搜索车辆振动学的思考（五）
2017-02-15 by:CAE仿真在线 来源:互联网
作者:偶然
夏天来了,百花盛开,白的,黄的,粉的,蓝的,紫的,空气里弥漫着浓郁的花香。前几日,早晚凉,中午热,是典型的暮春初夏的天气,地上的草,树的叶,都使劲的疯长。转眼前,天气又急转直下,小雨淅淅沥沥的下了两天,雨水如银针一样细细的落下,空气中形成了一层薄薄的雾气,微凉带暖的气息里,残留着春的味道。雨水顺着树叶往下滴,满眼的绿,那绿色仿佛要通过雨滴从叶尖上流下来,让人感受到了生机勃勃的力量。走在前进的路上,珍惜每一次花开,笑对每一次花落,删繁就简,安然生活,向前走,相信梦想并坚持付出努力。
工作中,除了教学基本工作的熟悉,我努力在企业中探索着科研的方向和落脚点。辛苦的寻找过程中,越来越多的研究点浮现,也越来越感觉到了自身的狭隘与局限性,还需要加倍的努力学习。虽然不知道将来的结果如何,但在解决问题的过程中,我在前进着、成长着。继续整理车辆振动学的一些思考。从前面的内容中,分析了车辆悬架的基本分类。但在所有的悬架中,都有阻尼元件和刚度元件。这次先简单介绍一下,阻尼元件——减振器。
最早的减振器出现于二十世纪初,经历了一个多世纪的变革,在演变中大致出现了以下几种典型结构的减振器:干式摩擦减振器,叶片式液压减振器,摇臂式减振器,筒式液压减振器,螺旋弹簧减振器,自适应减振器,油气弹簧减振器,空气弹簧减振器,电、磁流变减振器,电磁阀控制减振器,步进电机控制减振器,馈能式减振器等。目前车辆应用最广泛的减振元件是筒式液压减振器,其阻尼力是减振器专用油液流过不同大小的节流孔及阀控制间隙的节流作用而产生,其动态的阻尼特性对车辆动力学性能具有重要影响。
筒式液压减振器按照不同的划分形式可以分成不同的种类。按照结构可分为双筒式和单筒式结构,按照是否充入一定气压的氮气可为分充气式减振器和非充气式减振器。
图1
图1(a)所示为单筒式充气减振器,其工作缸内充入压力不低于2.5MPa的氮气以减少减振器的特性畸变,通过浮动活塞将气体与减振器油液分隔。这种减振器对密封性要求较高,制造成本高,对高频小幅振动有效好的减振效果。
图1(b)所示为普通的双筒式油液减振器。
图1(c)为充气双筒式减振器,其中的蓝色部分为约0.4~0.6Mpa的低压气体,可以保证减振器内部不产生真空而使其动力学发生畸变,防止减振器油液在工作过程中汽化。
油液减振器还可与弹性元件做成一体式的结构,有的是螺旋弹簧做成一体,如图2(a)所示;有的是与空气弹簧做成一体,如图2(b) 所示。
图2
因为人体在悬架低频段时感觉较舒适,钢板弹簧的自然频率为1.8-3 Hz,空气弹簧的自然频率为1.0-1.4Hz,所以在驾驶室上(尤其是在中型和重型车辆)安装与空气弹簧一体的减振器较螺旋弹簧一体减振器更加舒适。
按照减振器的阻尼特性是否能够根据车辆的行驶工况进行调节,可分为不可调阻尼减振器和可调阻尼减振器。在半主动悬架的研究中,可调阻尼减振器是研究热点之一。可调阻尼减振器根据阻尼产生的机理可以将减振器分为三类:干式固体磨擦可调减振器,流体粘性可调减振器和流体动力摩擦可调减振器。
1 干式固体磨擦减振器
干式固体摩擦减振器是采用两个摩擦元件之间的摩擦力实现阻尼作用。1998年,英国C.W.Stammers设计了一款采用调节摩擦力大小改变阻尼力的减振器。当车体与车轮相对速度比较低时,该减振器仍能产生阻尼力,其工作原理如图3(a)所示。2004年,英国Emanuele Guglielmino 设计了一种可变结构控制器,结构示意如图3(b)所示,该减振器通过控制摩擦力的大小而实现阻尼力可调。
图3 干摩擦式减振器
干式固体摩擦减振器在实验中表现出来的主要矛盾是在能量消耗和带宽之间的平衡,以及材料的磨损问题。
针对于摩擦材料的磨损,开环或闭环控制策略,摩擦力的控制规律等问题需进一步的研究。此类型减振器常常应用于建筑、桥梁、地震等结构的减振中。
2 流体粘性摩擦减振器(电、磁流变减振器)
电、磁流变减振器是通过调节减振器内部电场电流或电压的大小,实现电、磁流变液的粘度的变化,从而调节减振器的阻尼特性。
南韩Seung-Bok Choi 设计了两款电流变减振器:圆柱型电流变减振器和节流孔型电流变减振器。其结构示意图与阻尼特性如图4所示。较多学者对电流变减振器采用的模糊控制,滑模控制,H∞控制,神经网络等策略的影响进行了研究。
图4
电流变液减振器需要的电压较高,单位在每毫米千伏特,且与其它电器元件有交互作用。电流变液的稳定性低且工作温度范围较低,其控制策略需进一步完善。
W.Winslow和Rabinow在1948年发明了磁流变液体及其应用装置。外加磁场的改变可以调节磁流变液的流变特性(如油液的粘度及塑性等)。通磁场后,减振器的阻尼变大,响应时间为毫秒级,阻尼力可以实现无级调节,当减小其磁场大小时,减振器的阻尼可以随之变小。两个过程是可互逆的,该减振器内部的磁流变液的变化示意如图5(a)所示。磁流变减振器的结构如图5(b)所示,其阻尼特性随磁流变化而变化的规律如图5(c)所示。
图 6 磁流变减振器及其阻尼特性
有关磁流变减振器的结构设计、阻尼特性、数学模型、控制策略、控制器、与不同弹性元件的匹配性能及其对车辆动力学的影响等已经逐渐成为可调阻尼减振器的研究热点之一。
有关可调阻尼减振器还有其它一些结构,敬请期待下一期内容。
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