汽車振動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用課件：汽車振動(dòng)的半主動(dòng)控制技術(shù) -

汽車振動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用汽車振動(dòng)的半主動(dòng)控制技術(shù)

9.1半主動(dòng)控制技術(shù)概述9.2半主動(dòng)的控制策略9.3阻尼可調(diào)式阻尼器9.4半主動(dòng)懸架的性能

9.1半主動(dòng)控制技術(shù)概述9.1.1半主動(dòng)懸架的提出

半主動(dòng)懸架的出現(xiàn)比主動(dòng)懸架晚的多，主動(dòng)懸架早在1956年就由Federspiel-Labross發(fā)明并應(yīng)用與雪鐵龍20V型轎車上，而半主動(dòng)懸架的概念直到1973年才被美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校的學(xué)者D.A.Crosby和D.C.Karnopp提出。半主動(dòng)懸架是指懸架的剛度或阻尼可以根據(jù)路面激勵(lì)與行駛狀態(tài)的變化而變化的一種自適應(yīng)懸架，屬于無(wú)源控制系統(tǒng)，幾乎不消耗車輛的動(dòng)力。相對(duì)于主動(dòng)懸架系統(tǒng)，該系統(tǒng)的提出和研究工作相對(duì)較晚。該技術(shù)的發(fā)展主要有兩個(gè)方向：一是改變懸架的剛度特性；二是改變懸架的阻尼特性。9.1半主動(dòng)控制技術(shù)概述9.1.2半主動(dòng)懸架的分類半主動(dòng)懸架按照減振器阻尼力的可控級(jí)次可分為有級(jí)式和無(wú)級(jí)式兩種類型。半主動(dòng)懸架按照減振器阻尼力的控制調(diào)節(jié)方式可分為兩種：調(diào)節(jié)節(jié)流孔孔徑式和調(diào)節(jié)阻尼液式。調(diào)節(jié)節(jié)流孔孔徑式半主動(dòng)懸架是將懸架系統(tǒng)中的阻尼分為兩級(jí)、三級(jí)或更多級(jí)，可由駕駛員選擇或根據(jù)傳感器信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行選擇懸架所需要的阻尼級(jí)，也就是可以根據(jù)路面條件和汽車的行駛狀態(tài)等因素調(diào)節(jié)懸架的阻尼級(jí)。調(diào)節(jié)阻尼液的粘性，是使用粘性連續(xù)可調(diào)的阻尼液材料。

9.1半主動(dòng)控制技術(shù)概述9.1.3半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的控制原理汽車半主動(dòng)懸架系統(tǒng)通常是以車身振動(dòng)加速度為控制目標(biāo)，以阻尼為控制量，其控制原理如圖9.1所示。圖9.1左側(cè)為簡(jiǎn)化的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的二自由度模型。

圖9.1半主動(dòng)懸架系統(tǒng)控制原理圖根據(jù)牛頓第二定律，列寫該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)微分方程：9.1半主動(dòng)控制技術(shù)概述9.1.4半主動(dòng)懸架應(yīng)用半主動(dòng)懸掛的最有名的例子是大眾的進(jìn)口高爾夫GTI，此外還有一汽大眾的CC、東風(fēng)本田的運(yùn)動(dòng)型轎車思鉑睿等車型。自從2002年美國(guó)德爾福公司的MagneRide磁流變減振器應(yīng)用在CadillacSevilleSTS高檔車上后，其每年都在不同的車型上安裝，如2003年的ChevroletCorvette(C6)，2004年的CadillacSTS，2005年的BuickLucerne，2006年的Ferrari599GTB，2007年的AcuraMDX等。其后，美國(guó)通用汽車在2008年底特律車展發(fā)表的“凱迪拉克”品牌高性能轎車“CTS-V”上也采用了德爾福制造的“MagneticRideControl(MRC)”。MRC除被通用采用外，德國(guó)奧迪也將其配置在了“TT酷派”上。9.2半主動(dòng)的控制策略9.2.1天棚阻尼控制策略天棚阻尼控制策略的理想模型如圖9-2(a)所示，它設(shè)想將減振器裝在簧載質(zhì)量()與虛擬的慣性空間(Sky)之間，理想的天棚阻尼力為

