蔣學(xué)爭(zhēng) 胡紅生，2 宋宏偉 王 炅

1.南京理工大學(xué)，南京，210094 2.嘉興學(xué)院，嘉興，314001

0 引言

磁流變液是一種在外加磁場(chǎng)作用下其黏性、塑性等流變特性會(huì)發(fā)生急劇變化的智能材料，其基本特征是在外加磁場(chǎng)作用下能瞬間（毫秒級(jí)）從自由流動(dòng)的液體轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w，呈現(xiàn)可控的屈服強(qiáng)度，而且這種變化是可逆的。磁流變減振器是以磁流變液為工作介質(zhì)的半主動(dòng)振動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、阻尼力連續(xù)順逆可調(diào)以及方便與計(jì)算機(jī)控制結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)［1］，因此廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)半主動(dòng)控制領(lǐng)域［2－4］。特別是在汽車(chē)振動(dòng)控制領(lǐng)域，以磁流變減振器為執(zhí)行元件的磁流變半主動(dòng)懸架系統(tǒng)已經(jīng)成為提高汽車(chē)舒適性和安全性的研究熱點(diǎn)［5－8］，并且已經(jīng)有成品開(kāi)始裝備到高級(jí)轎車(chē)上［9］。目前研究的磁流變半主動(dòng)懸架系統(tǒng)需要一套電源設(shè)備來(lái)給磁流變減振器活塞線圈提供電流，同時(shí)還需要一套控制系統(tǒng)，以便能夠根據(jù)路面激勵(lì)和懸架響應(yīng)來(lái)實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)輸入電流的大小，從而保證磁流變減振器能夠根據(jù)外界振動(dòng)條件的變化適時(shí)地改變磁流變減振器輸出阻尼力［10］，以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)懸架振動(dòng)的智能控制。然而在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，外加的電源和控制設(shè)備會(huì)使整個(gè)控制系統(tǒng)的體積增大，重量增加，從而大大降低系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也會(huì)增加應(yīng)用成本，從而制約磁流變半主動(dòng)懸架技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出了一種無(wú)需外部電源和控制設(shè)備的新型磁流變減振器。

1 新型磁流變減振器

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的無(wú)需外部電源和控制設(shè)備的新型磁流變減振器包括電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)和電能調(diào)理模塊，能夠?qū)⑼饨缯駝?dòng)能轉(zhuǎn)換成適合磁流變阻尼器使用的穩(wěn)壓直流電，并且收集電能的大小與外界振動(dòng)強(qiáng)弱成正比關(guān)系，從而可以在無(wú)外電流輸入的情況下根據(jù)振動(dòng)情況實(shí)時(shí)地改變減振器輸出阻尼力，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的自適應(yīng)智能控制，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由磁流變減振器結(jié)構(gòu)、電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)、電能調(diào)理模塊以及相關(guān)連接件和密封件構(gòu)成。其中，電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)的定子與磁流變減振器的缸筒連接在一起，在定子凹槽內(nèi)纏繞著電磁線圈，永磁體構(gòu)成收集電能的動(dòng)子。實(shí)際工作時(shí)，在外界環(huán)境振動(dòng)作用下，減振器的活塞桿在缸筒內(nèi)做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)的永磁體動(dòng)子通過(guò)中間連接桿和減振器的活塞連接在一起，因此在振動(dòng)力作用下，永磁體將隨著減振器活塞桿一起運(yùn)動(dòng)，在定子腔內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，這將引起定子上纏繞的電磁線圈內(nèi)部的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電能調(diào)理模塊將產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成適合磁流變減振器使用的穩(wěn)壓直流電，作用到磁流變減振器的活塞線圈上，產(chǎn)生控制磁流變液的磁場(chǎng)。同時(shí)施加到活塞線圈上的電能與外界振動(dòng)強(qiáng)弱成正比關(guān)系，從而可以在外界振動(dòng)較強(qiáng)時(shí)輸出較大的阻尼力，增強(qiáng)振動(dòng)控制能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的自適應(yīng)控制。

