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磁流变挤压悬置动态特性研究及其在汽车中的仿真应用

章新杰  
【摘要】:汽车驾驶室内的NVH(Noise,Vibration and Harshness)特性是决定车辆品质的特性之一。汽车的振动源有两类:一是往复式发动机内在的不平衡产生的振动激励;二是通过悬架传递来的路面干扰。汽车的发动机、车身和悬架系统对这些振动很敏感。发动机悬置是一种振动隔离装置,用来将上述干扰的影响最小化。在汽车工业中,理想的发动机悬置应该具备以下两种功能:隔绝由发动机引起的振动和阻止发动机随车架激励而跳动。随着车速的提高,高性能发动机和管理控制系统的引入,汽车本身质量在逐渐下降,但是减少汽车重量可能会导致在振幅增加时,能量更容易传递到车身,从而加剧了汽车的振动。所以,由此而得到的车辆燃油经济性的提高和价格的降低是以牺牲车辆的NVH特性和舒适性为代价的。为了提高乘坐舒适性,降低噪声水平和提高汽车的整体品质,高性能的发动机悬置变成了一个很热的研究课题。 磁流变液体是一种在磁场作用下,其流变特性会发生改变的智能材料。这种特性主要表现为磁流变液体的屈服应力会随着磁场的增强而单调增加。采用磁流变液体的装置能够使电子控制单元和机械系统的接口变得更加简单、更加安静并且反应更加快捷。磁流变挤压模式下产生的压力比其他模式(阀模式,剪切模式)下产生的压力都要高,可用于隔离振幅较小而动载较大的振动。本文提出一种基于磁流变挤压模式的发动机悬置,它的等效阻尼是激励频率、振幅、初始间隙和电流强度的函数。通过控制磁场系统中的电流强度,可以在一定范围内调解这种悬置的动态刚度。与传统的橡胶悬置相比它能更加容易的在发动机的低频减振和高频隔振中做一个折中,从而提高车辆的舒适性、降低车内噪音水平,进而提高整车的性能。 第1章是绪论,是文章的纲领,阐述了选题依据,待解决的问题,技术路线并对相关领域的文献进行了回顾。现有文献对于磁流变挤压模型的研究,大部分局限于静态,准静态过程,只有少量文献里展现了低频激励下(8Hz)的动态特性研究。因此此文从对磁流变挤压模型的动态特性的研究入手,通过试验和理论分析建立满足动力学应用的数学模型,然后将其应用到汽车发动机的隔振。 第2章从设计制造试验样件和相关试验台开始,主要介绍一种可用于动态试验的磁流变挤压悬置和磁场供应系统的设计和制造。首先阐述了磁流变挤压悬置,包括材料的选取,设计和制造;然后采用磁场有限元方法(FEMM)进行了磁场特性分析,并利用Matlab和FEMM联合仿真的方法对一些影响磁场的关键因素进行了灵敏度分析;随后,引入UniTire半经验轮胎模型建立的方法,根据FEMM仿真分析的结果和电磁学的常识,建立了磁场强度H与回路电流I和极板间的间隙h的半经验模型。此模型与FEMM仿真结果吻合较好,并能满足初始边界条件和一阶导数边界的约束,可以用于从期望的磁场强度逆向求解所需的回路电流。最后设计并制造一个用于台架试验的紧凑型磁场供应装置和用于动态试验的磁流变挤压悬置。 第3章对磁流变挤压模型进行了动态性能的测试。在每个试验中我们同时考虑了回路电流、极板间的初始间隙、激励频率和位移激励幅值这四个因素的影响。通过搭配这四个主要影响因素,进行了300多组测试。通过对试验数据的分析,研究了磁流变挤压悬置的垂向力—位移特性和等效阻尼特性。从试验结果可以看出,磁流变挤压悬置的最大压缩力受回路电流、极板间的初始间隙和位移激励幅值的影响很大,当增加回路电流和位移激励幅值或者减小极板间的初始间隙时,磁流变挤压悬置的压缩力会相应增大,同时滞回区域的面积也会增大。但是磁流变挤压悬置的回复力峰值比压缩力峰值要小的多,甚至可以忽略。在磁流变悬置的压缩过程中,最大压缩力在振动频率增加时会下降。这是由于,当磁流变挤压悬置被压缩时,极板间的间隙会减小,磁流变挤压悬置内部磁场强度会增加,小的振动频率能使铁微粒有充足的时间积聚成更为强壮的链,相反当振动频率增加时,铁微粒的积聚时间受到限制,导致垂向力比小的振动频率激励时候要小。另一个原因可能是磁流变液体在压缩时随着频率的升高发生了屈服,导致磁流变挤压悬置的垂向力的下降,这需要更多的试验数据和详尽的理论分析。试验数据还显示出在速度方向发生改变时的垂向力的阶跃会随着振动频率的增加而增大。惯量的影响是一个原因,因为随着频率的增加,加速度的幅值将以频率的平方的速度急剧增加。