感系統(tǒng)會(huì)降低懸架系統(tǒng)的可靠性[2-3]。為此有學(xué)者對(duì)自傳感自供電磁流變減振器進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，但該類磁流變減振器仍需要較為復(fù)雜的控制算法來實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)控制[4-5]。

傳統(tǒng)被動(dòng)懸架減振器不受外界電磁信號(hào)干涉，阻尼經(jīng)過最優(yōu)匹配后，能在特定的工況下取得最佳的安全性和舒適性。通常情況下，為了保證汽車的行駛安全性和乘坐舒適性，被動(dòng)懸架減振器的復(fù)原阻尼系數(shù)會(huì)大于壓縮阻尼系數(shù)，但其特性參數(shù)只能針對(duì)特定的工況設(shè)計(jì)，不具有自適應(yīng)性，當(dāng)實(shí)際工況偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，減振效果將大幅下降。如果磁流變減振器能夠有連續(xù)輸出不同工況下被動(dòng)減振器的工作特性，不僅可提高車輛懸架的性能，而且可以減少傳感器的數(shù)量和降低控制算法的復(fù)雜性，從而降低成本并提高可靠性。由于被動(dòng)減振器壓縮和復(fù)原產(chǎn)生的阻尼力不對(duì)稱，故有必要對(duì)可產(chǎn)生非對(duì)稱阻尼力的磁流變減振器及相應(yīng)控制算法展開研究。本文首先提出了一種可實(shí)現(xiàn)阻尼力非對(duì)稱的磁流變減振器的結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)一步通過研制樣機(jī)和進(jìn)行試驗(yàn)測試來分析設(shè)計(jì)的可行性；并建立了1/4車輛懸架動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)應(yīng)用該磁流變減振器的懸架在不同路面下的性能進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析。

1 具有非對(duì)稱力學(xué)特性的汽車磁流變減

振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前磁流變減振器主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：雙筒式和單筒式。雙筒式減振器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且底閥易堵塞，長期靜置后阻尼力不易恢復(fù)[6]；單筒式減振器存在單伸出桿和雙伸出桿兩種結(jié)構(gòu)形式，考慮到雙伸出桿占用空間較大，不宜應(yīng)用于空間有限的汽車懸架系統(tǒng)[7]，故本文研究的磁流變減振器采用單筒單伸出桿的結(jié)構(gòu)形式。

在前期汽車磁流變半主動(dòng)懸架減振器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上[8]，設(shè)計(jì)了圖1所示的磁流變減振器結(jié)構(gòu)，其中閥片和彈簧的作用是調(diào)節(jié)復(fù)原與壓縮運(yùn)動(dòng)時(shí)活塞與缸筒之間的環(huán)形通道出入口的尺寸。活塞將缸筒分為復(fù)原腔與壓縮腔，壓縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁流變液從壓縮腔通過環(huán)形通道流往復(fù)原腔，兩腔壓力差大于彈簧的預(yù)緊力時(shí)，彈簧壓縮，閥片打開；活塞在復(fù)原行程時(shí)，磁流變液從環(huán)形通道流往壓縮腔，在彈簧和壓力差的共同作用下，閥片復(fù)位，此時(shí)，在閥片的影響下會(huì)使磁流變液在環(huán)形通道內(nèi)的入口速度變大，節(jié)流損失增大，從而使復(fù)原力比壓縮力大。

圖1 具有非對(duì)稱力學(xué)特性的汽車磁流變減振器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of magneto-rheological damper with asymmetric damping force

2 力學(xué)特性的理論分析

磁流變執(zhí)行器主要有五種基本工作模式：流動(dòng)模式、剪切模式、擠壓模式、pinch模式和螺旋流動(dòng)模式[9]。圖1所示的具有非對(duì)稱力學(xué)特性的汽車磁流變減振器工作于流動(dòng)與剪切的混合模式，因間隙厚度與寬度比較小，可近似成平板模型。為準(zhǔn)確描述磁流變液在環(huán)形通道的流變特性，由平板模型及流體力學(xué)連續(xù)性原理[10]可以得到不考慮閥片處影響的環(huán)形通道最大阻尼力：

Fmax=Fs+Fc+ΔPAp

(1)