圖1 新型磁流變減振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采取了一系列措施來(lái)提高永磁體磁場(chǎng)利用率和電能收集效率，以便能夠捕獲足夠的供磁流變減振器使用的電能，具體措施有：①連接固定永磁體的連接桿使用不導(dǎo)磁的材料鋁制成，這樣可以迫使磁力線向四周發(fā)散通過(guò)定子形成閉合回路，避免磁力線通過(guò)連接桿形成閉合回路，減少磁力線的泄漏；②鋁桿上相鄰永磁體的磁極化方向相反，同時(shí)永磁體之間設(shè)置一個(gè)由高磁導(dǎo)率材料制成的磁極，從而在其同極結(jié)合處，兩組磁力線因同極相斥而被密集壓縮并正交垂直地穿過(guò)空氣隙，這就可以大大地減小磁力線實(shí)際穿過(guò)的空氣隙厚度，從而增強(qiáng)發(fā)電磁場(chǎng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的值；③電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)的定子內(nèi)部采用T形齒結(jié)構(gòu)，可以有效地增大磁力線與定子的接觸面積，從而使更多的磁力線穿過(guò)空氣隙和定子形成閉合回路，增加發(fā)電量，提高發(fā)電效率。

1.2 電能收集理論建模

在振動(dòng)環(huán)境作用下，電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)的永磁體動(dòng)子在減振器活塞桿帶動(dòng)下在定子內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，繞制在定子上的電磁線圈切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生電能，將一部分振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括定子、永磁體、磁極、電磁線圈等。定子內(nèi)部采用T形齒結(jié)構(gòu)，并且在相鄰T形齒的凹槽內(nèi)繞制有電磁線圈，這樣可以最大化地穿過(guò)磁力線，從而提高永磁體磁場(chǎng)的利用率，增加收集的電能。鋁桿將圓環(huán)形永磁體和磁極連接在一起構(gòu)成電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)的動(dòng)子，永磁體的磁極化方向?yàn)槠漭S向方向，并且相鄰永磁體的極化方向相反。實(shí)際實(shí)驗(yàn)器件加工時(shí)，永磁體采用NdFeB35制成；定子和磁極用電磁純鐵DT4制成，因?yàn)镈T4的磁導(dǎo)率高、磁阻低，永磁體產(chǎn)生的磁力線就容易穿過(guò)磁極、氣隙和定子，形成磁力線回路，提高發(fā)電效率。根據(jù)磁路原理設(shè)計(jì)加工的電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，可見(jiàn)定子內(nèi)部極靴的占空比為40%，永磁體在定子內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)有1638匝電磁線圈參與切割磁感應(yīng)線進(jìn)行發(fā)電。

圖2 電磁感應(yīng)能量捕獲內(nèi)部結(jié)構(gòu)

當(dāng)永磁體在定子內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，針對(duì)其中一個(gè)電磁線圈，其等效磁路模型如圖3所示，其中，F(xiàn)rem為永磁體的剩余磁動(dòng)勢(shì)；Rm為永磁體自身的磁阻；Rm′為鋁桿引起的磁漏；Rp為磁極的磁阻；Rg為氣隙的磁阻；Rc為定子的磁阻。實(shí)際加工時(shí)定子和磁極用高導(dǎo)磁材料電磁純鐵DT4制成，磁阻非常小，所以Rp和Rc可以忽略不計(jì)。同時(shí)因?yàn)椴牧箱X不導(dǎo)磁，所以鋁桿引起的磁漏非常小，Rm′也可以忽略不計(jì)。由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為線圈內(nèi)磁通的變化率。所以在外界振動(dòng)作用下，電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為

表1 能量捕獲結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)

式中，ψPM為永磁體的磁鏈；z為外界振動(dòng)引起的永磁體動(dòng)子與定子間的相對(duì)位移；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間；N 為電磁線圈的匝數(shù)；Φg為定子和永磁體之間氣隙的磁通量。

