磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)汽車(chē)懸掛系統(tǒng)減振效果的影響與分析

1、磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)汽車(chē)懸掛系統(tǒng)減振效果的影響與分析第27卷第9期振動(dòng)與沖擊JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)汽車(chē)懸掛系統(tǒng)減振效果的影響與分析任艷飛,陳力奮(復(fù)旦大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系,上海200433)摘要:采用Bingham磁流變模型,得出了半主動(dòng)懸掛控制電流與系統(tǒng)的狀態(tài)向量,阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素之間的變化關(guān)系,分析了阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)(如通道間隙,長(zhǎng)度等)的變化對(duì)整個(gè)懸掛系統(tǒng)減振效果產(chǎn)生的影響,從而考查磁流變阻尼器的疲勞磨損與汽車(chē)懸掛減振效果的關(guān)聯(lián)程度.關(guān)鍵詞:汽車(chē)半主動(dòng)懸掛系統(tǒng);磁流變;結(jié)構(gòu)參數(shù);減振效果中圖分類(lèi)號(hào):032文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A在車(chē)輛工程的

2、發(fā)展進(jìn)程中,隨著人們對(duì)舒適性和安全性等要求的提高及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,經(jīng)過(guò)科學(xué)研究及實(shí)踐而依次出現(xiàn)了三類(lèi)懸掛系統(tǒng):被動(dòng)懸掛,主調(diào)節(jié)的主動(dòng)控制智能裝置,而且這種主動(dòng)控制并不需要很大的能量;同時(shí)半主動(dòng)控制懸架系統(tǒng)在沒(méi)有主動(dòng)控制時(shí)具有被動(dòng)懸架系統(tǒng)的功能,在控制失效的有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,具有出力大,能耗小,響應(yīng)快,阻尼力可調(diào)和易于控制等優(yōu)點(diǎn),在工程和實(shí)際應(yīng)用中強(qiáng)度來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)阻尼目的的智能裝置,因此,基于磁流變液流變效應(yīng)的磁流變阻尼器正符合了半懸架系統(tǒng)的研究工作,而我國(guó)在磁流變阻尼器的應(yīng)用屬于初步階段',對(duì)磁流變參數(shù)變化對(duì)減振效果的影響研究涉尼力模型,得出了半主動(dòng)懸掛控制電流與系統(tǒng)的狀態(tài)向量及其

3、反饋矩陣之間的關(guān)系式,分析了阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)(如通道間隙,長(zhǎng)度等)的變化對(duì)整個(gè)懸掛系統(tǒng)減振效果產(chǎn)生的影響,從而為磁流變阻尼器在懸掛系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ).1參數(shù)化的磁流變阻尼器力學(xué)模型本文采用基于Bingham磁流變液的參數(shù)化阻尼力模型,此模型顯示了磁流變液隨磁場(chǎng)而變化的力學(xué)特性.對(duì)于圖1所示剪切閥式磁流變阻尼器8,其總的阻尼力F可以表示為j:=(+)+fT3LAp+,JD)()ng()(1)基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10672041)收稿日期:20071227第一作者任艷飛男,碩士生,1981年3月生.,.一.,廣一l二<l:IlL一l=磁流變,vr1,戛19_

4、1J一一一,圖1剪切閥式磁流變減振器示意圖式(1)中A為活塞的有效面積,(t)為活塞的相對(duì)速度,D為缸體內(nèi)徑,J為活塞的長(zhǎng)度,h為活塞與缸體間隙,為磁流變液的剪切屈服力,叼為磁流變液的研究,可以將總的阻尼力F(t)分為兩部分:1)可控阻尼力():f+,JD17"y()sng()(2)2)不可控阻尼力(+(3)(t)主要與隨控制電流I(t)變化的磁流變液剪切屈服力相關(guān),一般來(lái)說(shuō)可控;F(t)主要與活塞的減振器總的阻尼力可寫(xiě)為:F(t)=F(t)+F(t)=(t)+aVX(4)其中XR為系統(tǒng)狀態(tài)列向量,VR為阻尼器活塞相對(duì)速度(t)在狀態(tài)向量中的位置轉(zhuǎn)換向量,系數(shù)是關(guān)于設(shè)計(jì)參數(shù)的函數(shù):(

