汽车悬架系统磁流变阻尼器研究

鉴于汽车全主动悬架系统高额的价格和被动悬架性能上的不足，由被动弹性元件和主动阻尼器构成的半主动悬架越来越受到相关研究机构的关注，并逐渐成为研究热点，也受到全球汽车制造商的青睐。主动阻尼器一般根据两种原理进行设计——改变阻尼器阻尼通道的流通面积和改变阻尼器中阻尼液的流动特性。由于根据第一种原理设计的可调阻尼器结构复杂、响应速度慢，人们将研究的重点逐渐转移到可控流体（磁流变体和电流变体）阻尼器的研究和开发上来。电流变体存在剪切屈服应力小、要求的电压高等不足，而磁流变体的屈服应力大，响应速度快、能耗低、显著的流变效应、对污染的不敏感等特点，磁流变体一直是智能结构领域的理想执行（作动）器材料，磁流变阻尼器的研究和开发逐渐成为各国学者和工程技术人员追踪的热点，磁流变体也逐渐成为汽车智能阻尼器的首选材料。本文根据磁流变技术的研究现状和汽车悬架技术的发展趋势，系统研究了汽车磁流变阻尼技术，包括：磁流变效应、阻尼器系统理论、设计方法、实验研究和阻尼器的动力学模型，旨在推进磁流变体和磁流变阻尼器在汽车工程中的应用研究。本文包括下列六章： ⒈首先回顾了汽车悬架技术的发展趋势，分析了可调阻尼器的工作原理；论述了磁流变材料和磁流变器件的研究进展，分析了开发基于磁流变阻尼技术的汽车可调阻尼器的重要性和必要性，提出本文的研究目的和研究内容。 ⒉ 介绍了磁流变效应的流变机理和磁流变效应的模型描述，并利用描述模型分析了影响流变学性能的各种因素，提出了用于汽车磁流变阻尼器的磁流变体的性能要求；介绍了磁流变体的性能测试原理，利用重庆大学力学系研制的磁流变测试仪器对八种磁流变体的Bingham模型参数进行测试，为磁流变阻尼器设计计算提供材料参数和结构设计中的技术问题处理提供依据。 ⒊ 根据磁流变阻尼器工作模式，利用磁路中的欧姆定律和动态磁路设计原理，结合汽车悬架的技术要求和结构特点，提出了基于剪切模式和流动模式共同作用（混合工作模式）的汽车磁流变阻尼器设计原理，讨论了阻尼器动态磁路设计中的若干技术问题；根据流体力学Navier-Stokes方程，分别利用Newton流体特性和Bingham流体特性，推导了基于平板模型和轴对称模型的流变学方程，得出了阻尼器阻尼力的计算方法。流变学方程表明：改变阻尼通道的磁场强度可以控制磁流变阻尼器的阻尼力，从理论上分析了磁路参数和阻尼通道的结构参数对磁流变阻尼器阻尼力的影响。根据本文提出的磁流变阻尼器设计原理和微型汽车悬架的技术要求和结构特点，设计制作了两种结构形式的微型汽车磁流变阻尼器。 ⒋ 讨论了磁流变阻尼器的内特性和外特性，按照国家标准和微型汽车悬架系统的技术条件，利用国家客车质量检测中心MTS电液伺服测试系统对本文设计的磁流变阻尼器进行了示功特性、速度特性和温度特性测试。对不同励磁电流条件下的理论阻尼力与测试阻尼力进行了比较，分析了产生误差的主要原因；对阻尼器产生温度效应产生的主要原因进行了分析，提出了应该提高磁流变体的温度稳定性；推导了磁流变体的感性和容性流动方程，从理论上分析了磁流变体的感性和容性对阻尼器特性的影响。实验表明：本文提出的混合工作模式的汽车磁流变阻尼器设计原理是可行的。 ⒌ 根据磁流变阻尼器测试结果和磁流变体的本构特征，分析了磁流变阻尼器的动力学特性，建立了非线性弹-粘塑性模型，并采用梯度下降算法进行参数优化，用此模型对磁流变阻尼器的速度特性进行了描述；针对磁流变阻尼器的动力学特性，根据BP神经网络的函数逼近能力，建立磁流变阻尼器的神经网络模型，利用神经网络模型摸拟了阻尼器的示功特性和速度特性。研究表明，在阻尼器运行状态下两种模型预测结果都能与实验测试结果基本吻合。 ⒍ 第6章是结论与展望，总结了本文所取得的主要研究成果，指出了磁流变技术在汽车悬架中应用需要进一步研究的一些问题。