由天棚減振器控制原理可知，當(dāng)可調(diào)減振器產(chǎn)生的阻尼力(圖9.2(b))滿足條件時(shí)，可調(diào)減振器具有最佳的效果。

9.2半主動(dòng)的控制策略(a)理想天棚方式(b)實(shí)際控制方式圖9.2天棚阻尼控制模型9.2半主動(dòng)的控制策略9.2.2開關(guān)阻尼控制策略開關(guān)阻尼控制的基本思想是：阻尼器的阻尼力為阻尼系數(shù)與簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量的相對(duì)速度的乘積，該阻尼力與簧載質(zhì)量的速度的乘積表示能量，若能量為正，即時(shí)，則表示減振器從懸架系統(tǒng)吸收能量，從而可以起到減振的效果；反之若能量為負(fù)，即時(shí)，則表示減振器要向懸架系統(tǒng)提供能量，這反而會(huì)是系統(tǒng)的振動(dòng)增加，此時(shí)應(yīng)使阻尼力為0。

9.2半主動(dòng)的控制策略Krasnicki對(duì)這種開關(guān)控制策略進(jìn)行了簡(jiǎn)化，控制策略可以有下式表示：

其中為開關(guān)減振器在打開狀態(tài)時(shí)的阻尼系數(shù)，而在現(xiàn)實(shí)中，當(dāng)減振器處于關(guān)門狀態(tài)時(shí)，減振器的阻尼系數(shù)不可能為零。因此，減振器的阻尼系數(shù)應(yīng)該在一個(gè)最大值和最小值之間轉(zhuǎn)換，因此得到下列的控制算法：

其中與分別為開關(guān)減振器的最大和最小的阻尼系數(shù)，同時(shí)也是減振器處于開或關(guān)狀態(tài)時(shí)的阻尼系數(shù)，即on或off狀態(tài)時(shí)的阻尼系數(shù)，因此上式也可以表述為：

9.2半主動(dòng)的控制策略Rakheja和Sankar提出了下面的開關(guān)控制策略：

此控制策略的基本思想為，當(dāng)阻尼力使簧載質(zhì)量加速時(shí)，減振器便處于關(guān)的狀態(tài)，當(dāng)阻尼力使簧載質(zhì)量減速時(shí)，減振器便處于開的狀態(tài)。

Alanoly和Sankar提出了一種連續(xù)控制策略，這種控制策略可以看作是前面所述控制策略更近一步的發(fā)展。在這種控制策略中，減振器的阻尼系數(shù)是連續(xù)可變的，且取決于簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量的相對(duì)位移和相對(duì)速度。這種控制策略為：

9.3阻尼可調(diào)式阻尼器

9.3.1電流變液減振器1.電流變技術(shù)簡(jiǎn)介電流變技術(shù)是指電流變效應(yīng)或電流變現(xiàn)象成功地應(yīng)用于工程實(shí)踐的一項(xiàng)技術(shù)或一門科學(xué)。它所設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括電流變效應(yīng)的機(jī)理，電流變液體材料及效應(yīng)的工程應(yīng)用。

電流變液在外加電場(chǎng)的作用下能夠產(chǎn)生明顯的電流變效應(yīng)（圖9.3），電流變效應(yīng)是電流變技術(shù)的理論基礎(chǔ)，是指某種特殊液體，在電場(chǎng)作用或控制下，表征液體流動(dòng)屬性的粘度，在一定的剪切速率下，可發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象，而且這種變化時(shí)可逆的，連續(xù)無(wú)級(jí)的和可以控制的。

