汽车剪式座椅悬架磁流变旋转式阻尼器螺旋流动机理及其关键技术*

摘要

随汽车向轻质、高速、重载方向快速发展，汽车座椅的振动愈来愈强烈，给乘坐舒适性带来了极大的影响，如何通过增强汽车座椅悬架自适应能力以提高乘坐舒适性，已成为汽车工程领域迫切需要解决的关键问题之一。由于采用主动控制虽能取得好的舒适性，但能耗较大，应用受到限制，因此采用刚度或阻尼可调的半主动控制是实现乘坐舒适性改进的有效途径，如目前一些高端车上配置有可调阻尼的磁流变智能座椅悬架。这类智能座椅悬架依赖于直线式磁流变阻尼器，虽能取得一定的控制效果，但存在工艺复杂，成本较高，此外，还存在可调范围小、占用空间大等问题。与直线式磁流变阻尼器相比，旋转式磁流变阻尼器具有结构紧凑、可调范围宽、工艺相对简单等优点，近年来受到学者的极大关注。由于磁流变液最大磁致饱和剪切屈服强度和工作模式的限制，目前旋转式磁流变阻尼器的扭矩密度较小，难以直接应用于汽车座椅的振动控制。为此，有必要从磁流变液的工作模式入手，探索汽车剪式座椅悬架磁流变旋转式阻尼器的设计理论及其关键技术。本文的主要工作如下： (1)为提高磁流变液耗能特性，从增加工作通道内磁流变液流动长度的角度出发，提出了一种新的磁流变液螺旋流动工作模式。推导了螺旋流动通道的压强差计算公式。通过与环形通道传统流动模式和固定螺旋通道流动模式的对比，分析了通道轴向长度、间隙厚度和流量等因素对通道压差影响规律。针对应用螺旋流动模式的直线式阻尼器和旋转式阻尼器，分别指出了增加通道压差和压差比的途径。 (2)为了实现有限空间内的大扭矩输出，基于磁流变液螺旋流动工作模式，提出了一种汽车剪式座椅悬架磁流变旋转式阻尼器。采用有限元法和响应面法建立了磁感应强度预测模型，以最大扭矩和可调范围为优化目标，采用非支配遗传算法对阻尼器的主要结构参数进行了优化。 (3)基于结构参数优化结果，加工、装配并测试了螺旋流动旋转式阻尼器的力学性能。为描述螺旋流动旋转式阻尼器的滞回特性，提出了基于骨架曲线的磁流变阻尼器建模方法，包括基于骨架曲线与相位滞后因子的建模方法和基于骨架曲线与新型滞回分离方法的建模方法。采用粒子群优化方法对所提出的动态力学模型进行了参数识别与对比分析，得到了能精确描述磁流变阻尼器强非线性动力学特性的动态模型。 (4)为分析采用螺旋流动旋转式磁流变阻尼器的半主动座椅悬架的可行性，对基于磁流变旋转式阻尼器的座椅悬架系统进行了仿真及试验研究。建立了剪式座椅悬架的动力学模型并分析了承载质量、弹簧刚度系数和库伦阻尼等对座椅悬架动力学特性的影响。推导了简化座椅悬架半主动控制模型，设计了磁流变座椅悬架半主动控制器，仿真分析了座椅悬架系统在正弦驻频激励、扫频激励、冲击激励和随机激励下的开环控制。进一步，开展了基于电动振动台的磁流变座椅悬架半主动振动控制试验，验证了磁流变座椅悬架能提高控制品质。

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