5、Ap,h,L,D)=+(5)已知系統(tǒng)的狀態(tài)方程為:=AX+BU+日W(6)其中URm為控制力向量;W為外界激勵(lì)向量.采用LQR優(yōu)化算法可以得到優(yōu)化控制力向量與狀態(tài)向量的關(guān)系:第9期任艷飛等:磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)汽車(chē)懸掛系統(tǒng)減振效果的影響與分析77U=GX(7)其中G=一R一BP=ggg)R為狀態(tài)反饋增益矩陣,P由Riccati方程求得.在半主動(dòng)控制技術(shù)中,控制力向量中的每一個(gè)控制力M(i=1,m)由磁流變減振器阻尼力F提供,即有F=M.引入設(shè)計(jì)參數(shù)的函數(shù):,c(A,h,D)=一p+LwD,考慮到方程(2),(4)和(7),不難得到:()J麗g一(,D)V'(8)文獻(xiàn)5給出了不同磁流變

6、阻尼器中磁流變液的剪切屈服力"Ty()與輸入電流,()之間的關(guān)系式:Jr()=klk2e一'0(9)式(9)中k,k和k,為擬合系數(shù).由式(8)不難解得:)=一)(10)上式中行向量T一(Ap,h,L,D)V.由此即得半主動(dòng)懸掛控制電流隨系統(tǒng)的狀態(tài)向量,阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)A,h等的變化關(guān)系.2磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)減振效果的影響分析圖2所示為一整車(chē)模型,車(chē)身簡(jiǎn)化為一剛體,具有上下垂直位移,左右傾斜角度0和前后俯仰角度三個(gè)自由度,四個(gè)輪子分別簡(jiǎn)化為只包含一個(gè)質(zhì)量位移和輪下彈簧k由此得到狀態(tài)向量:=,j,0,書(shū),l,jl,戚,j2,3,j3,講,j.采用文獻(xiàn)10中所選小型客

7、車(chē)半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的參數(shù):M=1000kg,ml=m2=29.5kg,m3=m4=27.5kg,J口=1356kgm,Jd=480kgm,C=3×10N?s/m,kl=kc2=k3=k=2×10N/mkl=k丑=20580N/m,k3=k=19600N/m取磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)為¨:A=271cm,L:圖2整車(chē)減振系統(tǒng)模型個(gè)參數(shù)對(duì)整車(chē)系統(tǒng)第一階固有頻率的無(wú)量綱化靈敏度如表1所示,不難看出,活塞與剛體間隙h對(duì)系統(tǒng)第一階固有頻率的影響最為顯著;系統(tǒng)第一階固有頻率及其靈敏度隨各個(gè)參數(shù)百分比變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3和圖4所示.表1系統(tǒng)第一階固有頻率對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的無(wú)量綱化靈敏度各個(gè)

8、參數(shù)的無(wú)量綱化靈敏度磁流變液的表觀粘度活塞的長(zhǎng)度活塞的有效面積活塞與缸體間隙缸體內(nèi)徑%圖3系統(tǒng)第一階頻率隨參數(shù)變化曲線(xiàn)圖4系統(tǒng)第一階固有頻率靈敏度隨參數(shù)變化曲線(xiàn)+%(一活塞與缸體間隙,0活塞的長(zhǎng)度,+活塞的有效面積,口磁流變流的表觀粘度,缸體內(nèi)徑)圖5質(zhì)心加權(quán)加速度均方根值隨參數(shù)變化關(guān)系78振動(dòng)與沖擊2008年第27卷當(dāng)磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)4,D,h和叼變化時(shí),車(chē)輛在隨機(jī)路面激勵(lì)下質(zhì)心加速度均方根值的變化情況如圖5所示,從中不難發(fā)現(xiàn),活塞與缸體間隙h和活塞的有效面積4對(duì)系統(tǒng)的影響最大.在實(shí)際應(yīng)用中,隨善g盛.暑譬嘲暑t/sCG側(cè)偏角加速度著阻尼器的磨損,參數(shù)h和活塞的有效面積A的變化也最明顯,

9、所以下面主要分析了參數(shù)h和的變化對(duì)系統(tǒng)減振效果的影響.圖6,7,8給出了隨機(jī)激勵(lì)下參數(shù)h和4變化5%時(shí)系統(tǒng)響應(yīng),功率譜和傳遞率的對(duì)比情況.cG俯仰角加速度t/s輪心垂直加速度(+為被動(dòng)懸架,一為半主動(dòng)懸架,為參數(shù)變化后的半主動(dòng)懸架)圖6系統(tǒng)隨機(jī)激勵(lì)下懸架的加速度響應(yīng)圖8懸架質(zhì)心傳遞率分析3結(jié)論本文采用整車(chē)模型,從而使磁流變阻尼器在懸架電流與系統(tǒng)反饋狀態(tài)向量及阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系式,為磁流變阻尼器在半主動(dòng)懸架系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ).此外,還分析了現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中由于磨損引起各個(gè)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)減振效果的影響,為阻尼器參數(shù)的設(shè)計(jì)和懸架性能的改善提供了依據(jù).參考文獻(xiàn)和未來(lái)挑戰(zhàn)J.控制理論與應(yīng)用,20

