活塞内流道磁流变减振器热耦合阻尼特性分析

朱石沙， 黄鹏程， 唐利波， 章 岱

(1.广东科技学院，广东 东莞 523083；2.湘潭大学 机械工程学院，湖南 湘潭 411105；3．湖南长丰猎豹汽车有限公司，湖南 永州 425100)

MRD以MR流体为工作阻尼介质，由于其在屈服强度、可控性上存在优势，在车辆半主动悬挂系统上引起了研究界的广泛关注及深入研究[1-5]。乘用车在高速行驶时，悬架减振器因吸收振动能量而出现较严重的发热，极端条件下会引起减振器的失效[6-7]。由于减振器的热效应难以计算，目前国内外关于减振器的热平衡耦合研究较少。Alexander等[8]从动力学角度研究了液压减振器热效应，建立了减振器的热-机耦合模型，但在热分析时没有对路面随机激励进行模拟。Ramos等[9]将减振器分为 17 个子系统，分析得出了每个子块热平衡的最终温度，研究了减振器不同区域的温度差。Alonso 等[10]建立了不同零件之间的热传导模型，计算并预测减振器内部各区域的热平衡温度，但没有对减振器内部组件的温度进行测量。Sorniotti等[11]等从两种不同的角度建立了减振器热-机耦合模型，但无法得到减振器各部分的具体温度。

余卓平等[12]提出了包含机械阻尼、悬架振动、发热及散热等一系列因素在内的热-机耦合闭环动力学数学模型，并基于该模型研究了结构尺寸、悬架以及工作温度对最终热平衡温度的影响。么鸣涛等[13]基于液阻式减振器推导了热力学模型，并数值模拟结构参数对其热平衡温度的影响。么鸣涛等[14]又提出了双筒式液阻减振器的热传递模型，并计算了减振器达到热平衡的最终温度。张敏敏等[15]通过AMEsim建立了液阻式减振器的热-液-固耦合仿真模型，得到了考虑热温度耦合状态的外特性仿真曲线。

当前，对于MRD阻尼特性的研究，由于其热效应计算困难大且都未考虑工作热温度的影响，不能准确反映实际工作时的阻尼特性。本文借助工程仿真软件对活塞内流道MRD在工作状态下考虑热温度因素的阻尼特性进行研究，并在振动试验台上对热平衡温度下MRD的阻尼特性进行了测试，为MRD在汽车半主动悬架上的应用提供理论基础。

1 MRD的结构原理

活塞采用内流道结构方式可提高发生磁流变效应的面积，增大减振器工作的最大阻尼力，并拓宽MRD的阻尼力调节区间，使悬架系统整体的阻尼性能得到改善。且流体流经活塞内部，能改善活塞的散热性能，降低摩擦热对减振器工作性能的影响。因此本文所研究的减振器活塞采用内流道流动工作模式。图1所示为活塞内流道MRD的工作原理简图。

图1 内流道式MRD结构原理图Fig.1 Schematic diagram of inner channel MRD structure

2 MRD热平衡仿真

2.1 1/4悬架AMEsim热平衡仿真模型

根据活塞内流道MRD的结构参数及减振原理，基于AMEsim软件建立减振器工作下的热平衡效应仿真模型。如图2所示，使用到的元件设计库包括：热-液压元件设计库搭建悬架减振器；机械库模拟车辆1/4悬架；热分析库模拟车辆行驶过程中减振器的热传导、热交换、热辐射；信号库模拟路面不平度激励信号。表1为MRD模型元件的主要参数。

2.2 AMEsim热平衡仿真结果

图3，图4所示为车速40 km/h，110 km/h 时B、C、D级路面随机信号分别激励下MRD流体的温度变化曲线，随着路面不平度等级的下降，减振器流体介质的发热量逐渐增大。当路面不平度等级相同时，车速越高减振器内部的发热量越大。

表1 MRD模型元件主要参数表

1.MRD上腔 2.MRD下腔 3-4.补偿腔 5.缸筒壁 6.阻尼通道图2 减振器热平衡温度仿真模型Fig.2 Simulation model of heat balance temperature of shock absorber

