CN103244600B - 汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的设计方法，属于减振器技术领域，其特征在于：根据单轮1/4车辆参数分别确定出基于舒适性和安全性的悬架最佳阻尼比，并根据悬架杠杆比及磁流变减振器的安装角度，确定半主动悬架磁流变减振器在最大速度情况下所需要的最大库伦阻尼力；随后，根据库伦阻尼力与减振器结构参数、磁流变液体特性参数及最大控制电流I_max之间关系，对汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数N进行优化设计。利用该电磁线圈匝数的设计方法，可得到可靠的电磁线圈匝数N设计值，提高磁流变半主动悬架***的设计水平、质量和性能，在最大控制电流情况下确保汽车行驶平顺性的设计要求，同时还可降低设计及试验费用。

Description

汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的设计方法

技术领域

本发明涉及磁流变半主动悬架***，特别是汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的设计方法。

背景技术

磁流变减振器可通过控制电流的大小实现对阻尼力的控制，它具有响应速度快、功耗低、调节范围大等特点，并且工作条件相对简单，已成为当前国内、外车辆半主动悬架研究领域的一个热点。电磁线圈匝数N及电流I的大小决定着磁流变减振器的阻尼特性及半主动悬架***的阻尼匹配，对汽车行驶平顺性具有重要影响。尽管国内外很多车辆悬架研究专家曾对汽车磁流变半主动悬架进行了大量研究，但是由于受半主动悬架***最佳阻尼比的制约，一直未能给出可靠的汽车磁流变半主动悬架电磁线圈的设计方法，据所查资料可知，目前国内、外对汽车磁流变半主动悬架***的研究，大都集中在控制策略和控制方法的研究，而对于电磁线圈匝数N，却大都是通过反复试验的方法，最终确定出电磁线圈匝数N的参数设计值。随着汽车工业的快速发展及车辆行驶速度的不断提高，对磁流变半主动悬架***提出了更高的要求，因此，必须建立一种准确、可靠的汽车磁流变半主动悬架电磁线圈N的设计方法，降低设计和试验费用，提高磁流变半主动悬架***的设计质量、水平和性能，提高车辆的行驶平顺性。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种可靠的汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的设计方法，其技术方案实施步骤如下：

（1）   确定基于舒适性的半主动悬架最佳阻尼比：

根据单轮1/4车辆的悬架簧上质量m ₂、簧下质量m ₁及质量比r _m= m ₂ /m ₁，及悬架刚度k ₂、轮胎刚度k _t及刚度比r _k=k _t / k ₂，确定基于舒适性的半主动悬架最佳阻尼比，即：

；

（2）   确定基于安全性的半主动悬架最佳阻尼比：

根据单轮1/4车辆的悬架簧上质量m ₂、簧下质量m ₁及质量比r _m= m ₂ /m ₁，及悬架刚度k ₂、轮胎刚度k _t和刚度比r _k=k _t / k ₂，确定基于安全性的半主动悬架最佳阻尼比，即：

；

（3）   确定半主动悬架磁流变减振器所需要的最大库伦阻尼力F _Imax：

根据单轮1/4车辆的悬架簧上质量m ₂，悬架刚度k ₂，悬架杠杆比i、减振器安装角度θ，减振器最大速度V _max，步骤（1）中的及步骤（2）中的，确定半主动悬架磁流变减振器所需要的最大库伦阻尼力F _Imax，即：

                                        ；

（4）   汽车磁流半主动悬架电磁线圈匝数N的优化设计：

根据磁流变减振器活塞缸筒的直径D _H，活塞与缸筒之间的环形间隙h，活塞长度L，活塞杆直径d _g，磁流变液体的磁致剪切应力系数及磁场强度指数，电磁线圈最大控制电流I _max，及步骤（3）中的F _Imax，对汽车磁流变半主动悬架电磁线圈的匝数N进行优化设计，即：