在研究频率较高的磁流变挤压悬置的特性时应该考虑惯量的影响。磁流变挤压悬置的等效阻尼会随着回路电流的增大或者初始间隙的减小而增大,另一方面,当位移激励幅值增大,特别是振动频率增加时等效阻尼会减小。 第4章提出了一个基于Bingham模型的,用于描述磁流变挤压悬置压缩过程中垂向力的数学模型,并通过试验数据对该模型进行了验证。此章首先对牛顿流体的挤压模型的挤压力进行了建模;接着,分析了考虑压力对屈服应力的影响的磁流变悬置的性能;然后,测量了柔性囊的刚度并将其添加到了数学模型中;最后,将惯量的影响添加进到模型里。数学模型与试验数据在压缩过程中吻合的非常好,并且揭示了当激励频率较高时,惯量的影响变得很显著。磁流变挤压悬置的半径是一个很重要的设计参数。随后又根据验证后的数学模型,进行了将磁流变挤压悬置的半径增大一倍后的仿真分析,并且将其与正常半径时的仿真结果进行了对比,对比结果显示半径的增大会导致垂直力剧烈的增大,并且在高频时惯量的影响将会急剧增大。最后,引入UniTire半经验轮胎模型建立的方法,根据试验数据建立一个快速的、鲁棒的,有足够精度并且考虑了整个迟滞曲线的磁流变挤压悬置半经验模型。半经验模型与试验数据吻合的非常好,并且由于它满足初始条件和边界条件的一阶导数,所以可以应用到更多工况条件下。 第5章通过仿真的手段将磁流变挤压悬置应用到汽车的发动机悬置系统。首先介绍了磁流变挤压式发动机悬置的设计依据和工作原理,接着介绍了发动机隔振的基本知识,然后分析了3点支撑的四冲程直列四缸发动机的振动扰动形式,了解到该发动机的扰动主要是二阶往复惯性力,侧倾和俯仰力矩(车体坐标下的)。接下来针对一自由度模型,提出了一种充分利用磁流变挤压悬置挤压过程的发动机悬置,设计并求解了考虑橡胶刚度以及阻尼的不确定性的鲁棒控制器。参数不确定性为名义值的±10%。换而言之,Kr1=O.9Kr,Kr2=1.1Kr,Cr1=O.9Cr,Cr2=1.1Cr,该不确定性由八个顶点的多面体描述,这种模型有更加实用的应用前景。仿真对比结果显示采用磁流变挤压悬置后系统的隔振性能明显得到了提高。在靠近共振频率时,频率为9Hz,振幅为0.5mm,通过该控制器,我们可以控制位移传递率小于1.05,并且使磁场强度小于0.8Tesla,可见,磁流变挤压悬置对于隔离振动还有相当的裕度;仿真结果还表明在需要提供同样的控制力时,增加悬置的半径(等效半径增加一倍后)可以明显降低对磁通密度的需求(小于0.2Tesla),可以节省更多能量。最后建立了十自由度的整车模型,发动机和车身各三个自由度,分别是垂向、侧倾和俯仰;四个轮胎被简化为四个线性弹簧。利用这个模型设计和优化了用于发动机三个方向耦合振动隔离的鲁棒控制器。发动机传递到车身的广义力的传递率的无穷范数之和作为优化目标,仿真结果显示,与传统的橡胶悬置相比它能更加容易的在发动机的低频减振和高频隔振中做一个折中,从而提高车辆的舒适性、降低车内噪音水平,进而提高整车的性能。 第6章对本文的主要研究内容和结论进行了总结,并依据研究过程中的心得对下一步的研究工作进行展望。 该文的主要创新点如下: 1)设计并制造了可用于动态试验的磁流变挤压悬置样;利用Matlab和FEMM联合仿真的方法对一些影响磁场特性的关键因素进行了灵敏度分析;建立了一个磁场强度的经验模型,可用于逆向求解回路中的电流;并进行较高频率下的磁流变挤压悬置进行动态特性的测试(1-50Hz)。 2)建立一个基于Bingham模型的,用于描述磁流变挤压悬置压缩过程中垂向力的数学模型,并将其应用到发动机垂向振动的隔离;设计并求解了考虑橡胶刚度以及阻尼的不确定性的鲁棒控制器:参数的不确定性由八个顶点的多面体描述,并推导出一种新的迭代算法用于求解双线性矩阵不等式(BMI)的问题。 3)基于试验数据建立一个的快速的、鲁棒的,精度足够并且考虑了整个迟滞曲线(压缩和回弹过程)的磁流变挤压悬置半经验模型,并将其应用于根据十自由度车辆的发动机三个方向耦合振动隔离:设计并优化了鲁棒控制器,发动机传递到车身的广义力的传递率的无穷范数的和作为优化目标,仿真结果显示,与传统的橡胶悬置相比它能更加容易的在发动机的低频减振和高频隔振中做一个折中,从而提高车辆的舒适性、降低车内噪音水平,进而提高整车的性能。


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