图3 车速40 km/h时缸筒内流体的温度曲线Fig.3 The temperature curve of the fluid in the cylinderwhen the speed is 40 km / h

图4 车速110 km/h时缸筒内流体的温度曲线Fig.4 The temperature curve of the fluid in the cylinderwhen the speed is 110 km / h

我国一般的沥青、水泥硬化道路大多属于D级路面，因此本文重点研究D级路面。图5所示为D级道路不同车速下MRD缸筒内流体温度的变化曲线，汽车加速时，缸筒中流体的温度上升加快，证明速度加快导致的高频振动对系统的热平衡冲击更加明显，缸筒中流体的温度越高。经过一定时间后温度增加逐渐平缓并最终达到稳定值，此时减振器缸内流体达到热平衡状态。

图5 D级路面不同车速MRD流体的温度曲线Fig.5 Temperature curve of MRD fluid with different speedon D- class

3 热耦合仿真分析

3.1 温度场的有限元计算

减振器在工作过程中，由于MR流体与阻尼孔的摩擦及线圈产生的电磁热会导致活塞芯部的温度与上下腔流体有所差异，为了提高耦合分析的准确性，需进一步定量计算MRD中流体在不同区域的温度值。考虑到减振器严格轴对称，将此分析简化为平面温度场问题。

图6 车速70 km/h时MRD活塞区域的温度云图Fig.6 The temperature of MRD piston area at 70 km / h

图6所示为D级路面车速70 km/h时，MRD达到热平衡后阻尼通道发生磁流变效应的区域温度可达84.5℃，而通道其它区域的温度约为80℃，这是因为磁流变液在磁流变效应的区域黏度增加，增强了流体与流体以及流体与通道间的磨擦。同理可得到D级路面车速分别为40 km/h、110 km/h时,发生磁流变效应的区域温度分别为68.5℃、96℃，而无磁场激励的区域温度分别为64℃、92℃。

3.2 CFX仿真模型

利用ANSYS 14.5建立MRD流体仿真模型，MRD中流体的分布情况是严格轴对称的，考虑到在实际工作情况下，磁流变液在减振器上下腔的压力梯度变化显著，随活塞运动时刻变化，为了获得准确的仿真数据，在三维情况下对MRD中的流体流动及传热进行仿真，绘制模型如图7所示。

图7 MRD流体仿真模型Fig.7 MRD fluid simulation model

3.3 MRD流体计算结果及分析

将移动网格设置成最大位移0.05 m，最大速度0.52 m/s、频率1.67 Hz的简谐运动。图8所示为磁场强度B=0.4 T(I=2 A)、D级路面40 km/h时减振器热平衡后流体在中心面的压力云图。图(a)所示为t=0.3 s时拉伸行程的平衡位置，上腔流体流经阻尼通道摩擦后压力大于下腔，压力差ΔP约为2.7 MPa，在活塞阻尼通道中，横向间隙通道的压力小于轴向通道的压力，主要由磁流变效应引起。图(b)所示为t=0.6 s时压缩行程的平衡位置，缸筒下腔流体的压力大于上腔，压力差ΔP约为3.0 MPa。基于不同位移、不同速度MRD上下腔流体的压力差结合电磁活塞上下端面的实际面积，便可获得MRD的示功及速度特性曲线。

图8 活塞速度时压力云图Fig.8 Pressure nephogram of piston velocitym/s

图9所示为t=0.3 s、0.6 s时中心面的速度及流线图，活塞分别达到拉伸和压缩行程速率的最大值。如图所示在阻尼 通道的入口及出口处速度具有最大值，这是由于通道面积急剧缩小所致，流线上通道的入口和出口处流体会出现紊流，因此利用流体力学能量损失原理推导减振器的阻尼力数学模型时，应考虑流体紊流因素的影响。