9.3阻尼可調(diào)式阻尼器圖9.3無(wú)電場(chǎng)及有電場(chǎng)狀態(tài)下的電流變效應(yīng)9.3阻尼可調(diào)式阻尼器2.電流變減振器的結(jié)構(gòu)目前最常用的電流變液體減振器包括固定電極和滑動(dòng)電極式結(jié)構(gòu)。圖9.4所示的結(jié)構(gòu)為電極固定、環(huán)形間隙通道置于減振器內(nèi)部的電流變液體減振器。

圖9.4環(huán)形間隙通道內(nèi)置的電流變減振器9.3阻尼可調(diào)式阻尼器圖9.5所示的為圓環(huán)形流道內(nèi)置、但作為電極之一(也是流道組成的一部分)是滑動(dòng)的電流變液體減振器。圖9.5滑動(dòng)電極的電流變減振器9.3阻尼可調(diào)式阻尼器3.筒式電流變減振器的性能圖9.6所示的筒式電流變減振器包括內(nèi)筒、中筒、外筒，上、下端蓋，活塞和活塞桿。.圖9.6筒式電流變減振器的結(jié)構(gòu)示意圖9.3阻尼可調(diào)式阻尼器表9.1示出了不同電場(chǎng)強(qiáng)度下減振器的最大阻尼力。

9.3阻尼可調(diào)式阻尼器圖9.7示出了不同電場(chǎng)強(qiáng)度下減振器的阻尼力隨位移及速度的變化關(guān)系。

9.3阻尼可調(diào)式阻尼器9.3.2磁流變阻尼器用磁流變液制成的磁流變阻尼器是一種性能優(yōu)良的半主動(dòng)控制裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)范圍大、耐久性好，即使在控制系統(tǒng)失效的情況下仍可以充當(dāng)被動(dòng)控制器件，具有很強(qiáng)的可靠性。磁流變阻尼控制作為一種半主動(dòng)控制系統(tǒng)既具有被動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，又具有主動(dòng)控制系統(tǒng)的強(qiáng)適應(yīng)性，通過(guò)一定的控制律可以達(dá)到與主動(dòng)控制十分接近的效果，是一種具有較好工程應(yīng)用前景的控制技術(shù)。9.3阻尼可調(diào)式阻尼器1.磁流變液概述磁流體是一種人工開發(fā)的機(jī)能性流體。它一般是由基礎(chǔ)溶液和分布在其中的高透磁率的粒子所組成。這種流體在常態(tài)下與一般的機(jī)油相似，但在外部磁場(chǎng)的作用下，其中的粒子被磁化，沿磁場(chǎng)方向形成鎖狀的鏈。用光學(xué)顯微鏡觀察到的鎖狀鏈見圖9.8。

(a)0mT(b)10mT(c)15mT(d)20mT圖9.8磁流體鎖狀鏈的形成9.3阻尼可調(diào)式阻尼器2.磁流變液的組成、性能及影響因素（1）磁流變液的組成成分

磁流變液的主要組成成分為磁性顆粒、母液以及為了防止磁性顆粒沉降而添加的在總組分中所占比例很少的添加劑。（2）磁流變液的分類根據(jù)組成和性能的不同，可將磁流變液分為如下四種類型：①微米磁性顆粒-非磁性母液型磁流變液②納米磁性顆粒-非磁性母液型磁流變液③非磁性顆粒-磁性母液型磁流變液④磁性顆粒-磁性母液型磁流變液9.3阻尼可調(diào)式阻尼器（3）磁流變液的性能及影響因素

磁流變液應(yīng)該滿足下列性能特征：沉淀穩(wěn)定性好、易于再分散、剪切屈服強(qiáng)度高、零場(chǎng)粘度低、響應(yīng)時(shí)間快、工作溫度范圍寬。