。

本发明比现有技术具有的优点：

尽管国内外很多车辆悬架研究专家曾对汽车磁流变半主动悬架进行了大量研究，但是由于受半主动悬架***最佳阻尼比的制约，一直未能给出可靠的汽车磁流变半主动悬架电磁线圈的设计方法，据所查资料可知，目前国内、外对汽车磁流变半主动悬架***的研究，大都集中在控制策略和控制方法的研究，而对于电磁线圈匝数N大都是通过反复试验的方法，最终确定出电磁线圈匝数N的参数设计值。因此，目前磁流变半主动悬架电磁线圈的设计方法，很难满足汽车工业的快速发展及车辆行驶速度的不断提高所提出的设计要求。该汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的设计方法，首先根据车辆悬架的簧上质量、簧下质量、悬架刚度和轮胎刚度，分别确定出基于舒适性的汽车半主动悬架最佳阻尼比和基于安全性的半主动悬架最佳阻尼比；然后，车辆悬架杠杆比i、减振器安装角度θ，减振器最大速度V _max，基于舒适性的最佳阻尼比及基于安全性的最佳阻尼比，确定半主动悬架磁流变减振器所需要的最大库伦阻尼力F _Imax；随后，根据磁流变减振器所需要的最大库伦阻尼力F _Imax与结构参数、磁流变液体特性参数、电磁线圈最大控制电流I _max之间关系，对汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数N进行优化设计。利用该汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的设计方法，可设计得到可靠的电磁线圈匝数N设计值，在最大控制电流情况下确保汽车行驶平顺性和安全性要求，同时，还可以降低汽车半主动悬架***的设计及试验费用，提高汽车磁流变半主动悬架***的设计水平、质量和性能。

为了更好地理解本发明下面结合附图作进一步的说明。

图1 是汽车半主动悬架磁流变减振器的结构原理图；

图2 是汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的设计流程图；

图3 是实施例一的汽车半主动悬架磁流变减振器阻尼特性仿真曲线；

图4 是实施例二的汽车半主动悬架磁流变减振器阻尼特性仿真曲线；

图5 是实施例三的汽车半主动悬架磁流变减振器阻尼特性仿真曲线；

图6 是实施例四的汽车半主动悬架磁流变减振器阻尼特性仿真曲线。

具体实施方案

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一：某汽车半主动悬架磁流变减振器的结构原理，如图1所示，减振器活塞缸筒1，活塞2，电磁线圈3，活塞杆4，其中，电磁线圈3镶嵌在活塞的中部，其匝数N即为半主动悬架磁流变减振器关键设计参数。该汽车单轮悬架的簧上质量m ₂=300kg、悬架刚度k ₂=13057N/m，簧下质量m ₁=40kg、轮胎刚度k _t=192000N/m；磁流变减振器的活塞缸筒的内径为D _H=28mm，活塞杆直径d _g=18mm，活塞与内缸筒之间的环形间隙h=0.9mm，活塞长度L=40mm；悬架杠杆比i=0.9、减振器安装角度=10°、减振器最大速度V _max＝1.0m/s；电磁线圈最大控制电流I _max＝2.0A，磁流变液体的初始粘度为0.8Pa.s，磁致剪切应力系数=0.0015，磁场强度指数=1.6。对该汽车磁流变减振器电磁线圈匝数N进行优化设计。

本发明实例所提供的汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的设计方法，其电磁线圈匝数N的设计流程图如图2所示，具体步骤如下：

（1）确定基于舒适性的半主动悬架最佳阻尼比：

根据该汽车单轮1/4车辆的悬架簧上质量m ₂=300kg、簧下质量m ₁=40kg及质量比r _m=m ₂ /m ₁=7.5，及悬架刚度k ₂=13057N/m、轮胎刚度k _t=192000N/m及刚度比r _k=k _t /k ₂=14.7，确定基于舒适性的半主动悬架最佳阻尼比，即：

＝0.1388；

（2）确定基于安全性的半主动悬架最佳阻尼比：

根据单轮1/4车辆的簧上质量m ₂=300kg、簧下质量m ₁=40kg及质量比r _m= m ₂ /m ₁=7.5，及悬架刚度k ₂=13057N/m、轮胎刚度k _t=192000N/m和刚度比r _k=k _t / k ₂=14.7，确定基于安全性的半主动悬架最佳阻尼比，即：

＝0.5848；

（3）确定半主动悬架磁流变减振器所需要的最大库伦阻尼力F _Imax：

根据单轮1/4车辆的簧上质量m ₂=300kg，悬架刚度k ₂=13057N/m，悬架杠杆比i=0.9、减振器安装角度θ=10°，减振器最大速度V _max＝1.0m/s，步骤（1）中的＝0.1388及步骤（2）中的＝0.5848，确定半主动悬架磁流变减振器所需要的最大库伦阻尼力F _Imax，即：

                                          ＝2247.5N；

（4）汽车磁流半主动悬架电磁线圈匝数N的优化设计：

根据磁流变减振器活塞缸筒的直径D _H=28mm，活塞与缸筒之间的环形间隙h=0.9mm，活塞长度L=40mm，活塞杆直径d _g=18mm，磁致剪切应力系数=0.0015，磁致剪切应力的磁场强度指数=1.6，电磁线圈最大控制电流I _max=2.0A，及步骤（3）中的F _Imax＝2247.5N，对该汽车磁流变半主动悬架电磁线圈的匝数N进行优化设计，即：