圖3 等效磁路模型

同時(shí)由磁路原理［11］可知，定子和永磁體之間的氣隙磁通量可用下式計(jì)算：

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率；Brem為永磁體的剩余磁通密度；Hc為永磁體的磁矯頑力；Ag為氣隙的截面積；Am為圓環(huán)形永磁體的截面積。

化簡(jiǎn)式（1）和式（2）可得這個(gè)線圈切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

1.3 電能調(diào)理電路

由式（4）可知，定子內(nèi)電磁線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)不是一個(gè)定值，其大小與振動(dòng)強(qiáng)弱成正比，方向隨著振動(dòng)方向的變化不斷變化。圖4為永磁體在外界振動(dòng)力作用下，沿著其軸線在定子內(nèi)部做振幅為10mm、頻率f分別為1.59Hz和4.77Hz的正弦運(yùn)動(dòng)時(shí)收集的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與時(shí)間的關(guān)系圖。由圖4可知，在外界振動(dòng)作用下，電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)收集的電動(dòng)勢(shì)是大小和方向不斷變化的交流電壓，而磁流變減振器工作時(shí)需要向活塞線圈中輸入固定直流電流來(lái)產(chǎn)生控制磁流變液的電磁場(chǎng)，所以收集的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不能直接被磁流變減振器使用。因此，需要一個(gè)電能調(diào)理模塊將電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成適合磁流變減振器使用的穩(wěn)壓直流電。

圖4 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與時(shí)間關(guān)系

為了將電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)收集的交流電轉(zhuǎn)換成適合磁流變減振器使用的直流電，依照電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)而設(shè)計(jì)的調(diào)理電路如圖5所示。該調(diào)理電路由一個(gè)直流整流電路和一個(gè)存儲(chǔ)電容C1組成，直流整流電路用來(lái)將方向不斷變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)換成方向不變的直流電壓，存儲(chǔ)電容用來(lái)存儲(chǔ)從直流整流電路輸出的電能，并通過(guò)電容充放電功能將其轉(zhuǎn)換成適合磁流變阻尼器使用的穩(wěn)壓直流電。為了驗(yàn)證調(diào)理電路的有效性，在電路仿真軟件PSPICE中對(duì)設(shè)計(jì)的調(diào)理電路進(jìn)行仿真研究，如圖5所示，其中，電壓輸入V1與時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。圖5中，R1表示繞制在定子內(nèi)電磁線圈的電阻值（28.26Ω）；R2表示磁流變阻尼器活塞線圈的電阻值（1.26Ω）。在交流電壓源V1的激勵(lì)下，經(jīng)過(guò)電能調(diào)理電路，R2兩端的電壓與時(shí)間關(guān)系如圖6所示。

圖5 電磁感應(yīng)能量捕獲調(diào)理電路

圖6 調(diào)理電路輸出電壓與時(shí)間關(guān)系

圖6a所示為f＝1.59Hz振動(dòng)條件下，經(jīng)過(guò)電能調(diào)理電路之后施加到R2兩端的電壓U2（即施加到磁流變減振器兩端的電壓）與時(shí)間的關(guān)系曲線，電壓經(jīng)過(guò)約3s的上升時(shí)間后，從第3s開(kāi)始在固定值1.0V上下波動(dòng)，并且波動(dòng)的幅度較小，約為0.025V，這種波動(dòng)是由存儲(chǔ)電容C1的充放電引起的。圖6b所示為f＝4.77Hz振動(dòng)條件下，R2兩端的電壓U2與時(shí)間的關(guān)系曲線，同樣，電壓在3s內(nèi)從0上升到固定值3V，并在3V上下波動(dòng)，此時(shí)電壓波動(dòng)幅度比f(wàn)＝1.59Hz振動(dòng)作用時(shí)小得多，基本上穩(wěn)定在3V。由于電壓波動(dòng)比較小，可以忽略不計(jì)，因此在振幅為10mm、頻率f分別為1.59Hz和4.77Hz的振動(dòng)作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)電能調(diào)理電路轉(zhuǎn)換之后，可以分別在磁流變減振器活塞線圈中產(chǎn)生0.7A和2.3A左右的直流電。由此可以說(shuō)明：本文設(shè)計(jì)的電能調(diào)理電路可以將電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)收集的交流電壓轉(zhuǎn)換成適合磁流變阻尼器使用的穩(wěn)壓直流電壓。

