搜索車輛振動學的思考（五）
2017-02-15 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
作者:偶然
夏天來了,百花盛開,白的,黃的,粉的,藍的,紫的,空氣里彌漫著濃郁的花香。前幾日,早晚涼,中午熱,是典型的暮春初夏的天氣,地上的草,樹的葉,都使勁的瘋長。轉眼前,天氣又急轉直下,小雨淅淅瀝瀝的下了兩天,雨水如銀針一樣細細的落下,空氣中形成了一層薄薄的霧氣,微涼帶暖的氣息里,殘留著春的味道。雨水順著樹葉往下滴,滿眼的綠,那綠色仿佛要通過雨滴從葉尖上流下來,讓人感受到了生機勃勃的力量。走在前進的路上,珍惜每一次花開,笑對每一次花落,刪繁就簡,安然生活,向前走,相信夢想并堅持付出努力。
工作中,除了教學基本工作的熟悉,我努力在企業中探索著科研的方向和落腳點。辛苦的尋找過程中,越來越多的研究點浮現,也越來越感覺到了自身的狹隘與局限性,還需要加倍的努力學習。雖然不知道將來的結果如何,但在解決問題的過程中,我在前進著、成長著。繼續整理車輛振動學的一些思考。從前面的內容中,分析了車輛懸架的基本分類。但在所有的懸架中,都有阻尼元件和剛度元件。這次先簡單介紹一下,阻尼元件——減振器。
最早的減振器出現于二十世紀初,經歷了一個多世紀的變革,在演變中大致出現了以下幾種典型結構的減振器:干式摩擦減振器,葉片式液壓減振器,搖臂式減振器,筒式液壓減振器,螺旋彈簧減振器,自適應減振器,油氣彈簧減振器,空氣彈簧減振器,電、磁流變減振器,電磁閥控制減振器,步進電機控制減振器,饋能式減振器等。目前車輛應用最廣泛的減振元件是筒式液壓減振器,其阻尼力是減振器專用油液流過不同大小的節流孔及閥控制間隙的節流作用而產生,其動態的阻尼特性對車輛動力學性能具有重要影響。
筒式液壓減振器按照不同的劃分形式可以分成不同的種類。按照結構可分為雙筒式和單筒式結構,按照是否充入一定氣壓的氮氣可為分充氣式減振器和非充氣式減振器。
圖1
圖1(a)所示為單筒式充氣減振器,其工作缸內充入壓力不低于2.5MPa的氮氣以減少減振器的特性畸變,通過浮動活塞將氣體與減振器油液分隔。這種減振器對密封性要求較高,制造成本高,對高頻小幅振動有效好的減振效果。
圖1(b)所示為普通的雙筒式油液減振器。
圖1(c)為充氣雙筒式減振器,其中的藍色部分為約0.4~0.6Mpa的低壓氣體,可以保證減振器內部不產生真空而使其動力學發生畸變,防止減振器油液在工作過程中汽化。
油液減振器還可與彈性元件做成一體式的結構,有的是螺旋彈簧做成一體,如圖2(a)所示;有的是與空氣彈簧做成一體,如圖2(b) 所示。
圖2
因為人體在懸架低頻段時感覺較舒適,鋼板彈簧的自然頻率為1.8-3 Hz,空氣彈簧的自然頻率為1.0-1.4Hz,所以在駕駛室上(尤其是在中型和重型車輛)安裝與空氣彈簧一體的減振器較螺旋彈簧一體減振器更加舒適。
按照減振器的阻尼特性是否能夠根據車輛的行駛工況進行調節,可分為不可調阻尼減振器和可調阻尼減振器。在半主動懸架的研究中,可調阻尼減振器是研究熱點之一。可調阻尼減振器根據阻尼產生的機理可以將減振器分為三類:干式固體磨擦可調減振器,流體粘性可調減振器和流體動力摩擦可調減振器。
1 干式固體磨擦減振器
干式固體摩擦減振器是采用兩個摩擦元件之間的摩擦力實現阻尼作用。1998年,英國C.W.Stammers設計了一款采用調節摩擦力大小改變阻尼力的減振器。當車體與車輪相對速度比較低時,該減振器仍能產生阻尼力,其工作原理如圖3(a)所示。2004年,英國Emanuele Guglielmino 設計了一種可變結構控制器,結構示意如圖3(b)所示,該減振器通過控制摩擦力的大小而實現阻尼力可調。
圖3 干摩擦式減振器
干式固體摩擦減振器在實驗中表現出來的主要矛盾是在能量消耗和帶寬之間的平衡,以及材料的磨損問題。
針對于摩擦材料的磨損,開環或閉環控制策略,摩擦力的控制規律等問題需進一步的研究。此類型減振器常常應用于建筑、橋梁、地震等結構的減振中。
2 流體粘性摩擦減振器(電、磁流變減振器)
電、磁流變減振器是通過調節減振器內部電場電流或電壓的大小,實現電、磁流變液的粘度的變化,從而調節減振器的阻尼特性。
南韓Seung-Bok Choi 設計了兩款電流變減振器:圓柱型電流變減振器和節流孔型電流變減振器。其結構示意圖與阻尼特性如圖4所示。較多學者對電流變減振器采用的模糊控制,滑模控制,H∞控制,神經網絡等策略的影響進行了研究。
圖4
電流變液減振器需要的電壓較高,單位在每毫米千伏特,且與其它電器元件有交互作用。電流變液的穩定性低且工作溫度范圍較低,其控制策略需進一步完善。
W.Winslow和Rabinow在1948年發明了磁流變液體及其應用裝置。外加磁場的改變可以調節磁流變液的流變特性(如油液的粘度及塑性等)。通磁場后,減振器的阻尼變大,響應時間為毫秒級,阻尼力可以實現無級調節,當減小其磁場大小時,減振器的阻尼可以隨之變小。兩個過程是可互逆的,該減振器內部的磁流變液的變化示意如圖5(a)所示。磁流變減振器的結構如圖5(b)所示,其阻尼特性隨磁流變化而變化的規律如圖5(c)所示。
圖 6 磁流變減振器及其阻尼特性
有關磁流變減振器的結構設計、阻尼特性、數學模型、控制策略、控制器、與不同彈性元件的匹配性能及其對車輛動力學的影響等已經逐漸成為可調阻尼減振器的研究熱點之一。
有關可調阻尼減振器還有其它一些結構,敬請期待下一期內容。
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