＝100.69匝；

对N进行圆整，可得该汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的优化设计值为N＝101匝。

根据所设计电磁线圈匝数N＝101匝、最大控制电流、减振器结构参数、磁流变液体特性参数及磁流变液体的初始粘度为0.8Pa.s，利用阻尼特性仿真程序，仿真所得到的该汽车半主动悬架磁流变减振器的阻尼特性曲线，如图3所示，其中，最大总阻尼力F _max＝2759.9N，最大库伦阻尼力F _Imax＝2258.6N，汽车半主动悬架***的阻尼比＝0.5477，与设计所要求的＝0.5848相吻合。表明该汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的设计方法是正确、可靠的。

实施例二：某汽车单轮悬架的簧上质量m ₂=350kg、悬架刚度k ₂=16719N/m，簧下质量m ₁=40kg、轮胎刚度k _t=192000N/m；悬架杠杆比i=0.9和减振器安装角度=10°，磁流变减振器的活塞缸筒内径、活塞杆直径、活塞长度与实施例一的相同，即活塞缸筒内径为D _H=28mm，活塞杆直径d _g=18mm，活塞长度L=40mm；活塞与缸筒之间的环形间隙h=0.8mm；减振器最大速度V _max＝1.0m/s；磁流变液体的初始粘度为0.8Pa.s，磁致剪切应力系数=0.0015，磁场强度指数=1.6；电磁线圈最大控制电流I _max=2.0A。对该汽车半主动悬架磁流变减振器电磁线圈匝数N进行优化设计。

采用实施例一的设计步骤，对该汽车半主动悬架磁流变减振器电磁线圈匝数N进行设计，即：

（1）确定基于舒适性的半主动悬架最佳阻尼比：

根据该汽车单轮1/4车辆的悬架簧上质量m ₂=350kg、簧下质量m ₁=40kg及质量比r _m=m ₂ /m ₁=8.75，及悬架刚度k ₂=16719N/m、轮胎刚度k _t=192000N/m及刚度比r _k=k _t /k ₂=11.48，确定基于舒适性的半主动悬架最佳阻尼比，即：

＝0.1557；

（2）确定基于安全性的半主动悬架最佳阻尼比：

根据单轮1/4车辆的簧上质量m ₂=350kg、簧下质量m ₁=40kg及质量比r _m= m ₂ /m ₁=8.75，及悬架刚度k ₂=16719N/m、轮胎刚度k _t=192000N/m和刚度比r _k=k _t / k ₂=14.48，确定基于安全性的半主动悬架最佳阻尼比，即：

＝0.4871；

（3）确定半主动悬架磁流变减振器所需要的最大库伦阻尼力F _Imax：

根据单轮1/4车辆的簧上质量m ₂=350kg，悬架刚度k ₂=16719N/m，悬架杠杆比i=0.9、减振器安装角度θ=10°，减振器最大速度V _max＝1.0m/s，步骤（1）中的＝0.1557及步骤（2）中的＝0.4871，确定半主动悬架磁流变减振器所需要的最大库伦阻尼力F _Imax，即：

                                          ＝2040.5N；

（4）汽车磁流半主动悬架电磁线圈匝数N的优化设计：

根据磁流变减振器活塞缸筒的直径D _H=28mm，活塞与缸筒之间的环形间隙h=0.8mm，活塞长度L=40mm，活塞杆直径d _g=18mm，磁流变液体的磁致剪切应力系数=0.0015，磁场强度指数=1.6，电磁线圈最大控制电流I _max=2.0A，及步骤（3）中的F _Imax＝2040.5N，对该汽车磁流变半主动悬架电磁线圈的匝数N进行优化设计，即：

＝76.889匝；

对N进行圆整，可得该汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的优化设计值为N＝77匝。

根据所设计电磁线圈匝数N＝77匝、最大控制电流、减振器结构参数、磁流变液体特性参数及磁流变液体的初始粘度为0.8Pa.s，利用阻尼特性仿真程序，仿真所得到的该汽车半主动悬架磁流变减振器的阻尼特性曲线，如图4所示，其中，最大的总阻尼力F _max＝2798.3N，最大库伦阻尼力F _Imax＝2045.2N，汽车半主动悬架***的阻尼比＝0.4544，与设计所要求的＝0.4871相吻合。