圖7所示為振幅為10mm，不同振動(dòng)頻率下，經(jīng)電能調(diào)理電路之后R2兩端的電壓U2與時(shí)間的關(guān)系關(guān)系。由圖7可見(jiàn)，在相同振幅下，振動(dòng)頻率越大，R2兩端的電壓越大，施加到磁流變減振器兩端的電流越大，減振器輸出阻尼力越大。由此可以說(shuō)明：本文設(shè)計(jì)的新型磁流變減振器可以根據(jù)外界振動(dòng)強(qiáng)弱實(shí)時(shí)地調(diào)整輸出阻尼力，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的自適應(yīng)智能控制。

圖7 不同振動(dòng)頻率下R2兩端的電壓

2 自適應(yīng)磁流變懸架系統(tǒng)

針對(duì)汽車(chē)懸架振動(dòng)控制，利用本文設(shè)計(jì)的新型磁流變減振器可以構(gòu)建無(wú)需外部電源和控制設(shè)備的汽車(chē)自適應(yīng)磁流變懸架半主動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8 自適應(yīng)磁流變半主動(dòng)懸架1／4模型

根據(jù)圖8所示的模型，可以建立以下動(dòng)力學(xué)方程：

式中，F(xiàn)m、Ce分別為磁流變減振器的可調(diào)庫(kù)侖阻尼力和黏性阻尼系數(shù)；ks、ku分別為懸架彈簧剛度和輪胎剛度；ms、mu分別為簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量；xr、xu、xs分別為路面位移、非簧載質(zhì)量位移和簧載質(zhì)量位移。

針對(duì)設(shè)計(jì)的新型磁流變減振器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)磁流變減振器阻尼力相關(guān)公式［12］，其庫(kù)侖阻尼力和黏性阻尼系數(shù)分別可用下式計(jì)算：

式中，Dc、dc分別為磁流變減振器活塞和活塞桿直徑；L為磁流變減振器的有效通道長(zhǎng)度；η為磁流變液的零場(chǎng)黏度；h為阻尼通道間隙厚度；v為磁流變減振器活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度；τy為磁流變液的剪切屈服應(yīng)力。

由式（6）可知，磁流變減振器的庫(kù)侖阻尼力Fm與磁流變液的剪切屈服應(yīng)力τy成正比，所以通過(guò)控制輸入到減振器活塞線圈上的電流可以實(shí)時(shí)地控制磁流變液的剪切屈服應(yīng)力τy，從而控制減振器輸出不同的阻尼力，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)懸架的智能控制。由上文分析可知（圖7），外界振動(dòng)越強(qiáng)，電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)收集的電能越多，施加到磁流變減振器活塞線圈上的電壓越大，輸出的阻尼力也就越大，所以本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)磁流變減振器可以根據(jù)外界振動(dòng)的強(qiáng)弱來(lái)“自行”控制輸出阻尼力的大小，在無(wú)需外界控制設(shè)備的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)懸架的智能控制。因此，本文構(gòu)建的自適應(yīng)磁流變懸架系統(tǒng)的控制策略是：依靠新型磁流變減振器自身對(duì)外界振動(dòng)強(qiáng)弱的“感知”能力自行調(diào)節(jié)輸出振動(dòng)控制力，當(dāng)汽車(chē)懸架振動(dòng)較強(qiáng)時(shí)，減振器輸出較大的阻尼力以消耗更多的振動(dòng)能，提高汽車(chē)操作穩(wěn)定性；而當(dāng)振動(dòng)較弱時(shí)，減振器輸出較小的阻尼力以提供更好的乘坐舒適性，并且無(wú)需外界電源設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)懸架系統(tǒng)的自適應(yīng)控制。

