城際交通車輛永磁體磁流變阻尼器懸架的研究*

肖 平,王其東,牛禮民,高 洪

(1. 合肥工業大學機械與汽車工程學院，合肥 230009； 2. 安徽工程大學機械與汽車工程學院，蕪湖 241000；3. 安徽理工大學機械工程學院，淮南 232000; 4. 安徽工業大學機械工程學院，馬鞍山 243002)

2016098

城際交通車輛永磁體磁流變阻尼器懸架的研究*

肖 平1,2,王其東1,3,牛禮民1,4,高 洪2

(1. 合肥工業大學機械與汽車工程學院，合肥 230009； 2. 安徽工程大學機械與汽車工程學院，蕪湖 241000；3. 安徽理工大學機械工程學院，淮南 232000; 4. 安徽工業大學機械工程學院，馬鞍山 243002)

為提高城際交通車輛的平順性，將永磁體引入普通磁流變阻尼器，對其懸架進行研究。首先，根據城際交通車輛的工況特點，考慮減小阻尼器調控電流等因素，對阻尼器的磁路進行設計、計算永磁體尺寸參數，在此基礎上，建立該懸架數學模型與仿真模型；然后，分別以高速公路工況和城市道路工況進行仿真；最后搭建1/4懸架試驗臺，進行臺架試驗。仿真與臺架試驗結果表明，所設計的懸架系統可以提高汽車的平順性，其調控電流普通磁流變阻尼器有所減小。

城際交通車輛；磁流變阻尼器懸架；仿真；臺架試驗

前言

懸架系統對汽車的舒適性有著重要的影響，一直是汽車領域研究的熱點之一。文獻[1]～文獻[7]中分別對無人駕駛汽車、重型貨車、履帶式汽車、拖拉機、電動汽車和礦用自卸車的懸架系統進行了研究。在國內外的研究中，將永磁體引入懸架的磁流變阻尼器對汽車的平順性進行研究的還較為少見。為提高城際交通車輛平順性，減小其阻尼器調控電流，本文中根據城際交通車輛大部分時間以相近的速度行駛在等級相同的高速公路上，其懸架振動速度、阻尼力等具有一定規律的工況特點，提出一種將永磁體引入磁流變阻尼器從而減小其調控電流的設計方法。基于此，建立了城際交通車輛內置永磁體磁流變阻尼器懸架模型，在不同工況下進行了仿真和臺架試驗。

1 內置永磁體磁流變阻尼器的設計

1.1 總體思路

城市間運行的車輛大部分時間都行駛在高速公路上，其行駛速度相對穩定，路面的功率譜相對固定，因此，懸架在工作過程中其振動速度和阻尼力等符合一定的規律。基于上述分析，可將永磁體與電磁線圈混合磁場引入磁流變阻尼器懸架中，將永磁體磁場單獨工作產生的阻尼力設計在懸架工作時的阻尼力均值點上；當阻尼力偏離均值點，可通過向電磁線圈施加正向、反向的電流來實現阻尼力的調節；同時，當懸架的振動加速度在舒適性允許范圍內時，停止向電磁線圈施加電流，由永磁體磁場單獨作用，通過這種方法可實現阻尼器調控電流的最小化。

1.2 磁路設計

內置永磁體磁流變阻尼器調控電流較小，其設計的關鍵是使永磁體磁場單獨作用時產生的阻尼力處于阻尼力的均值點，同時可以通過對電磁線圈施加不同方向和大小的電流來實現對阻尼力的調節。本文中設計的懸架阻尼器活塞采用單級磁路設計，如圖1所示。

由圖可見，磁力線沿A1→A2→A3→A4→A3→A2→A1首尾相接，A1，A2，A3和A4處的磁阻Rm1，Rm2，Rm3和Rm4分別為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:μ0為空氣導磁率；μr1,μr2,μr3和μr4分別為A1，A2，A3和A4處相對磁導率；L,L1，r1,r2,r3和r4為尺寸參數，含義見圖1。

當勵磁線圈的輸入電流為零時，阻尼通道的磁場由永磁體單獨提供，磁路模擬電路圖如圖2所示。

由磁路歐姆定律[8]可得

(5)