10、04,21(1):139144.控制J.測(cè)控技術(shù).2004,23(2):413.activesuspensioncontrolusingmagnetorheologicalactuatorsJ,InternationalJournalofSystemsScience,2006(1):3544.架半主動(dòng)控制J.天津大學(xué).2006,39(7):768_772.(下轉(zhuǎn)第86頁(yè))振動(dòng)與沖擊2008年第27卷為了考察斜拉索與主梁對(duì)船橋碰撞結(jié)果的影響,建立如圖12所示臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)為例(圖13),與整橋模型相比承臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)明顯增加碰撞分析時(shí),應(yīng)考慮主梁及斜拉索對(duì)碰撞響應(yīng)的影響.圖12不考慮主梁與斜拉索的船橋

11、碰撞模型,八:索模型一,一一'圖13兩種模型承臺(tái)位移曲線(xiàn)對(duì)比整船整橋模型碰撞仿真的難點(diǎn)之一是仿真計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng),解決這一難題最好的辦法就是利用并行計(jì)算技術(shù)來(lái)大大縮短計(jì)算時(shí)間.在并行計(jì)算時(shí),考慮接觸均衡的并行計(jì)算方法,將進(jìn)一步減少計(jì)算時(shí)間,提高并行效率.設(shè)計(jì)兩種并行計(jì)算方案:方案1為未考慮接觸均衡的并行計(jì)算;方案2為考慮了接觸均衡的并行如表4所示.從表4中能夠看出,基于接觸均衡的并行計(jì)算方法,能提高并行計(jì)算效率,節(jié)省計(jì)算時(shí)間.表4并行計(jì)算結(jié)果比較CPU數(shù)目248(上接第78頁(yè))scalemagnet0rheo1ogica1fluiddamperforvisertation.Universi

12、tyofNotreDame;2001.究現(xiàn)狀J.振動(dòng)與沖擊,2006,25(3):121126.J.機(jī)電工程,2006,23(1):58_62.其參數(shù)確定J.功能與材料,2006,5(37):837839.4結(jié)論1)在船橋碰撞過(guò)程中,在巨大的沖擊動(dòng)能作用下,船體構(gòu)件會(huì)不斷產(chǎn)生失效和破壞,由于這種卸載現(xiàn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)最大值與碰撞力的最大值發(fā)生時(shí)刻基本一致.在碰撞結(jié)束一段時(shí)間之后,主塔塔頂動(dòng)態(tài)響應(yīng)達(dá)用,引起的橋面橫向動(dòng)態(tài)響應(yīng)也非常明顯,應(yīng)給予關(guān)注.2)在進(jìn)行船橋碰撞數(shù)值模擬計(jì)算時(shí),如不考慮主梁斜拉索的影響,橋梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果將偏大,因此計(jì)算時(shí),應(yīng)采用整橋的船橋碰撞模型.3)采用基于接觸均衡的并行計(jì)算方

13、法,能提高并行計(jì)算效率,節(jié)省計(jì)算時(shí)間.參考文獻(xiàn)有限元仿真J.船舶工程,2002,5:4_9.impactonGermaninlandwaterwaysJ.ReliabilityEngineefingandSystemSafety,2005,90(3):261270.碰撞力快速估算J.工程力學(xué),2005,22(3):235240.crushbehavioranditsrelationshiptoimpactresistantbridgedesignJ.ComputerandStructure,2003,81(8):547557.J.工程力學(xué),2007,24(7):156160.6程翔云,王蕾.連續(xù)懸索橋受橫橋向船撞力的分析J.公路.2002,3:5760.J.工程力學(xué).2003,20(5):155162.inducedderailmentonarailwaybridgeJ.StructuralEngineeringInternational,1996,6(2):107112.DYNATheoreticalManualM.LivermoreSoftwareTechnologyCorporation,1998.行計(jì)算J.振動(dòng)與沖擊,