Fc=2Aplaτy/dd

(2)

(3)

ΔP=ΔPη+ΔPcoil+ΔPml+ΔPexit

(4)

式中，F(xiàn)s為剪切模式下阻尼力;Fc為受磁場影響的庫侖阻尼力; ΔP為不考慮閥片處節(jié)流損失影響時(shí)的零場黏滯損失;Ap為環(huán)形通道橫截面積;la為環(huán)形通道工作區(qū)域的長度;τy為磁流變液的剪切屈服應(yīng)力，是磁感應(yīng)強(qiáng)度的函數(shù);dd為環(huán)形通道工作區(qū)域的厚度;η為磁流變液的零場黏性系數(shù);vd為環(huán)形通道工作區(qū)域的速度;Dp為活塞橫截面積;l為活塞長度;vc為環(huán)形通道線圈處的速度;dc為環(huán)形通道線圈處的厚度;ΔPη為環(huán)形通道工作區(qū)域的壓降;ΔPcoil為環(huán)形通道線圈處的壓降;ΔPml為線圈處的節(jié)流損失;ΔPexit為環(huán)形通道工作區(qū)域出口的壓力損失[11]。

式(4)中等號(hào)右邊各項(xiàng)的表達(dá)式分別為

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，ρ為磁流變液密度；f、fc分別為工作區(qū)域和線圈處環(huán)形區(qū)域的達(dá)西摩擦因數(shù);Ksc、Kse分別為局部收縮和膨脹壓力損失系數(shù);Kexit為出口壓力損失系數(shù)。

2.1 復(fù)原阻尼力

由圖1可知，復(fù)原阻尼力Freb可表示為[12]

Freb=Fs+Fc+p1Ap1-p2Ap2+Fin+Fhole+Ff

(9)

(10)

(11)

其中，p1為復(fù)原腔壓力;p2為壓縮腔壓力;Fin為彈簧與閥片而造成的節(jié)流損失;Ff為摩擦力，主要由活塞桿與油封、導(dǎo)向座與缸筒及浮動(dòng)活塞密封與缸筒之間的摩擦力組成;Fhole為導(dǎo)向座孔的阻尼力;Ds為活塞桿橫截面積。故得

Fin+Fhole+Ff

(12)

其中，pa為補(bǔ)償腔的壓力；p0為補(bǔ)償腔初始?xì)鈮?V0為補(bǔ)償腔初始體積;xp為活塞位移;Af為浮動(dòng)活塞面積;γ為熱膨脹系數(shù)，取1.5。節(jié)流損失Fin為

(13)

導(dǎo)向座孔的阻尼力為

(14)

式中，vin為此狀態(tài)活塞入口處磁流變液的速度;Kenrty′為進(jìn)口壓力損失系數(shù);Aba為閥片的外圓面積;vhole為流過導(dǎo)向座孔的速度;Dhole為孔的直徑;lhole為孔的長度。

2.2 壓縮阻尼力

由圖1可知，壓縮阻尼力Fcomp可表示為

Fcomb=Fs+Fc+p2Ap2-p1Ap1+Fhole+Fk+Ff

(15)

其中，F(xiàn)k為克服彈簧組件的阻尼力，則

(16)

Fk=kΔx+mkg

式中，k為彈簧剛度;Δk為壓縮量;mk為閥片質(zhì)量。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 減振器設(shè)計(jì)

為保證阻尼通道內(nèi)有較強(qiáng)的磁場分布，活塞的材料選用較高磁導(dǎo)率的純鐵，同時(shí)為保證缸筒有足夠的強(qiáng)度，其材料選用45鋼?？紤]到顆粒磨損和撓度變形，在結(jié)構(gòu)尺寸允許的條件下，應(yīng)使閥片厚度足夠大以保證其強(qiáng)度；為避免閥片處存在剩磁，閥片的材料選取鋁合金，同時(shí)中心部位開多個(gè)小孔以降低局部損失。