式中:F′和R′分別為永磁體磁勢和磁阻；φ為磁路磁通量；kf為漏磁系數。

當勵磁線圈被輸入正向電流時，阻尼通道處磁場由永磁體和勵磁線圈共同產生，磁場被增強，其磁路的模擬電路圖如圖3所示。

由磁路歐姆定律可得

(6)

式中F″為勵磁線圈的磁勢。

當勵磁線圈被輸入反向電流時，阻尼通道處磁場由永磁體和勵磁線圈共同產生，磁場被減弱，其磁路的模擬電路圖如圖4所示。

由磁路歐姆定律可得

(7)

1.3 永磁體尺寸參數計算

為計算所研究的城際交通車輛懸架阻尼器永磁體尺寸參數，首先須對該汽車進行道路試驗，實測其阻尼力和懸架振動速度等，根據所測得的數據計算平均阻尼力和懸架平均振動速度，即

(8)

(9)

(10)

其中：

(11)

(12)

式中:Ap為活塞橫截面積；b為平板寬度；h為阻尼通道的高度；η為液體的塑性黏度；k和α為與磁流變液有關的系數。

于是，可計算阻尼通道處的由永磁體單獨作用時產生的磁感應強度B′為

B′=μ0μr3H′

(13)

根據經驗，R′，Rm1,Rm2和Rm4的值都遠小于Rm3，于是由式(5)可得

(14)

于是,根據永磁體的性質可得永磁體長度L為

L=F′/Hc′

(15)

式中Hc′為磁鐵的等效矯頑力。

由磁路基爾霍夫第一定律可知，阻尼通道處的磁通與永磁體的磁通相等，于是可計算永磁體的外徑R為

(16)

式中B1為所選永磁體截面上的平均感應強度。

2 懸架模型與仿真

2.1 懸架模型

所研究的懸架物理模型如圖5所示[9-10]。為了建立懸架數學模型，首先根據圖2～圖4所示的磁路模擬電路圖計算阻尼力。

設勵磁線圈的匝數為N，輸入電流為I，則

F″=NI

(17)

結合式(6)和式(7)可得

(18)

式中:當線圈輸入正向電流時取加號，輸入反向電流時取減號。

于是，可得阻尼通道處磁感應強度B為

B=

(19)

則臨界剪切屈服應力為

τy=

(20)

(21)

式中：xs和xt分別為簧載質量和非簧載質量位移;l為阻尼通道的長度。

由圖5可得，汽車簧載質量運動方程為

(22)

式中：ms，mt和ks分別為簧載質量、非簧載質量和懸架彈簧剛度系數。

(23)

式中：xr和kt分別為路面干擾輸入和輪胎剛度系數。

根據以上數學模型，建立1/4懸架仿真模型，并基于該模型進行仿真分析。

2.2 仿真分析

為檢驗所研究的城際交通車輛內置永磁體磁流變阻尼器懸架能否正常工作，阻尼器調控電流能否減小，以某款城際交通車輛為研究對象進行仿真分析，車型主要參數為：ms=330kg，mt=50kg，ks=20kN/m，kt=210kN/m；分別對城市間高速公路行駛工況和城市內行駛工況進行仿真，并將仿真結果與傳統的無永磁體磁流變阻尼器懸架和被動懸架進行比較。

2.2.1 城際高速公路工況仿真

仿真結果如圖6所示。由圖6(a)可以看出，在高速公路上行駛時，與傳統磁流變阻尼器懸架車輛和被動懸架車輛相比，采用內置永磁體磁流變阻尼器懸架時，城際交通車輛的車身振動加速度較小、汽車平順性較好。3種懸架的車身加速度均方根值分別為0.427，0.614和0.375m·s-2。因此，采用新型懸架的城際交通車輛平順性比傳統磁流變阻尼器懸架和被動懸架的車輛平順性分別提高了13.87%和63.73%。由圖6(b)可以看出，在高速公路上行駛時，有永磁體的磁流變阻尼器調控電流比無永磁體的磁流變阻尼器調控電流小，其調控電流的均值分別為0.413和0.682A，前者比后者減小了39.44%。

