磁流变液隔振器结构优化及仿真研究

简晓春，岳清亚，闵 峰，文竟力，王二红

(1.重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074；2.重庆铁马工业集团军研所，重庆 400074；3.重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074)

磁流变液(MRF)隔振器是一种新型智能型发动机隔振器，根据汽车运行工况不同，对阻尼力进行实时调整，是一种实现半主动隔振控制的理想元件。其工作原理是通过控制磁场大小，在极短的时间(通常为ms级)内使MRF的状态在可自由流动的粘滞流体和半固体之间可逆变化，MRF隔振器具有响应敏感、结构简单、阻尼力较大和可控性能比较强的特点，更为突出的是需要的工作能量较小，一般在50 W左右，工作电压只需2～25 V[1]。

虽然发动机的激励有振幅小、宽频的特点，但MRF隔振器高频隔振性能很差。因此，在保证隔振器低频良好隔振性能的同时，提高高频隔振性能，十分必要。

1 磁流变液隔振器结构优化

1.1 示功特性分析

表1 循环耗散能量 J

评价MRF隔振器性能的一个重要指标是隔振器在一个振动循环中消耗的能量。对磁流变液隔振器施加不同的激励频率f和激励电流I，依次予以加载，并采集隔振器输出的力和位移信号。经过matlab处理过后，得到MRF隔振器在各工况下示功图所围面积，即各工况下的循环耗散能量E(见表1)。

随着频率增加，隔振器压缩行程缩短、MRF流经缸体和挤压盘的时间缩短，流通面积不可变是隔振器不能适应宽频隔振的主要原因。因此，要提高MRF隔振器的宽频隔振能力，应改善隔振器结构，使高频工况时单个腔内需要交换的MRF体积流量降低，MRF流通面积增大。

1.2 结构优化

优化后的隔振器各部分具体结构如图1所示。隔振器结构参数如图 2所示。

图1 宽频隔振器结构

改进后的MRF隔振器将中间挤压盘6与连接杆5分离，并新增加了下腔挤压盘4和上腔挤压盘7。上、下腔挤压盘与连接杆5固接，中间挤压盘6套在连接杆5上但不固接，并通过弹性元件组3把中间挤压盘支撑在上、下腔挤压盘之间，通过调节电流的大小，使励磁线圈2起到调节MRF隔振器磁场的作用。

为了使MRF隔振器的阻尼达到最大，需确定改进后的MRF隔振器的各参数。

1)弹簧刚度K

将可以调节的库仑力与不可调节阻力之比称为可调倍数β，计算式为

(1)

图2 隔振器结构参数

式中 F0为激振力;F1为粘滞阻尼力;F2为MRF惯性力;F3为磁流变效应力;F4为初始力;ρ为MRF密度;α为材料系数;NI为磁动势; η为MRF粘度;hg为高频振动位移;hd为低频振动位移;x为振动位移;Fg为高频阻尼力; Fkg上为高频上腔弹簧阻力。

上腔挤压盘向下运动时，在h2足够大时，弹簧压缩量主要受上腔挤压盘位移的影响，由示功特性试验可知，当隔振器在5 Hz工作时，隔振器位移大，此时Fg=0.5 kN，振动位移x=0.6 mm，隔振器刚度K=33 kN/m。

2)上、下腔挤压盘半径r3

3)上腔上间隙 h0

h0对隔振器阻尼力F1有较大影响。如果h0过大，会导致阻尼力过小。在不改变隔振器腔体总高度的情况下，考虑发动机振幅一般小于1 mm[4]，在高频工作时，两个新增挤压盘相对于中间挤压盘对称,因此新增挤压盘在各自独立腔体内也设计为对称结构，即h0=h2=h4=h6，h1=h5。

除挤压盘各尺寸有所变化外，为减少工作量，其它尺寸不变。

2 示功特性仿真及分析

MRF隔振器在低频工况工作时，其隔振性能较好，而高频工况工作时性能较差。因此，在低频时，用优化前MRF隔振器低频阻尼力模型计算，而高频工作时则用化优后MRF隔振器高频阻尼力模型计算。计算模型为

(4)

运用matlab中simulink模块对改进后隔振器阻尼力进行仿真，并将得出的结果输出，再用M文件编制相应程序。施加励磁电流为0，0.5，1.0，1.5 A，频率40，60，80 Hz对应的振幅分别为0.13，0.08，0.06 mm。对优化前后模型进行比较。

绘制出的仿真结果见图 3～5。

图3 频率为40 Hz、振幅为0.13 mm的仿真结果

图4 频率为60 Hz、振幅为0.18 mm的仿真结果

图5 频率为80 Hz、振幅为0.06 mm的仿真结果

优化后的MRF隔振器与优化前的MRF隔振器相比，在宽频时示功图更为圆润饱满，耗散能力得到大幅提升。

3 结语

优化后的MRF隔振器，在结构上增加了上、下腔挤压盘和弹簧组，不仅满足了发动机低频时对大振幅、大阻尼的要求，同时在高频工作时，增强了MRF的流动性，提高了隔振性能，隔振器耗散能力较强，其宽频范围的工作能力得到了显著提高。

参考文献：

[1]Takao Ushijima.High Performance Hydraulic Mount for Improving Vehicle Noise and Vibration[C].USA:SAE Paper,1988.

[2]Lee Dug-Young, Wereley Norman M. Analysis of Electro-and Magneto-Rheological Flow Mode Dampers Using Herschel-Bulkley Model[C]// Proceedings of SPIE Smart Structure and Materials Conference. California:Newport Beach,2000:244-255.

[3]Wang Xiao-jie,Gordaninejad Faramarz. Study of Field Controllable Electro-and Magneto-Rheological Fluid Damper in Flow Mode Using Herschel-Bulkley Theory[C]//Proceedings of SPIE Smart Structure and Materials Conference.California:Newport Beach,2000:232-243.

[4]闵峰,孙亮,王利伟,等.挤压式磁流变阻尼器示功特性[J].重庆理工大学学报,2012,26(6):13-17.