擠壓剪切混合模式磁流變懸置特性分析*

蔡強隗 寒冰 鄧召學(xué) 韋鑫鑫

（重慶交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院）

動力總成懸置具有固定支撐動力總成、隔振作用和限位等功能，對車輛的乘坐舒適性和平順性起著極為重要的作用。近年來，磁流變液作為一種新興智能材料，應(yīng)用于汽車動力總成液壓懸置系統(tǒng)，與其他液壓懸置相比，具有可控性好、響應(yīng)迅速、能耗低等特點[1]。但是現(xiàn)有混合模式的磁流變懸置是由多組勵磁線圈激勵，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為實現(xiàn)懸置工作模式的真正混合，提出一種新型擠壓剪切混合模式磁流變懸置，建立了擠壓剪切模式的力學(xué)模型，并對阻尼通道的磁感應(yīng)強度及阻尼力進行分析，經(jīng)過驗證，該模式提高了懸置的隔振性能。

1 力學(xué)模型的建立

磁流變液的工作模式可分為流動模式、剪切模式和擠壓模式。流動模式是在2 個固定不動的極板間充滿磁流變液體，阻尼力具有良好的可控性，但是在低頻段不能提供較大的阻尼力，如文獻[2]采用環(huán)形流和徑向流的磁流變閥結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生高阻尼力。擠壓模式的磁流變液受極板的擠壓向四周流動，外加磁場經(jīng)過極板垂直作用于兩極板之間的磁流變液，極板運動方向與外加磁場方向平行，其在低頻段能提供較大的阻尼力但是可控性不及流動模式，文獻[3]設(shè)計了一種擠壓模式的磁流變懸置，該結(jié)構(gòu)僅有1 個磁流變液腔室，可有效緩解由共振和在高頻激勵下磁流變液的動態(tài)硬化現(xiàn)象；文獻[4]設(shè)計了帶有不連通的非導(dǎo)磁性活塞桿的擠壓模式磁流變懸置，可達到最大的磁場強度和均勻的磁場分布。剪切模式是在2 個相對運動的極板之間充滿磁流變液體，多應(yīng)用于離合器、制動器[5]，單剪切模式在磁感應(yīng)強度為零時的動剛度相對較小，動剛度可調(diào)范圍也較小。

為了使懸置充分發(fā)揮不同工作模式的優(yōu)點，使其達到理想動特性，文獻[6]建立了擠壓剪切混合模式的磁流變阻尼器，該混合模式的磁流變懸置是多個獨立勵磁線圈驅(qū)動的，只是工作模式的簡單疊加，而且增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。因此提出一種新型擠壓剪切混合模式磁流變液壓懸置。內(nèi)磁芯和外磁芯所形成的錐形阻尼通道和內(nèi)磁芯軸線形成一定的夾角，使得磁流變液在一組線圈對應(yīng)的一個阻尼通道里同時具備擠壓和剪切2 種工作模式，實現(xiàn)真正的模式混合。

磁路結(jié)構(gòu)中的錐形阻尼通道是擠壓剪切混合模式磁流變懸置的核心，如圖1 所示。其阻尼通道的進出口壓降決定了懸置的隔振性能，而磁路結(jié)構(gòu)、激勵電流、振幅等因素決定了阻尼通道處的磁感應(yīng)強度，進而影響懸置的阻尼力。

圖1 擠壓剪切混合模式磁流變懸置磁路結(jié)構(gòu)示意圖

錐形阻尼通道的展開是圓盤的一部分，如圖2 所示。建立圓盤的柱坐標(biāo)系，如圖3 所示。

圖2 錐形阻尼通道平面展開示意圖

圖3 圓盤柱坐標(biāo)系

磁流變液特性考慮為賓漢模型，流體徑向壓力梯度表示為[7]：

式中：τ——切應(yīng)力，N；

Pmr——壓降，Pa。

在整個上下圓盤的間隙內(nèi)對z積分并考慮對稱邊界條件為時，得出切應(yīng)力為：

圓盤表面的切應(yīng)力等于屈服應(yīng)力，即z=0 時：

式中：τ1——取決于磁場強度的屈服應(yīng)力，N。

屈服應(yīng)力τ1隨著壓降的增大而增大[8]：

式中：τ0——垂向壓力為零時的屈服切應(yīng)力，N；

KH——斜率，隨著磁場強度增大而增大。

將式（4）代入式（3），并積分整理得到圓盤擠壓模式壓降公式為：

式中：C——積分常數(shù)。

而在圓盤剪切模式時，其阻尼力（Fτ/N）為[9]：

式中：R2——圓盤外徑，m；

R1——圓盤內(nèi)徑，m。

則剪切模式的壓降（ΔP/Pa）為：

式中：A——有效剪切面積，m2。

將式（7）代入式（5）可解得常數(shù)C，得到擠壓剪切壓降公式，并在整個圓盤對擠壓剪切壓降公式積分得擠壓剪切混合模式阻尼力（F/N）為[10]：

所以，整個圓盤的阻尼力表達式為：

由于擠壓剪切混合模式的阻尼通道展開后是圓盤截取ɑ 角度，其表達式為：

式中：θ——阻尼通道傾斜角度，（°）。

所以擠壓剪切混合模式磁流變懸置的阻尼力（F擠剪/N）表達式為：

2 仿真分析

基于擠壓剪切混合模式磁流變懸置力學(xué)模型，為探討結(jié)構(gòu)參數(shù)內(nèi)徑R1、阻尼通道水平間隙H0、傾斜角度θ 和外部激勵振幅X0、電流強度I對通道磁感應(yīng)強度及阻尼力的影響規(guī)律，初步確定磁路結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1 所示。

