磁偏置内旁通式磁流变阻尼器研究

摘要

磁流变液作为流变学特性可控的一种智能材料，引起了学术界和产业界的巨大关注。利用磁流变液，人们可以开发阻尼器、制动器、离合器等通用机械部件，并通过它相应赋予被控对象以动力学可控的智能特性，在机械装备、国防等工业领域具有广泛的应用前景。由被动弹性元件和磁流变阻尼器构成的汽车半主动悬架系统也越来越受到相关研究机构的关注，并逐渐成为研究热点，受到全球汽车制造商的青睐。磁流变阻尼器是一种采用磁流变液作为工作介质的可控阻尼器件，具有结构简单、响应迅速、能耗低、动态范围大、控制相对简单等优点，与传感器和控制器一起组成汽车半主动悬架系统。通过传感器将车辆运动状态参数反馈到控制器，通过适当的控制算法确定需要的阻尼力大小，并向磁流变阻尼器施加相应的激励电流，达到对车辆进行半主动控制的目的。 目前的汽车磁流变阻尼器都由磁流变液通过磁场可控的流动通道，产生压降来获得阻尼力，一般只有单一流动通道，以流动模式或者混合模式进行工作，其阻尼力只能在不施加激励电流时的最小值与施加饱和激励电流时的最大值之间变化。在系统正常运作时，需要持续向阻尼器提供较高的激励电流，增加能量消耗；一旦磁流变阻尼器供电失效或者控制系统失效的情况下，磁流变阻尼器提供的阻尼力极小，影响汽车的安全行驶，甚至威胁驾乘人员和行人的生命安全；同时，根据前人的研究成果，单通道的磁流变阻尼器流动性能也有待改进。基于此，本文研究集成永磁体的磁流变阻尼器，在无外界激励电流条件下，通过在阻尼器流动通道产生偏置磁场，从而产生偏置阻尼力来防止供电及控制失效条件下的安全隐患，降低磁流变阻尼器在正常使用时的耗能；同时，本文提出具有两个流动通道的磁流变阻尼器内旁通工作模式，以期改善磁流变阻尼器的流动性能，从而提出磁偏置内旁通式磁流变阻尼器的设计方案，并对该阻尼器进行了混合磁路设计、流变学分析建模以及相关的试验研究，具体研究内容如下： ① 介绍了磁流变阻尼技术，阐述了开展磁流变阻尼器件研究的重要意义。通过回顾磁流变阻尼器及其相关研究的现状，指出了目前磁流变阻尼器存在的问题，并提出了新型磁偏置内旁通式磁流变阻尼器，介绍了本文将要开展的研究工作。 ② 从磁流变材料性质及其获取入手，完成了磁偏置内旁通式磁流变阻尼器的总体设计。提出了适合汽车磁流变阻尼器的基本工作模式，并分析了无外界激励电流情况下，磁流变液在阻尼通道内为牛顿流时的流动状态，并据此确定了磁流变阻尼器的主要结构参数。 ③ 鉴于集成永磁体后磁流变阻尼器磁路结构的复杂性，从电磁磁路、永磁磁路的角度出发，分别确定了阻尼器的电磁磁路构造及参数、永磁体的结构以及磁学参量，以及磁路在没有外界激励电流条件下的偏置磁场，并对永磁磁路和电磁磁路共同工作时的混合磁路进行了分析，验证了磁路设计是正确可行的。基于阻尼器动态响应取决于磁场对外界激励源的响应的观点，对磁场在不同激励源条件下的响应进行了仿真研究。 ④ 阐述了几种不同的磁流变液流变学模型，并基于Herschel-Bulkley模型，对阻尼器基本工作模式进行了建模。由于内旁通工作模式为基本工作模式的复合，利用基本工作模式建模的成果，对磁偏置内旁通式磁流变阻尼器进行了流变学建模，并对相关模型进行了求解，给出了相应的流变学结果。 ⑤ 设计制造了磁偏置内旁通式磁流变阻尼器，并开展了相应的试验研究。三角波激振试验表明，试验结果与阻尼器流变学建模结果基本吻合，验证了阻尼器流变学建模的正确性。同时开展了阻尼器的示功试验以及温度特性试验，结果表明，随着温度的升高，阻尼力有一定程度的下降，在实际应用中需要设计适合的温度补偿措施。 ⑥ 开展了磁偏置内旁通式磁流变阻尼器的建模研究，从工程实用的角度出发，进行了阻尼器Bingham建模以及基于神经网络的正向与逆向模型建模。并描述了基于神经网络模型的阻尼器控制器原理。 最后，总结了全文的研究工作，介绍了论文的特色与创新之处，指出了论文的不足及近期有待深入研究的问题。