图9 活塞速度时流体的速度及流线图Fig.9 The velocity and streamline of the fluid in the piston

3.4 热耦合示功及速度特性曲线

图10(a)所示为减振器的示功曲线，在车速40 km/h、70 km/h、110 km/h达到热平衡后减振器最大阻尼力分别为3 200 N，3 000 N、2 900 N。由此可知随着车速的增大MRD的阻尼性能下降，随着车速的增加其阻尼力下降的程度减缓，这是因为磁流变液屈服后的粘度随温度的变化率降低所致。比较MRD在不考虑行驶发热情况下仿真得到的示功曲线[16]，得出车速40 km/h、70 km/h、110 km/h下MRD达到热平衡后的阻尼力分别下降了300 N、500 N、600 N。图10(b)所示为热平衡温度对MRD速度特性曲线(F-V)的影响，随着车速的增加其速度特性也逐渐降低。

图10 B=0.4 T时热耦合示功及速度特性曲线Fig.10 B=0.4 T thermal coupling power and speedcharacteristic curve

4 试验研究

4.1 热平衡外特性试验

由于相关软件的数值仿真并不足以完全模拟减振器的实际工作情况，因此，仍需对减振器阻尼特性进行实验测试。为了获得活塞内流道MRD在其工作至热平衡时的阻尼特性，本文按照筒式车用减振器标准规定的测试要求设置试验参数对MRD的阻尼特性进行试验。

调节电机变频器的频率为36.7 Hz，单次测试前，将减振器置于恒温加热箱中调节到59 ℃、78 ℃、90 ℃并保温3小时，试验3～5个循环后记录数据。如图11所示为实验装置图。

图11 实验装置图Fig.11Experimental device diagram

4.2 试验结果及分析

图12所示为振动速度幅值0.52 m/s、电流2 A时基于DH-5920采样数据获得的D级路面MRD热平衡温度下的示功与速度特性曲线。

由图12(a)所示，汽车加速时，F-S曲线所围区域的面积减少，最大阻尼力分别为3 300 N、3 000 N、2 900 N。随着热平衡温度的升高MRD阻尼力单个周期内所做的功减少，阻尼性能下降。当车速增加时，MRD阻尼力下降的速率减慢，MRD热平衡温度的升高对其阻尼特性的影响减弱，这是由磁流变材料屈服后的粘度及屈服强度与温度的关系所决定的。测试的阻尼力比仿真获得的阻尼力大3%，这是因为仿真时忽略了活塞与缸筒、活塞杆与上盖的摩擦。测试曲线没有模拟曲线饱满光滑，这是因为测试台的振动引起活塞与缸筒的轴线偏转而出现干摩擦所致。图12(b)所示为MRD阻尼力与活塞速度(0～0.52 m/s)的试验曲线，阻尼力随速度的变化呈非线性增加，这是剪切速率变化及MRD速度特性的滞后效应引起的。比较不考虑行驶热平衡温度的测试曲线[16]，阻尼特性均有较大程度的下降，车速越高，下降越大，因此车辆在实际使用减振器时应考虑热平衡温度这一影响因素。模拟所得结果与实验结果趋势基本相同，误差较小，证明了模拟过程是可信的。

图12 B=0.4T时热耦合示功及速度特性测试曲线Fig.12 B=0.4T thermal coupling power and speedcharacteristic curve

5 结 论

(1)基于AMESim软件结合本文所介绍的MRD的结构参数，建立了减振器的传热仿真模型，通过白噪声滤波方式代替实际路面的振动信号仿真得出了当汽车以 40 km/h、70 km/h、110 km/h运行时，介质热平衡温度分别为59 ℃、78 ℃、90 ℃。

(2)使用ANSYS CFX通过瞬态分析计算了MRD耦合热平衡温度的示功曲线，从中得出随着车速的增加，减振器工作的阻尼特性有较大程度的下降。

(3)通过恒温加热模拟MRD工作的热平衡状态并在平衡温度下对其阻尼特性进行了测试，测试数据与仿真结果吻合较好，即汽车的行驶速度对减振器的阻尼性能有影响，车速越高阻尼力下降越大。对比之前常温下不考虑行驶热温度的测试曲线，得出不同车速热平衡下的MRD阻尼力有较明显的下降。