2.2.2 城市工況仿真

本文中研究的內置永磁體磁流變阻尼器懸架是針對城際交通車輛設計的，但該車輛也有少部分時間行駛在城市中，為了研究其在城市中的行駛性能，采用B級路面和中國典型的城市工況CYC_CHINA15進行仿真，如圖7(a)所示，結果如圖7(b)和圖7(c)所示。由圖7(b)可以看出，與傳統磁流變阻尼器懸架車輛和被動懸架車輛相比，新型懸架城際交通車輛在不同車速段上的車身振動加速度都較小，汽車平順性較好。由圖7(c)可以看出，在不同車速段上，內置永磁體磁流變阻尼器的調控電流較傳統的無永磁體磁流變阻尼器調控電流小。因此即便在城市工況下，內置永磁體磁流變阻尼器懸架也比傳統磁流變阻尼器懸架的性能有所提高。

3 臺架試驗

將設計的內置永磁體磁流變阻尼器安裝在長春科新生產的PA-20-Z型20kN電液伺服汽車懸架試驗臺上組裝成1/4懸架試驗系統。簧載質量和非簧載質量采用質量塊模擬，輪胎采用安裝在激振頭上的彈簧模擬，電流傳感器采用HBC10ES5霍爾傳感器，電壓傳感器采用CHV-25P霍爾傳感器，數據采集系統采用NI ELVIS數據采集卡。試驗輸入采用B級路面，車速為90km/h。試驗結果如圖8所示。

由圖8(a)可以看出，懸架振動特性良好，最大加速度不超過0.675m·s-2，加速度均方根值為0.382m·s-2，與仿真結果基本吻合；同時，對比圖6(a)仿真曲線與圖8(a)臺架試驗曲線,可見仿真結果與臺架試驗結果基本一致，說明所設計的內置永磁體磁流變阻尼器懸架可以提高汽車的平順性。由圖8(b)可以看出，阻尼器的調控電流很小，最大不超過0.691A，電流均值為0.407A，這與仿真結果基本吻合；同時，對比圖6(b)仿真曲線與圖8(b) 臺架試驗曲線可見，仿真結果與試驗結果基本一致，說明所設計的新型阻尼器具有減小調控電流的作用。仿真結果與臺架試驗結果的對比分析表明，仿真結果可信，驗證了所建立的懸架模型的正確性。

4 結論

本文中根據城際交通車輛的工況特點，提出一種將永磁體引入傳統磁流變阻尼器，設計具有較小調控電流的內置永磁體磁流變阻尼器懸架的方法；然后對該懸架磁流變阻尼器的磁路進行設計，在此基礎上建立內置永磁體磁流變阻尼器力學模型和懸架模型；分別針對城市間高速公路工況和城市內交通工況進行仿真，結果表明所設計的懸架在兩種工況下都能提高汽車的平順性，同時調控電流也比傳統磁流變阻尼器小；最后利用設計的內置永磁體磁流變阻尼器搭建了1/4懸架試驗臺并進行了臺架試驗，結果證明了仿真結果的正確性。

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A Research on Intercity Vehicle Suspension with Permanent-magnet Magnetorheological Damper

Xiao Ping1,2, Wang Qidong1,3, Niu Limin1,4& Gao Hong2

1.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230000; 2.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu241000; 3.SchoolofMechanicalEngineering,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232000; 4.SchoolofMechanicalEngineering,AnhuiUniversityofTechnology,Ma’anshan243002

To enhance the ride comfort of intercity vehicles, permanent magnets are introduced into ordinary magneto-rheological (MR) damper and the corresponding suspension is studied. Firstly, based on the traffic conditions of intercity vehicles and taking reducing regulating current of MR damper into consideration, the magnetic circuit of damper is designed and the dimensional parameters of permanent magnets are calculated. On this basis, the mathematical and simulation models for suspension are built. Then, simulations with both expressway and city road conditions are carried out respectively. Finally, a quarter suspension test rig is constructed with bench tests conducted. The results of simulations and bench tests indicate that the designed suspension system with permanent magnet MR damper can improve the ride comfort of vehicle with a smaller regulating current compared with ordinary MR damper.

intercity vehicles; magneto-rheological damper suspension; simulation; bench test

*國家自然科學基金(51175135，51275002 )和安徽省高校自然科學研究項目(KJ2016A799)資助。

原稿收到日期為2015年12月15日，修改稿收到日期為2015年4月10日。