表1 懸置初始結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對磁感應(yīng)強度及阻尼力的影響

采用有限元法分別計算了傾斜角度變化范圍為5°～35°、內(nèi)徑R1變化范圍為12～22 mm、水平間隙H0變化范圍為1～2 mm 時阻尼通道內(nèi)的磁感應(yīng)強度，其結(jié)果如圖4～圖6 所示。

從圖4 可以看出，當(dāng)振幅X0=-2 mm，內(nèi)磁芯運動到下端時，隨著傾斜角度θ 的增大，阻尼通道上下兩側(cè)磁感應(yīng)強度均呈現(xiàn)增大趨勢；當(dāng)振幅X0=+2 mm，內(nèi)磁芯運動到上端時，上側(cè)阻尼通道磁感應(yīng)強度減小，而下側(cè)繼續(xù)呈現(xiàn)增大趨勢。從圖5 可以看出，上側(cè)阻尼通道平均磁感應(yīng)強度在內(nèi)磁芯向上運動時，隨著內(nèi)徑R1增大，磁感應(yīng)強度逐漸減小，在內(nèi)磁芯向下運動時，平均磁感應(yīng)強度逐漸增大；下側(cè)阻尼通道平均磁感應(yīng)強度在內(nèi)磁芯向上運動時，平均磁感應(yīng)強度增大緩慢，在內(nèi)磁芯向下運動時，平均磁感應(yīng)強度增大較快。從圖6 可以看出，阻尼通道上下兩側(cè)平均磁感應(yīng)強度隨著水平間隙H0的增大均呈減小趨勢；當(dāng)水平間隙H0=1 mm時，上側(cè)阻尼通道在振幅X0=-2 mm 時隨著傾斜角度θ增大，呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，在振幅X0=+2 mm 時，隨著傾斜角度θ 增大而減少；下側(cè)阻尼通道磁感應(yīng)強度在振幅X0=-2 mm 時，隨著傾斜角度θ 增大而減小，在振幅X0=+2 mm 時，隨著傾斜角度θ 增大無明顯變化；當(dāng)水平間隙H0取值大于等于1.2 mm 時，阻尼通道上下兩側(cè)平均磁感應(yīng)強度在振幅X0=-2 mm 時均隨著傾斜角度θ 的增大而增大，在振幅X0=+2 mm 時上側(cè)阻尼通道平均磁感應(yīng)強度隨著傾斜角度θ 增大而增大，而下側(cè)阻尼通道平均磁感應(yīng)強度無明顯變化。

圖4 振幅X0=±2 mm 時傾斜角度θ 與阻尼通道平均磁感應(yīng)強度的關(guān)系

圖5 阻尼通道磁感應(yīng)強度與內(nèi)徑R1、傾斜角度θ 的曲面圖

圖6 阻尼通道磁感應(yīng)強度與阻尼水平間隙H0、傾斜角度θ 的關(guān)系

阻尼力計算結(jié)果，如圖7～圖9 所示。從圖7 可以看出，隨著傾斜角度θ 增加，當(dāng)內(nèi)磁芯向上運動時，阻尼力方向向下，且增加平緩，當(dāng)內(nèi)磁芯向上運動時，阻尼力增加較快。從圖8 可以看出，內(nèi)徑R1對磁感應(yīng)強度以及阻尼力的影響并不是很大，但隨著內(nèi)徑R1增加，阻尼力緩緩增加，傾斜角度θ 對阻尼力及磁感應(yīng)強度有明顯影響，隨著傾斜角度θ 增加，當(dāng)內(nèi)磁芯向下運動時，阻尼力明顯增大，當(dāng)內(nèi)磁芯向上運動時，阻尼力變化平緩。從圖9 可以看出，隨著阻尼水平間隙H0的增加，阻尼力逐漸減少，但是，隨著傾斜角度θ 的增加，內(nèi)磁芯向上運動時，阻尼力逐漸增加且在20°后趨于飽和，內(nèi)磁芯向下運動時，阻尼力逐漸增加且在20°后增加迅速。

圖7 振幅X0=±2 mm 時阻尼力與傾斜角度θ 的關(guān)系

圖8 振幅X0=±2 mm 時阻尼力與內(nèi)徑R1、傾斜角度θ 的關(guān)系

圖9 振幅X0=±2 mm 時阻尼力與水平間隙H0、傾斜角度θ 的關(guān)系

2.2 外部激勵對磁感應(yīng)強度及阻尼力的影響

采用有限元法分別計算了電流強度變化范圍為1～3.6 A、振幅X0變化范圍為0～2 mm 時，阻尼通道內(nèi)磁感應(yīng)強度結(jié)果，如圖10 和圖11 所示，阻尼力計算結(jié)果，如圖12 和13 所示。

圖10 阻尼通道平均磁感應(yīng)強度與電流強度關(guān)系

圖11 通道磁感應(yīng)強度與振幅X0 關(guān)系

圖12 阻尼力與電流強度I 的關(guān)系

圖13 阻尼力與振幅X0 的關(guān)系

3 結(jié)論

通過與單模式及現(xiàn)有混合模式對比，擠壓剪切混合模式有效地提高了懸置的隔振性能，接下來，將根據(jù)仿真分析結(jié)果對懸置結(jié)構(gòu)進行相關(guān)優(yōu)化并進行懸置的性能試驗驗證。