車輛減振器一般以活塞峰值速度為0.52 m/s時(shí)的阻尼力值作為主要設(shè)計(jì)參考值，以某微型面包車為參照對(duì)象[13-14]，對(duì)應(yīng)所設(shè)計(jì)的磁流變減振器在0.52 m/s時(shí)的阻尼力范圍可以設(shè)置為[14]：490 N≤F≤1500 N。結(jié)合第2節(jié)分析，根據(jù)GB/T 2348-1993《液壓氣動(dòng)系統(tǒng)及元件缸內(nèi)徑及活塞桿外徑》研制出一套樣機(jī)，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：極板間距為2 mm，活塞外徑為40 mm，活塞長度為55 mm，活塞桿外徑為22 mm。樣機(jī)如圖2所示。

本文所用國內(nèi)某公司所產(chǎn)磁流變液，其表觀黏度是0.3 Pa·s，其密度是2.89 g/cm3。其剪切屈服應(yīng)力與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系如圖3所示。

3.2 試驗(yàn)測試

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的磁流變減振器設(shè)計(jì)的可行性，參照國家對(duì)車用汽車減振器的試驗(yàn)要求的準(zhǔn)則 QC/T 545-1999《汽車筒式減振器臺(tái)架試驗(yàn)方法》，在電液伺服試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)阻尼力隨不同激勵(lì)頻率和電流的變化關(guān)系進(jìn)行了振動(dòng)測試試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖4所示，磁流變減振器安裝在自帶傳感系統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)上，直流穩(wěn)壓電源與減振器相連，顯示及操作服務(wù)器位于操作間內(nèi)。

圖2 具有非對(duì)稱力學(xué)特性的磁流變減振器Fig.2 Components of MR damper with asymmetric damping force

圖3 剪切屈服應(yīng)力與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系Fig.3 Curve of yield stress versus magnetic field intensity

圖4 試驗(yàn)裝置Fig.4 Test rig of MR damper test

根據(jù)被動(dòng)減振器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)減振器進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，測試試驗(yàn)采用正弦激勵(lì)，測試振幅為25 mm，頻率分別為0.83 Hz、1.66 Hz、2.48 Hz、3.31 Hz，勵(lì)磁電流為0～1.2 A，步長為0.4 A。為避免溫度對(duì)測試造成影響，每3組試驗(yàn)間隔5～10 min，進(jìn)行風(fēng)冷降溫。

圖5 不同電流時(shí)力-位移的對(duì)比Fig.5 Test curve of damping force vs. displacement

圖6 不同電流時(shí)力-速度的對(duì)比Fig.6 Test curve of damping force vs. velocity

圖5、圖6分別給出了頻率為3.31 Hz時(shí)不同電流對(duì)應(yīng)的減振器力-位移曲線及力-速度滯回曲線?？梢钥闯鰪?fù)原力均大于壓縮力，壓縮與復(fù)原阻尼力值均隨電流(磁場)增大而增大，具有一定的可控性。由圖7中速度與最大阻尼力關(guān)系可知，壓縮與復(fù)原阻尼力值均隨電流(磁場)增大而增大，且符合Bingham模型描述的本構(gòu)關(guān)系。

圖7 阻尼力速度特性Fig.7 Force-velocity behavior for MR damper

懸架減振器的不對(duì)稱系數(shù)是指壓縮力與復(fù)原力的比值，該值隨工作速度的變化波動(dòng)很大，但均在0～1之間[15]。圖8給出了所設(shè)計(jì)的磁流變減振器的不對(duì)稱系數(shù)隨電流和頻率變化的情況。由圖8可知，隨工作頻率的改變，不對(duì)稱系數(shù)逐漸減小，這是因?yàn)橛绊懛菍?duì)稱阻尼力主要是黏滯阻尼力中的節(jié)流損失部分，隨頻率(速度)的增大，壓縮行程的節(jié)流損失也增大，故由閥片引起的復(fù)原行程的節(jié)流損失影響變小。同時(shí)隨著電流的增大，不對(duì)稱系數(shù)也會(huì)逐漸減小，這是因?yàn)殡S電流的增大，庫侖阻尼力占總阻尼力的比重逐漸增大，黏滯阻尼力占總輸出力的比重降低，因此，由節(jié)流損失影響的非對(duì)稱阻尼特性會(huì)變?nèi)酢ｋm然不對(duì)稱系數(shù)隨頻率及電流的增大會(huì)降低，但其值仍均在0～1之間，說明本文設(shè)計(jì)方法是合理的。

