汽车磁流变减振器的静动态特性分析

郝泉成，于洪路，关铁鹰

（1.长春市企业家协会，长春130033；2.吉林省机电研究设计院，长春130012；3.长春工程学院机电工程学院，长春130012）

0 前言

磁 流 变 液 （Magnet－orheological Fluid，简 称MRF）是一种新型的智能工程材料，在外部磁场作用下，可在瞬间（＜10ms）由液态转变成类固态、变化过程可逆、变化范围宽。所以利用磁流变液的特性可以制作各种新型的减振器［1－4］，进而开发智能悬架系统来提高汽车的安全性和舒适性。近年来已经引起国内外汽车制造商和科研机构的高度重视，并开展了相关理论和实验研究，主要包括：（1）加强MR液的流变机理研究，建立和修正简单实用的伪静力模型和动力滞回模型；针对结构振动的特殊环境，研究智能控制理论与MR液流变模型的结合应用。（2）研究和完善MR液的流变滞后特性、耗能特性、动力响应效果以及散热性能，并基于此提出可供广泛参考和比较的准则；深入分析油的可压缩性导致迟滞现象、稀化（稠化）效应导致剪切力—速度之间发生变化、油气混合物的物理变化。（3）研究新型稳定剂及在MRF中的应用。

我国在这方面的研究还处于起步阶段，因此，对磁流变减振器的设计原理和实验进行深入研究，研制性能优良、价格适中的磁流变液，以及设计制造结构合理的磁流变液装置，将成为发展磁流变液技术并使其能在实际工程中广泛应用的关键，对开发汽车磁流变减振器和智能悬架系统具有非常重要的意义［5］。

为使磁流变减振器尽快在汽车等产业中得到应用，本文采用JETTA轿车减振器联接尺寸及外部结构，在所设计的磁流变减振器（见图1）基础上，利用FEM方法寻求机械结构的薄弱环节，优化了磁流变减振器的机械结构，分析了磁流变减振器的动态特性，为新型汽车磁流变减振器开发奠定了基础。

图1 磁流变减振器三维图

1 磁流变减振器的静态特性分析

1.1 磁流变减振器的静态应力

减振器在有效使用寿命期内失效的主要原因是活塞杆力学性能欠佳，因而设计环节找出减振器结构中的薄弱部位，进行有效优化，可有效地提高减振器的使用寿命。

针对以上分析，对减振器中的重要元件活塞、活塞杆进行了应力仿真模拟，为了简化应力，特做出以下2个约定：减振器两端吊耳位于同一平面内，且两端吊耳仅受沿活塞杆方向的拉、压应力。减振器的安装方式采用一端固定，一端铰接。

仿真模拟测试中给定了线性激励，测取了有关数据。建立的模型如图2所示。

图2 减振器应力仿真模型

活塞杆材料45＃优质碳素钢，体积为135mm3。单元属性为实体网格，划分为6 014单元，10 040节点。表1为活塞杆所受应力，表2为活塞杆合成位移，图3应力分布图，图4为合成位移图。

仿真模拟结果表明，活塞杆的最薄弱环节在固定活塞的细轴根部，其极限应力为6MPa，因而需对其进行强化处理，经过分析，将活塞杆强化处理，处理后可以满足要求，从而优化了设计。

图3 应力分布图

图4 合成位移图

表1 活塞杆所受应力

表2 活塞杆合成位移

1.2 磁流变减振器的动态特性分析

减振器主要用以缓冲吸振，降低汽车的颠簸，提升驾驶的平顺性。因而其本身振动特性（如固有频率、振幅等）影响汽车性能。资料表明，人在自然状况下行走时身体上下振动频率大约是1.6Hz，因而从身体的舒适度来讲，底盘的共振频率在1.6Hz左右是较为理想的。结合实际中驾驶时底盘的振动模型，建立了曲柄滑块激励模型，将仿真模拟中的减振器对车体的激励频率设为1.6Hz，即在实验台上，给定的曲柄滑块机构的驱动为100r/min，测试在外界驱动接近人体共振频率时，在减振器的作用下，底盘振幅大小作为评价汽车的平顺性的指标之一，建立的模型如图5所示。表3为活塞杆材料属性，划分7 826实体单元，13 457节点。

图5 减振器低频振动仿真结构图

表3 活塞杆材料属性

表4 活塞杆所受应力

表5 活塞杆合位移

表4～5及图6～7结果表明，在低频（1.6Hz）的激励作用下，经过减振器吸振后，底盘的振幅经比例换算后为2.6mm，低于预期4mm的要求。说明给定的结构参数是合理的。

图6 活塞杆所受应力图

图7 活塞杆合位移图

2 结语

通过仿真模拟，寻求出活塞杆的最薄弱环节在固定活塞的细轴根部，其极限应力为6MPa，强化处理后可以满足要求，从而优化了设计。

仿真结果表明，在低频（1.6Hz）激励作用下，经过减振器的吸振后，底盘的振幅经比例换算后为2.6mm，低于预期4mm的要求。由此说明给定的结构参数是合理的。

［1］Rabinow.The magnetic fluid clutch［J］.AIEE Transactions，1948，67：1308－1315.

［2］Kavlicoglu B，Gordaninejad F，Evrensel C，etc.A semi active，high torque，magnet－orheological fluid limited slip differential clutch［J］.J Mater Sci Eng，2005，180（4）：37.

［3］姜德生，Richard O.智能材料器件、结构与应用［M］.武汉：武汉工业大学出版社，2002.

［4］杜善义.智能材料系统与结构［M］.北京：科学出版社，2001.

［5］廖昌荣，陈伟民，余淼，等.汽车磁流变减振器设计准则探讨［J］.中国机械工程，2002，13（9）：723－726.