①沉降穩(wěn)定性和再分散性②磁特性③剪切屈服強(qiáng)度④粘度9.3阻尼可調(diào)式阻尼器（4）磁流變液與電流變液的比較

磁流變液與電流變液的性能參數(shù)可以從表9.2了解，通過(guò)比較兩者的數(shù)據(jù)可以看出磁流變液是明顯要優(yōu)于電流變液。密度/(g/性能磁流變液電流變液最大屈服應(yīng)力50~100kPa2~5kPa最大強(qiáng)度250kA/m4kA/m表觀粘度0.1~1.0Pa·s0.1~1.0Pa·s適用溫度-40~150℃10~90℃雜質(zhì)敏感性不受大多數(shù)雜質(zhì)影響對(duì)雜質(zhì)敏感反應(yīng)時(shí)間毫秒級(jí)毫秒級(jí))3~41~2耗電功率2~25V(2~50W)2~5Kv(2~50W)9.3阻尼可調(diào)式阻尼器3．磁流體減振器結(jié)構(gòu)與性能典型的磁流體減振器的結(jié)構(gòu)原理見圖9.9減振器的缸體內(nèi)由活塞,磁流體及氣室組成。

圖9.9磁流體減振器的結(jié)構(gòu)原理圖9.3阻尼可調(diào)式阻尼器圖9.10為激振頻率4Hz,減振器的單邊振幅為3.7mm及9.1mm，四種不同電壓時(shí)，減振器的阻尼力的時(shí)間波形。

(a)單邊振幅為3.7mm(b)單邊振幅為9.1mm圖9.10阻尼力的時(shí)間波形9.3阻尼可調(diào)式阻尼器圖9.11為一周期內(nèi)阻尼力與減振器速度的關(guān)系特性。

(a)單邊振幅為3.7mm(b)單邊振幅為9.1mm圖9.11阻尼力與速度的關(guān)系特性9.3阻尼可調(diào)式阻尼器圖9.12為一周期內(nèi)阻尼力與減振器位移的關(guān)系特性。

(a)單邊振幅為3.7mm(b)單邊振幅為9.1mm圖9.12阻尼力與位移的關(guān)系特性9.3阻尼可調(diào)式阻尼器圖9.13為一定的減振器速度下（50mm/s,100mm/s,150mm/s,200mm/s）,減振器阻尼力與電壓的關(guān)系曲線。圖9.13阻尼力與電壓的關(guān)系曲線9.3阻尼可調(diào)式阻尼器4．磁流變阻尼器的動(dòng)力學(xué)模型（1）Bingham模型磁流變阻尼器的阻尼力為：

圖9.14Bingham模型9.3阻尼可調(diào)式阻尼器（2）Bingham粘彈塑性模型Gsmoto和Filisko在Bingham模型的基礎(chǔ)上，提出了參數(shù)化的粘彈塑性模型。它是由在Bingham粘彈性模型的基礎(chǔ)上串聯(lián)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)形式的線性固體組成。其控制方程為：當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)式中，為與Bingham模型相關(guān)的阻尼系數(shù)；，和與線性固體材料有關(guān)，當(dāng)時(shí)，=0。9.3阻尼可調(diào)式阻尼器圖9.15Bingham粘彈塑性模型9.3阻尼可調(diào)式阻尼器（3）修正的Bingham模型它由Bingham單元（庫(kù)侖摩擦單元和粘滯單元并聯(lián)）與彈簧單元串聯(lián)組成，該彈簧單元可以認(rèn)為是考慮蓄能器剛度和磁流變液屈服前區(qū)剪切模量影響在內(nèi)的阻尼器等效軸向剛度。其控制方程為：圖9.16修正的Bingham模型9.3阻尼可調(diào)式阻尼器（4）Bouc-Wen模型Bouc-Wen模型由于其數(shù)字上易于處理，所以應(yīng)用相當(dāng)廣泛。其控制方程為：圖9.17Bouc-Wen模型9.3阻尼可調(diào)式阻尼器（5）修正Bouc-Wen模型圖9.18修正的Bouc-Wen模型9.3阻尼可調(diào)式阻尼器修正模型的缺陷主要表現(xiàn)在模型參數(shù)過(guò)多，而且控制量被包裹在微分方程組內(nèi)，很難對(duì)控制量求逆。其力－位移關(guān)系為9.4半主動(dòng)懸架的性能9.4.1