圖8 不同頻率對(duì)應(yīng)的不對(duì)稱系數(shù)隨電流變化曲線Fig.8 Curve of dissymmetry coefficient vs. current at different frequency

4 仿真與分析

針對(duì)所設(shè)計(jì)的具有非對(duì)稱力學(xué)特性的汽車磁流變減振器，本文提出了一種簡單可靠的分級(jí)控制方法，即針對(duì)不同的路面等級(jí)或舒適度要求只施加定值電流。為分析半主動(dòng)懸架在分級(jí)控制時(shí)的性能，設(shè)計(jì)了1/4車半主動(dòng)懸架(圖9)，其參數(shù)如下：簧上質(zhì)量為264.2 kg，非簧載質(zhì)量為25.8 kg，輪胎剛度為116.9 kN/m，彈簧剛度為15 kN/m。根據(jù)2.1節(jié)中的參數(shù)和圖7所示的試驗(yàn)結(jié)果，采用Bingham模型描述其力學(xué)特性，在隨機(jī)路面激勵(lì)下進(jìn)行仿真分析，取車速為10 m/s，路面等級(jí)為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)。

圖9 1/4車半主動(dòng)懸架模型Fig.9 Quarter-vehicle semi-active suspension model

根據(jù)牛頓力學(xué)第二定律，半主動(dòng)懸架的動(dòng)力學(xué)方程如下：

(17)

(18)

式中，ms、xs分別為簧上質(zhì)量和位移；mu、z分別為輪胎質(zhì)量和位移；ks為懸架剛度；kt為輪胎剛度；fd為磁流變減振器的阻尼力；d為路面隨機(jī)輸入。

為獲得不同路面等級(jí)下的最優(yōu)懸架參數(shù)匹配，以提高乘坐舒適性和駕駛安全性為目標(biāo)，將簧上質(zhì)量加速度、懸架動(dòng)撓度、輪胎動(dòng)載荷作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，由于三個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，故通過加權(quán)方法采用單目標(biāo)優(yōu)化算法并作量綱一化處理[13,16]：

(19)

其中，XaRMS、XDRMS、XFRMS分別為簧上質(zhì)量加速度、懸架動(dòng)撓度和輪胎動(dòng)載荷的均方根值；XaRMS,ref、XDRMS,ref、XFRMS,ref分別為被動(dòng)懸架的簧上質(zhì)量加速度、懸架動(dòng)撓度和輪胎動(dòng)載荷的均方根值；本文取加權(quán)系數(shù)如下:a1=0.4，a2=0.4，a3=0.2。

為對(duì)比采用分級(jí)控制的半主動(dòng)懸架和采用天棚控制進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的半主動(dòng)懸架的性能，對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果見表1 (車速為10m/s)。

綜合在A、B、C、D級(jí)路面下的仿真結(jié)果，可以看出：采用分級(jí)控制的半主動(dòng)懸架與被動(dòng)控制的懸架性能相比：簧上質(zhì)量加速度的均方根值降低了5%以上，懸架動(dòng)撓度的均方根值降低了10%以上，而輪胎動(dòng)載荷的均方根值降低了15%以上。雖然在B級(jí)路面下，簧上質(zhì)量加速度的均方根值比被動(dòng)懸架的均方根值增大了2%左右，但懸架動(dòng)撓度和輪胎動(dòng)載荷的均方根值低于被動(dòng)懸架下的均方根值。總體來說，在提高車輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性方面，采用分級(jí)控制的磁流變減振器的懸架系統(tǒng)能夠取得比被動(dòng)懸架更好的效果，說明其在適應(yīng)行駛工況和道路條件的變化方面具有更大的優(yōu)越性。

表1 懸架系統(tǒng)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的均方根值Tab.1 Root mean square value of the suspension system response