实施例三：某汽车单轮悬架的簧上质量m ₂=400kg、悬架刚度k ₂=20884N/m，簧下质量m ₁=40kg、轮胎刚度k _t=192000N/m；悬架杠杆比i=0.9和减振器安装角度=10°，磁流变减振器的活塞缸筒内径为D _H=28mm，活塞杆直径d _g=20mm，活塞长度L=40mm；活塞与缸筒之间的环形间隙h=0.7mm；减振器最大速度V _max＝1.0m/s；磁流变液体的初始粘度为0.8Pa.s，磁致剪切应力系数=0.0015，磁场强度指数=1.6；电磁线圈最大控制电流I _max=2.0A。对该汽车半主动悬架磁流变减振器电磁线圈匝数N进行优化设计。

采用实施例一的设计步骤，对该汽车半主动悬架磁流变减振器电磁线圈匝数N进行设计，即：

（1）确定基于舒适性的半主动悬架最佳阻尼比：

根据该汽车单轮1/4车辆的悬架簧上质量m ₂=400kg、簧下质量m ₁=40kg及质量比r _m=m ₂ /m ₁=10，及悬架刚度k ₂=20884N/m、轮胎刚度k _t=192000N/m及刚度比r _k=k _t /k ₂= 9.1936，确定基于舒适性的半主动悬架最佳阻尼比，即：

＝0.173；

（2）确定基于安全性的半主动悬架最佳阻尼比：

根据单轮1/4车辆的簧上质量m ₂=400kg、簧下质量m ₁=40kg及质量比r _m= m ₂ /m ₁=10，及悬架刚度k ₂=20884N/m、轮胎刚度k _t=192000N/m和刚度比r _k=k _t / k ₂=9.1936，确定基于安全性的半主动悬架最佳阻尼比，即：

＝0.4176；

（3）确定半主动悬架磁流变减振器所需要的最大库伦阻尼力F _Imax：

根据单轮1/4车辆的簧上质量m ₂=400kg，悬架刚度k ₂=20884N/m，悬架杠杆比i=0.9、减振器安装角度θ=10°，减振器最大速度V _max＝1.0m/s，步骤（1）中的＝0.173及步骤（2）中的＝0.41761，确定半主动悬架磁流变减振器所需要的最大库伦阻尼力F _Imax，即：

                                          ＝1800.4N；

（4）汽车磁流半主动悬架电磁线圈匝数N的优化设计：

根据磁流变减振器活塞缸筒的直径D _H=28mm，活塞与缸筒之间的环形间隙h=0.7mm，活塞长度L=40mm，活塞杆直径d _g=20mm，磁流变液体的磁致剪切应力系数=0.0015，磁致剪切应力的磁场强度指数=1.6，电磁线圈最大控制电流I _max=2.0A，及步骤（3）中的F _Imax＝1800.4N，对该汽车磁流变半主动悬架电磁线圈的匝数N进行优化设计，即：

＝64.563匝；

对N进行圆整，可得该汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的优化设计值为N＝65匝。

根据所设计电磁线圈匝数N＝65匝、最大控制电流、减振器结构参数、磁流变液体特性参数及磁流变液体的初始粘度为0.8Pa.s，利用阻尼特性仿真程序，仿真所得到的该汽车半主动悬架磁流变减振器的阻尼特性曲线，如图5所示，其中，最大的总阻尼力F _max＝2581.6N，最大库伦阻尼力F _Imax＝1819.9N，汽车半主动悬架***的阻尼比＝0.3508，与设计所要求的＝0.4176相吻合。

实施例四：某汽车单轮悬架参数与实施例三相同，即簧上质量m ₂=400kg、悬架刚度k ₂=20884N/m，簧下质量m ₁=40kg、轮胎刚度k _t=192000N/m；悬架杠杆比i=0.95和减振器安装角度=8°，磁流变减振器的活塞缸筒内径为D _H=28mm，活塞杆直径d _g=18mm，活塞长度L=40mm；活塞与缸筒之间的环形间隙h=0.7mm；减振器最大速度V _max＝1.0m/s；磁流变液体的磁致剪切应力系数=0.002，磁场强度指数=1.5；电磁线圈最大控制电流I _max=2.0A。对该汽车半主动悬架磁流变减振器电磁线圈匝数N进行优化设计。