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證汽車(chē)自適應(yīng)磁流變懸架半主動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)的控制效果，在博仕樂(lè)液壓機(jī)械有限公司加工了新型磁流變減振器試件，并且在加工過(guò)程中將減振器和汽車(chē)彈簧集成在一起，以便能夠更快捷有效地搭建懸架半主動(dòng)控制系統(tǒng)。首先測(cè)試設(shè)計(jì)加工的新型磁流變減振器的自身阻尼特性，測(cè)試過(guò)程中將電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)和磁流變減振器斷開(kāi)，向減振器線圈中施加大小不同的固定電流，其阻尼力曲線如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，隨著外界輸入電流從0逐漸增大到1.6A，磁流變減振器輸出阻尼力峰值也由200N逐漸增大到1600N左右，這表明所設(shè)計(jì)的磁流變減振器可以達(dá)到預(yù)先設(shè)定的振動(dòng)控制目標(biāo)，可以通過(guò)控制輸入電流來(lái)控制其對(duì)外輸出不同的阻尼力。

圖9 不同電流激勵(lì)下的阻尼力

同時(shí)測(cè)試振幅為10mm，不同振動(dòng)頻率的正弦激勵(lì)下電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)收集的電能，并與理論仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證新型磁流變減振器的電能捕獲能力，對(duì)比結(jié)果如圖10所示。由圖10可見(jiàn)，隨著振動(dòng)頻率的增大，電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)收集的電壓也逐漸增大，這表明外界振動(dòng)越強(qiáng)，收集的電能越多，施加到磁流變減振器上的電流也就越大，從而輸出更大的阻尼力來(lái)控制振動(dòng)，即減振器輸出阻尼力受外界振動(dòng)強(qiáng)弱的控制。同時(shí)對(duì)比圖10中實(shí)驗(yàn)所得曲線和仿真曲線可見(jiàn)，在相同振動(dòng)條件下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的曲線在仿真曲線之下，實(shí)際所獲電能比理論值略小，其能量捕獲效率約為58%。經(jīng)分析，這是由于仿真過(guò)程中忽略了實(shí)際工作時(shí)永磁體向外界環(huán)境磁場(chǎng)泄漏，同時(shí)繞制在定子凹槽里面的線圈繞組的電阻值也比理論值稍大，以及測(cè)量誤差等原因，并不影響理論設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性。

在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了磁流變減振器自身特性以及電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)正確可行的情況下，在PA－20－Z型電液伺服汽車(chē)懸架實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（長(zhǎng)春科新實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)）上對(duì)構(gòu)建的自適應(yīng)磁流變1／4懸架系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試振動(dòng)作用下懸架系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)，驗(yàn)證搭建的汽車(chē)自適應(yīng)磁流變懸架對(duì)振動(dòng)的控制能力。實(shí)際搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖11所示，自適應(yīng)磁流變減振器和彈簧集成在一起，減振器上端連接模擬汽車(chē)簧載質(zhì)量的質(zhì)量塊，下端連接在模擬汽車(chē)非簧載質(zhì)量的質(zhì)量塊上，非簧載質(zhì)量塊通過(guò)底端彈簧連接在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架激振頭上，底端彈簧用來(lái)模擬汽車(chē)輪胎。實(shí)驗(yàn)時(shí)，工控機(jī)控制臺(tái)架激振頭產(chǎn)生振動(dòng)，并通過(guò)模擬輪胎的底端彈簧帶動(dòng)非簧載質(zhì)量塊、磁流變減振器集成和簧載質(zhì)量塊沿著導(dǎo)軌上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，模擬汽車(chē)實(shí)際行駛時(shí)懸架的振動(dòng)，并通過(guò)測(cè)量簧載質(zhì)量的加速度來(lái)衡量懸架系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理的準(zhǔn)確性，加速度傳感器選用德國(guó)Kistler公司的8932型單向壓阻式加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集硬件選用美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司的PXI－4472B振動(dòng)采集系統(tǒng)。