采用分級(jí)控制的半主動(dòng)懸架與采用天棚控制的半主動(dòng)懸架性能相比：在B、C級(jí)路面，采用分級(jí)控制的半主動(dòng)懸架的簧上質(zhì)量加速度均方根值較大；在C級(jí)路面，采用分級(jí)控制的半主動(dòng)懸架的懸架動(dòng)撓度均方根值較大；但在A、D級(jí)路面，采用分級(jí)控制半主動(dòng)懸架的性能要優(yōu)于天棚控制下的半主動(dòng)懸架的性能?？傮w來說，分級(jí)控制半主動(dòng)懸架系統(tǒng)比天棚控制半主動(dòng)懸架具有稍好的路面適應(yīng)性，出現(xiàn)這種情況的原因可能是天棚控制方法在懸架參數(shù)給定了之后只能按照一定的規(guī)則調(diào)節(jié)減振器的阻尼力，所設(shè)計(jì)的非對(duì)稱磁流變減振器庫侖阻尼力值變化幅度較小，可調(diào)范圍較小，滿足不了天棚控制的要求，故簡單的分級(jí)控制的控制效果在一定條件下比天棚控制的控制效果好。同時(shí)從傳感器應(yīng)用角度分析，采用天棚控制時(shí)整車至少需要4組(8支)傳感器，而采用分級(jí)控制的半主動(dòng)懸架僅需要1組傳感器來監(jiān)測路面等級(jí)即可。故與采用天棚控制算法的半主動(dòng)懸架相比，采用分級(jí)控制的懸架系統(tǒng)不僅在某些路面下具有更好的性能，而且能夠減少傳感器數(shù)量，提高可靠性并節(jié)約成本。

5 結(jié)論

(1)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度分析了具有非對(duì)稱力學(xué)特性的磁流變減振器結(jié)構(gòu)，為汽車懸架磁流變減振器的設(shè)計(jì)提供了新思路。研制了樣機(jī)并進(jìn)行了振動(dòng)測試試驗(yàn)，試驗(yàn)測試了阻尼力隨不同激勵(lì)頻率和電流的變化關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)原力均大于壓縮力，壓縮與復(fù)原阻尼力值均隨電流(磁場)增加而增加，具有一定的可控性。

(2) 隨頻率(速度)與電流的增大，由節(jié)流損失影響的非對(duì)稱力值占輸出阻尼力比重降低，雖非對(duì)稱系數(shù)逐漸減小，但數(shù)值均在0～1之間，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路和方法的有效性。

(3)通過仿真結(jié)果可以得出，分級(jí)控制下的半主動(dòng)懸架比傳統(tǒng)被動(dòng)懸架在適應(yīng)行駛工況和道路條件的變化方面具有更大的優(yōu)越性，雖在某些路面下比采用天棚控制的懸架系統(tǒng)的性能差一些，但能夠減少傳感器數(shù)量，提高可靠性和節(jié)約成本。

[1] ZHU X,JING X,CHENG L.Magnetorheological Fluid Dampers:a Review on Structure Design and Analysis[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2012, 23(8): 839-873.

[2] 董小閔,余淼,廖昌榮,等.磁流變剛度阻尼可控緩沖系統(tǒng)沖擊減振控制[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2009, 40(6):187-192. DONG Xiaomin, YU Miao, LIAO Changrong, et al. Impact Absorbing Control of Magneto-rheological Variable and System [J].Journal of Sichuan Univrsity(Engineering Science Edition),2009,41(6):187-192.

[3] WANG D H,LIAO W H.Magnetorheological Fluid Dampers: a Review of Parametric Modelling [J].Smart Materials and Structures,2011, 20(2): 1-34.

[4] CHEN C,LIAO W H.A Self-sensing Magnetorheological Damper with Power Generation[J].Smart Materials and Structures,2012, 21(2): 1-14.

[5] DONG Xiaomin.Design and Characterization of Axial Flux Permanent Magnet Energy Harvester for Vehicle Magnetorheological Damper[J].Smart Materials and Structures,2016, 25(1): 1-20.

[6] 賈永樞,周孔亢,徐興.基于流動(dòng)模式的汽車雙筒式磁流變減振器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,48 (10): 103-108. JIA Yongshu, ZHOU Kongkang, XU Xing. Design and Experimental Research on the Vehicle Twin-tube Magnetorheological Fluids Damper Based on Pressure Driven Flow Mode[J].Journal of Mechanical Engineering,2012,48(10): 103-108.

