电流变液力发动机悬置动态特性研究分析数控铣床

电流变液力发动机悬置动态特性研究分析

电流变液力发动机悬置动态特性研究分析 2011： 前言汽车动力总成悬置系统是指动力总成（包括发动机、离合器及变速器等）与车架/底盘之间的弹性悬置元件构成的系统，发动机动力总成的振动通过该系统传递给车身/车架，路面不平造成的振动也通过该系统传递给发动机，因此该系统性能设计的好坏直接影响着整车的NVH性能。为了改善汽车内的振动情况，在汽车动力总成中采用了大量的悬置系统。一个理想的动力悬置系统应具备以下特性：（1）在5～20Hz的低频范围内，为了有效衰减因路面不平和发动机怠速燃气压力不均匀引起的低频大振幅的振动，需具有高刚度、大阻尼的特性；（2）在20Hz以上的频带范围内，为了降低车内噪声，提高汽车的操纵稳定性，需具有低刚度、小阻尼的特性。传统的被动悬置已难以满足汽车隔振性能的要求。为了达到良好的隔振效果，研究已不仅局限于橡胶悬置、被动液压悬置，而且出现了如电流变液力悬置等新型悬置系统。1电流变液特性电流变液是一种由介电微粒与绝缘液体混合而成的复杂流体。对大多数电流变液来说，在没有外加电场的作用时，其黏度较低，表现为牛顿流体的力学特性；当施加外加电场后，流体的力学性能发生明显的变化，电流变液体变成黏塑体，只有当剪切应力大于屈服应力时，液体才会流动，液体呈现出屈服应力τy，此时的液体是一种宾汉姆（Bingham）流体，其性能如图1所示。

方程符合B ngham模型

式中τ为剪切应力；τy E）为电场导致的剪切屈服应力；η为电流变液体的动力黏度；γ为剪切速率。在电场作用下，电流变液体可以在液体和黏塑体之间进行转换，其转换过程是连续的，而且响应十分灵敏，一般其响应时间为ms级，并且这种液态和固态之间的转换是可逆的，控制相变所需要的能量也很小。电流变技术是指电流变效应应用于工程实践的一项技术，现在广泛应用于汽车工程、航空航天、机械工程等领域。在汽车工程上主要用在离合器、悬架系统、发动机悬置等方面。2 电流变液力悬置模型的建立2.1 电流变液力悬置的结构组成电流变液力悬置是一种动特性较好的发动机悬置，其实体结构如图2所示。

（1）弹性元件（橡胶外壳）构成的带电流变液体的上腔，是悬置系统的弹性元件，当承受外部激励力的作用时，它可以发生变形，并改变上腔的容积，使电流变液体通过阻尼孔排出。如果上腔的阻尼孔通畅，则隔振装置的刚度主要由橡胶弹性元件的刚度决定；如果阻尼孔被完全堵死，则由于在上腔中的电流变液体是不可压缩的，弹性元件与液体一起形成一个新的刚度较大的复合弹性元件。显然通过改变电场的强度，可以改变悬置中液体的黏度，进而影响阻尼和动刚度。电场增强，阻尼和动刚度就增大。（2）上、下腔间的隔板上开有阻尼孔，孔一般为矩形截面的间隙通道，通道的两侧面作为阴极和阳极，构成一个均匀的电场，另两侧为绝缘体。电流变液体在阻尼孔中的流动是一种平行平面的间隙流动。当隔板上只有一个阻尼孔时，可利用改变电场强度来无级调节电流变液力悬置的阻尼力；当隔板上开有多个阻尼通道时，则可利用电场对各个通道的组合控制，形成多个不同的阻尼力，使电流变液力悬置得到多个不同的固有频率，后者在电场的控制上比较简单不需无级调节，只需作开关控制即可。（3）下腔由一个弹性底膜组成。弹性底膜利用自身的弹性，可以改变自身的形状和容积，以承担电流变液体由于橡胶弹性元件变形，所引起的在上、下腔中的流动，以及上、下腔液体容量的变化。（4）刚性的下部壳体，包在弹性膜外，其中充满空气使弹性膜可以自由伸缩。（5）高压电场以及高压电施加于阻尼通道上的正负电极。2.2电流变液力悬置力学模型电流变液力悬置的力学模型电流变液力悬置的结构比较复杂，经过简化抽象的模型如图3所示。

根据电流变液的特性，可以得到其黏度为

式中ηa为电流变液的黏度。由此可得出液体流过阻尼孔的阻尼力为

式中L、b分别为阻尼孔的深度和宽度，h为电极的间隙距离，qi t）为阻尼孔的液体流量。根据不可压缩流体的动量方程和连续性方程，可以得出

式中kr br分别为橡胶主簧的刚度和阻尼系数，Ar为橡胶主簧的等效活塞面积，C1、C2分别为上下液室的体积柔度，p1、p2分别为上下液室中液体压力。从该模型中可以看出，通过电流变液力悬置传递到车身的作用力有两部分：一部分通过橡胶主簧传递；另一部分是由上下液室液体的压力产生的。因此悬置固定端的支反力的计算公式为

通过控制阻尼通道的电场，可以改变电流变流体的黏性，从而改变所产生的阻尼力的大小，达到吸收振动的效果。 3 置仿真及试验结果根据该力学模型以及文献中提到的模型，设定有关的参数后，利用ADAMS软件对系统的动态特性进行仿真，在未加电场时，系统的动刚度和响应滞后角变化曲线如图4、图5中虚线所示。从图中可以看出，电流变液压悬置在未加电场时，其动态特性与传统的被动式液压悬置相类似。

电流变液力悬置的动态特性试验是在Instron8800伺服液压振动测试试验台上进行的。试验所用的电流变液材料，可参考实验室专门的关于电流变液的论文。试验时将悬置的两端与试验台相连，然后在其中一端施加一个位移激励xF （t）=X0sinωt，xF（t）为位移激励、X0为位移激励幅值，而另一端则固定在试验台架上，记录运动端的位移传感器的信号x（t）和固定端的力传感器信号F（t），即可得到某一频率下的动态刚度和滞后角。图4和图5中实线为试验测得的未加电场时的相应曲线。通过对比仿真计算和试验测试的液压悬置的动刚度和滞后角曲线，可以看出两者比较吻合，从而验证了模型的正确性。一个比较理想的悬置需要低频高刚度大阻尼、高频低刚度小阻尼的动态特性。对于电流变液力悬置，可以通过控制阻尼孔电极之间的电场的大小，调节电流变液的特性，从而改变悬置动刚度和滞后角曲线的峰值大小及其发生的频率。图6和图7中虚线为施加电场后电流变液悬置的动刚度和滞后角的仿真结果。实线为相应的施加电场后的实测曲线。

4 结语（1）建立了电流变液力悬置的动力学模型，在ADAMS中进行了仿真分析。通过与试验结果的对比，验证了模型的正确性。（2）文中建立的仿真模型，可以很好地预测悬置的动态特性，而且可以在设计液力悬置时通过改变某些参数，对其性能进行优化，从而缩短产品开发周期，提高产品设计质量。（3）仿真结果表明，具有阻尼调节能力的电流变液力悬置，能有效隔离发动机的振动向车架的传递，以及路面不平度激励向发动机的传递，提高整车NVH性能。(end)

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