圖11 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)量?jī)煞N情況下的懸架響應(yīng)：第一種是OFF狀態(tài)，即電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)與磁流變減振器不連接，在此條件下沒(méi)有電流輸入到磁流變減振器活塞中，磁流變減振器相當(dāng)于一個(gè)常規(guī)液壓減振器，靠自身的黏性阻尼力控制懸架振動(dòng)，此時(shí)懸架系統(tǒng)相當(dāng)于目前汽車(chē)上通常配備的被動(dòng)液壓懸架系統(tǒng)；第二種是ON狀態(tài)，此時(shí)電磁感應(yīng)能量捕獲結(jié)構(gòu)與磁流變減振器連接，其收集的電能施加到磁流變減振器上，產(chǎn)生控制磁流變液的電磁場(chǎng)，控制磁流變減振器輸出不同的阻尼力。同時(shí)因?yàn)槭占碾娔芘c外界振動(dòng)強(qiáng)弱成正比關(guān)系，懸架系統(tǒng)能夠根據(jù)外界振動(dòng)激勵(lì)的強(qiáng)弱實(shí)時(shí)地改變輸出阻尼力，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)懸架的自適應(yīng)振動(dòng)控制。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工控機(jī)中輸入路譜振動(dòng)數(shù)據(jù)，控制激振頭產(chǎn)生相當(dāng)于汽車(chē)以72km／h的車(chē)速行駛在路譜D級(jí)路面上時(shí)懸架所受的振動(dòng)激勵(lì)，利用PXI－4472B數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別采集上述兩種條件下的簧載質(zhì)量加速度，并進(jìn)行加速度時(shí)域和頻域分析，處理后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖12、圖13所示。由圖12、圖13可知，在路譜波振動(dòng)作用下，與被動(dòng)懸架系統(tǒng)相比，自適應(yīng)磁流變半懸架半主動(dòng)控制系統(tǒng)有效地減小了汽車(chē)懸架簧載質(zhì)量的垂直振動(dòng)加速度，使懸架簧載質(zhì)量的垂直振動(dòng)降低了30%左右，改善了汽車(chē)行駛的平順性及乘坐的舒適性，并具有良好的魯棒性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)磁流變懸架系統(tǒng)可以很好地控制車(chē)輛懸架振動(dòng)，說(shuō)明利用本文設(shè)計(jì)的新型磁流變減振器構(gòu)建的自適應(yīng)磁流變半主動(dòng)懸架是可行的。

4 結(jié)論

圖12 被動(dòng)懸架響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖13 自適應(yīng)磁流變半主動(dòng)懸架響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)了一種新型磁流變減振器，可以在無(wú)需外部電源和控制設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的自適應(yīng)控制。建立了其電能收集的理論模型和電能調(diào)整電路，進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，在不同的振動(dòng)條件下，新型磁流變減振器可以根據(jù)外界振動(dòng)強(qiáng)弱程度輸出不同阻尼力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)振動(dòng)的自適應(yīng)控制。利用新型磁流變減振器構(gòu)建了無(wú)需外部電源和控制設(shè)備的汽車(chē)自適應(yīng)磁流變半主動(dòng)懸架，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與常規(guī)被動(dòng)液壓懸架相比，自適應(yīng)磁流變半主動(dòng)懸架明顯地抑制了汽車(chē)垂直振動(dòng)，改善了汽車(chē)行駛的平順性，說(shuō)明利用所設(shè)計(jì)的新型磁流變減振器對(duì)汽車(chē)懸架進(jìn)行自適應(yīng)控制是可行的。

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