[7] 鞠銳,廖昌榮,周治江,等.單筒充氣型轎車磁流變液減振器研究[J].振動(dòng)與沖擊,2014, 33(19): 86-92. JU Rui, LIAO Changrong, ZHOU Zhijiang ,et al. Car MR Fluidshock Absorber with Mono-tube and Charged-gasbag [J]. Journal of Vibration and Shock, 2014,33(19): 86-92.

[8] 古曉科.磁流變減振器多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)及半主動(dòng)懸架仿真研究[D].重慶:重慶大學(xué),2014. GU Xiaoke. Research on Multi-objective Optimization Design of Magnetorheological Damper and Simulation of Semi-active Suspension[D].Chongqing:Chongqing University,2014.

[9] YU J,DONG X,WANG W.Prototype and Test of a Novel Rotary Magnetorheological Damper Based on Helical Flow[J].Smart Materials and Structures,2016, 25(2):1-15.

[10] MAO M.Adaptive Magnetorheological Sliding Seat System for Ground Vehicles[D]. Maryland: University of Maryland, 2011.

[11] MAO M,HU W,CHOI Y T,et al.Nonlinear Modeling of Magnetorheological Energy Absorbers under Impact Conditions[J].Smart Materials and Structures,2013, 22(11): 208-210.

[12] NGUYEN Q H,CHOI S B.Optimal Design of a Vehicle Magnetorheological Damper Considering the Damping Force and Dynamic Range[J].Smart Materials and Structures,2009, 18(1): 1-10.

[13] 余淼.汽車磁流變半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)研究 [D].重慶: 重慶大學(xué),2003. YU Miao. Study on Control System of Automobile Magnetorheological Semmi-active Suspension[D].Chongqing: Chongqing University,2003.

[14] 馬然,朱田洪, 伊力達(dá)爾，等.拖拉機(jī)前懸架單出桿磁流變減振器研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012, 28(13): 28-33. MA Ran,ZHU Sihong,YI Lidaer,et al. Development of Single Outstretch Pole Magnetorheological Damper on Tractor Front Suspension [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering , 2012, 28(13): 28-33.

[15] 迪克遜.減振器手冊(cè)[M]. 李惠彬，孫振蓮，金婷，譯.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2011:50-52. DIXON J C.The Shock Absorber Handbook[M]. Li Huibin, Sun Zhenlian, Jin Ting, translate. Beijing: China Machine Press,2011:50-52.

[16] 周長城,孟婕.車輛懸架最佳阻尼匹配減振器設(shè)計(jì)[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2008, 8(3): 15-19. ZHOU Changcheng,MENG Jie. Design of Shock Absorber Matching to Optimal Damping of Vehicle Suspension[J].Journal of Traffic and Transportation Enginneering,2008, 8(3): 15-19.

(編輯 陳 勇)

Design and Control of a Automobile Novel Magneto-rheological Shock Absorber with Asymmetric Mechanics Properties

YU Jianqiang DONG Xiaomin ZHANG Zonglun

State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing,400044

In order to reduce the costs of sensors and to improve the reliability of the magnetorheological (MR) semi-active suspension system, a novel structure for MR shock absorber with asymmetric damping force and the corresponding control strategy were put forward herein. On the basis of the design structures, the output damping of the MR shock absorber was analytically derived. A shock absorber was fabricated and tested under different sinusoidal excitations. A quarter car’s model was developed to analyze the control performance of suspension which applied the novel magneto-rheological shock absorber. The results show that the MR shock absorber may continuously generate asymmetrical damping forces which verify the validity of the design method. In addition, the semi-active suspension under hierarchical control strategy has better performance than that of passive suspension. In spite of the skyhook control strategy had better performance than that of hierarchical control strategy under some road surfaces, the damping systems via the hierarchical control strategy need less number of sensors, which is beneficial to reduce costs, improve reliability, and practical applications.

magneto-rheological(MR);asymmetric; shock absorber; hierarchical control

2016-03-24

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275539，51675063)；重慶市研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目 (CYB15017)

U463

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.03.020

于建強(qiáng)，男，1990年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制。發(fā)表論文2篇。董小閔，男，1975年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。E-mail:xmdong@cqu.edu.cn。張宗倫，男，1991年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。