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泵式磁流变减振器设计及其在汽车中的仿真应用

郑福淼  
【摘要】:减振器作为悬架系统的重要组成部分,可很好地隔离由车轮传向车身的振动。与传统被动减振器相比,半主动减振器可实现阻尼的自适应调节,进而能够提高汽车的操纵稳定性、舒适性和行驶安全性。磁流变阻尼可调减振器与其它阻尼可调减振器相比,具有可调倍数大、响应速度快等优点,取得人们的关注。 目前,国外已经成功开发了磁流变减振器,并将其商业化,除其技术垄断使得价格居高不降外,对于单筒磁流变减振器的缺点主要有:抵御外部冲击能力差,工作缸受力变形后,减振器不能工作;气室部分密封性能要求高,工艺复杂。而双筒磁流变减振器的散热效果差。为克服以上缺点,本文研制了一种散热效果好,性能可靠,工艺简单的泵式磁流变减振器,并采用理论仿真分析与试验研究相结合的方法,对磁流变阻尼减振器的相关技术进行探讨,同时对基于泵式磁流变减振器的车辆的控制策略进行研究。本文内容有几部分: 1)泵式磁流变减振器构型设计。首先根据原车特性,确定减振器目标特性,完成相关参数的计算及材料选取;其次,提出单线圈和双线圈两种结构的样机模型,利用有限元方法建立其多场耦合的磁场有限元模型,并对比分析两种形式样机的磁场特性及双线圈电流同向和反向的磁场特性,明确样机采用双线圈并联反向;然后,通过磁场有限元方法获得了结构参数对磁场特性的影响规律:内外极板厚度及电流强度变大、通道间隙变小会增加磁场强度;最后,建立了通道间隙h和电流强度I与磁场强度H之间的半经验模型,用于样机结构参数优化设计。 2)泵式磁流变减振器优化设计。首先,建立了泵式磁流变减振器磁场特性的数学模型及其响应时间的数学模型;其次,建立了基于结构参数的泵式磁流变减振器数学模型,最后以结构参数为优化变量,响应时间及磁流变液最大剪切屈服应力为约束条件,最大阻尼力和可调倍数为目标,采用多目标遗传算法进行优化设计,获得结构参数。 3)泵式磁流变减振器试验验证及动力学特性研究。根据仿真优化结果,研制了泵式磁流变减振器,并在试验台上进行试验,通过试验得出:(1)泵式磁流变减振器阻尼力随速度和电流的增加而增加,具有较大的可调倍数,电流为4A时,在低速0.05m/s时阻尼力能达到2117N,可调倍数为17.6;在中速0.258m/s时阻尼力能达到2565N,可调倍数为7.5;在高速0.52m/s时阻尼力能达到2951N,可调倍数为4.7;(2)减振器阻尼力滞回特性与电流和速度有关,且电流和速度越大滞回特性越明显;(3)双极线圈通电电流方向相同,电流为4A,速度为0.52m/s时,阻尼力能达到1938N和可调倍数为3.1,比双极线圈通电电流方向相反时产生的阻尼力和可调倍数小35%左右,因此实际样机采用双极线圈反向并联的结构。最后,通过试验验证了有限元仿真结果及优化结果的准确性,并建立了简单的,具有较高精度的,可以用于车辆仿真分析与控制的泵式磁流变减振器动力学模型。 4)泵式磁流变半主动悬架仿真研究。建立两自由度车辆模型及采用傅里叶逆变换生成随机路面模型,以天棚阻尼算法为上层控制,求出理想阻尼力,模糊控制为下层控制,调整电流大小使得实际输出阻尼力能够跟踪理想阻尼力,与原车特性相比,半主动悬架车辆平顺性提高了17.13%。


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