采用实施例一的设计步骤，对该汽车半主动悬架磁流变减振器电磁线圈匝数N进行设计，即：

（1）确定基于舒适性的半主动悬架最佳阻尼比：

由于该汽车的单轮悬架参数与实施例三相同，因此，所要求的基于舒适性的半主动悬架最佳阻尼比也与实施例三的相同，即：

＝0.1730；

（2）确定基于安全性的半主动悬架最佳阻尼比：

由于该汽车的单轮悬架参数与实施例三相同，因此，所要求的基于安全性的半主动悬架最佳阻尼比也与实施例三的相同，即：

＝0.4176；

（3）确定半主动悬架磁流变减振器所需要的最大库伦阻尼力F _Imax：

根据单轮1/4车辆的簧上质量m ₂=400kg，悬架刚度k ₂=20884N/m，悬架杠杆比i=0.95、减振器安装角度θ=8°，减振器最大速度V _max＝1.0m/s，步骤（1）中的＝0.1730及步骤（2）中的＝0.4176，确定半主动悬架磁流变减振器所需要的最大库伦阻尼力F _Imax，即：

                                          ＝1598.1N；

（4）汽车磁流半主动悬架电磁线圈匝数N的优化设计：

根据磁流变减振器活塞缸筒的直径D _H=28mm，活塞与缸筒之间的环形间隙h=0.7mm，活塞长度L=40mm，活塞杆直径d _g=18mm，磁流变液体的磁致剪切应力系数=0.002，磁致剪切应力的磁场强度指数=1.5，电磁线圈最大控制电流I _max=2.0A，及步骤（3）中的F _Imax＝1598.1N，对该汽车磁流变半主动悬架电磁线圈的匝数N进行优化设计，即：

＝86.9匝；

对N进行圆整，可得该汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的优化设计值为N＝87匝。

根据所设计电磁线圈匝数N＝87匝、最大控制电流、减振器结构参数、磁流变液体特性参数及磁流变液体的初始粘度为0.8Pa.s，磁致剪切应力系数=0.002，磁场强度指数=1.5；利用阻尼特性仿真程序，仿真所得到的该汽车半主动悬架磁流变减振器的阻尼特性曲线，如图6所示，其中，最大的总阻尼力F _max＝2784.6N，最大库伦阻尼力F _Imax＝1600N，汽车半主动悬架***的阻尼比＝0.4263，分别与设计所要求的最大库伦阻尼力F _Imax＝1598.1N和悬架阻尼比＝0.4176相吻合。表明该汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的设计方法是正确、可靠的。

Claims (1)

1.汽车磁流变半主动悬架电磁线圈匝数的设计方法，其具体设计步骤如下：

(1)确定基于舒适性的半主动悬架最佳阻尼比ξ_c：

根据单轮1/4车辆的悬架簧上质量m₂、簧下质量m₁及质量比r_m＝m₂/m₁，及悬架刚度k₂、轮胎刚度k_t及刚度比r_k＝k_t/k₂，确定基于舒适性的半主动悬架最佳阻尼比ξ_c，即：

${\mathrm{\ξ}}_c=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1+r_m}{r_m{r}_k}};$

(2)确定基于安全性的半主动悬架最佳阻尼比ξ_s：

根据单轮1/4车辆的悬架簧上质量m₂、簧下质量m₁及质量比r_m＝m₂/m₁，及悬架刚度k₂、轮胎刚度k_t和刚度比r_k＝k_t/k₂，确定基于安全性的半主动悬架最佳阻尼比ξ_s，即：

${\mathrm{\ξ}}_s=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{1+r_m}{r_m{r}_k}+\frac{r_m{r}_k-2-2r_m}{{(1+r_m)}^2}};$

(3)确定半主动悬架磁流变减振器所需要的最大库伦阻尼力F_Imax：

根据单轮1/4车辆的悬架簧上质量m₂，悬架刚度k₂，悬架杠杆比i、减振器安装角度θ，减振器最大速度V_max，步骤(1)中的ξ_c及步骤(2)中的ξ_s，确定半主动悬架磁流变减振器所需要的最大库伦阻尼力F_Imax，即：

$F_{I\max }=\frac{2({\mathrm{\ξ}}_s-{\mathrm{\ξ}}_c)\sqrt{k_2{m}_2}}{i^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}{V}_{\max };$

(4)汽车磁流半主动悬架电磁线圈匝数N的优化设计：

根据磁流变减振器活塞缸筒的直径D_H，活塞与缸筒之间的环形间隙h，活塞长度L，活塞杆直径d_g，磁流变液体的磁致剪切应力系数K_τ及磁场强度指数α，电磁线圈最大控制电流I_max，及步骤(3)中的F_Imax，对汽车磁流变半主动悬架电磁线圈的匝数N进行优化设计，即：

$N=\frac{4h}{I_{\max }}{\left[\frac{4h{F}_{I\max }}{3\mathrm{\πL}[{(D_H-2h)}^2-d_g^2]K_{\mathrm{\τ}}}\right]}^{1/\mathrm{\α}}.$