CN110701236B - 一种磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置，包括：悬置壳体，其具有顶部开口；惯性通道板，其为环形，并且设置在悬置壳体中，惯性通道板的外缘部与悬置壳体固定连接；解耦膜，其固定设置在惯性通道板的中心处；橡胶底膜，其外缘部沿周向固定连接在惯性通道板底部及壳体内壁之间；橡胶主簧，其固定连接在顶部开口处，并且与悬置壳体以及橡胶底膜围合形成封闭空腔；其中，惯性通道板和解耦膜将空腔分隔为第一腔室和第二腔室；连接杆，其与橡胶主簧同轴固定连接，并且连接杆的一端延伸至第一腔室内；第一环形永磁铁，其设置在第一腔室内，并且同轴固定连接在连接杆上；第二环形永磁铁，其设置在第二腔室内，并且固定连接在惯性通道板上。

Description

一种磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置及其控制方法
技术领域
本发明属于汽车悬置减振技术领域，特别涉及一种磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置及其控制方法。
背景技术
随着汽车产业的发展，对汽车NVH性能提出更高要求，而汽车动力总成振动噪声是汽车NVH问题的主要来源之一，因此针对汽车动力总成的振动特性设计减振降噪装置便具有很大的工程意义。
汽车动力总成悬置有很多类别，从上世界20年代开始出现了橡胶悬置以来，逐步出现了新的产品，比如液压悬置、基于磁流变液体设计的主动控制和半主动控制悬置、以及基于电流变液体设计的主动控制和半主动控制悬置。但是主动控制液压悬置通常需要外界的能量供应且结构复杂，虽然其隔振性能最优，但是不具备大批量应用于实车的条件。半主动控制悬置和液压悬置结构简单，具有较好的稳定性，因此成为研究的热点。
新型智能磁流变材料的力学特性能够根据外加磁场的变化而变化，其具备响应速度快、可逆性好等特点。磁流变液体就是其中一种磁流变材料，但磁流变液减振装置存在颗粒沉淀和液体密封难等问题。现有的磁流变悬置大都需要大量的磁流变液体并且密封困难，而且大量的使用磁流变液可能导致沉淀现象的加剧，这就大大限制了磁流变液体的使用范围。磁流变弹性体材料克服了磁流变液体的易沉降、稳定性差、颗粒易磨损等缺点，并具备了响应速度快、可逆性好、结构设计简单、制备成本低等优点。
发明内容
本发明设计开发了一种磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置，在两个可以贯通的磁流变液腔室之间设置磁流变弹性体解耦膜，磁流变弹性体解耦膜周围的磁场强度可以随着连接杆竖直方向上的位移而改变，其目的之一是使发动机悬置在受到外界的冲击时能够自适应的改变刚度。
本发明设计开发了一种磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置，其在惯性通道板中设置有电磁线圈，其目的之二是通过改变通过电磁线圈的电流，进一步调节悬置中的磁场强度，从而扩大磁场强度的调整范围，以改变悬置的刚度。
本发明设计开发了一种磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置的控制方法，其目的之一是在车速较高时，通过控制通过电磁线圈的电流方向及电流强度，适应性的增大发动机悬置的刚度，以提高发动机悬置的隔振性能。
本发明设计开发了一种磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置的控制方法，其目的之二是其在车速较低时，通过控制通过电磁线圈的电流方向及电流强度，适应性的减小发动机悬置的刚度，使发动机悬置获得更好的隔振性能。
本发明提供的技术方案为：
一种磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置，包括：
悬置壳体，其具有顶部开口；
惯性通道板，其为环形，并且设置在所述悬置壳体中，所述惯性通道板的外缘向上和向下的凸起部分与所述悬置壳体固定连接；
解耦膜，其设置在所述惯性通道板的中心处，并且所述解耦膜的外缘部嵌入式固定在所述惯性通道板中；
橡胶底膜，其外缘部沿周向固定连接在所述惯性通道板底部及所述壳体内壁之间；
橡胶主簧，其固定连接在所述顶部开口处，并且与所述悬置壳体以及所述橡胶底膜围合形成封闭空腔；
其中，所述惯性通道板和所述解耦膜将所述空腔分隔为第一腔室和第二腔室；
连接杆，其与所述橡胶主簧同轴硫化固定连接，并且所述连接杆的一端延伸至所述第一腔室内；
第一环形永磁铁，其设置在所述第一腔室内，并且同轴固定连接在所述连接杆上；
第二环形永磁铁，其设置在所述第二腔室内，并且固定连接在所述惯性通道板上；
其中，所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁同轴设置。
优选的是，所述惯性通道板内部同轴开设有环形容纳腔，所述环形容纳腔内设置有电磁线圈。
优选的是，所述的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置，还包括：
两个磁流变弹性环，其分别嵌入式设置在所述壳体的内壁中，并且与惯性通道板同轴设置；所述两个磁流变弹性环分别位于所述惯性通道板的两侧。
优选的是，所述惯性通道板的底面与所述磁流变弹性环之间安装有密封圈。
优选的是，所述悬置壳体的底部开设有多个通气孔。
优选的是，所述的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置，还包括：
扰流板，其设置在所述第一腔室内，并且同轴固定安装在所述连接杆上，其中，所述扰流板设置在所述第一环形永磁体顶部。
优选的是，所述扰流板包括：
基体部，其为圆盘状，并且具有中心通孔；以及
扰流部，其沿所述基体部的周向固定连接在所述基体部的外缘上，所述扰流部与所述基体部之间具有夹角；
其中，所述扰流部朝向所述基体部的底板设置；所述基体部通过所述中心通孔连接在所述连接杆上。
优选的是，所述惯性通道板内具有环形的惯性通道，惯性通道壁为非光滑面。
一种磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置的控制方法，使用所述的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置，包括：
当时，电磁线圈通电，控制通过电磁线圈的电流方向使电磁线圈产生的磁场与环形永磁铁产生的磁场方向相同；并且控制通过电磁线圈的电流强度为：
其中，Ia为第一基准电流强度；fe为发动机的振动频率；fx为悬置振动频率；V为车辆行驶速度，V0为车辆行驶速度的基准值；m为整车重量，m0为整车重量的基准值。
优选的是，所述的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置的控制方法，还包括：
当时，电磁线圈通电，控制通过电磁线圈的电流方向使电磁线圈产生的磁场与环形永磁铁产生的磁场方向相反；并且控制通过电磁线圈内的电流强度为：
其中，Ib为第二基准电流强度；fe为发动机的振动频率；fx为悬置振动频率；V为车辆行驶速度，V0为车辆行驶速度的基准值；m为整车重量，m0为整车重量的基准值。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置，在两个可以贯通的磁流变液腔室之间设置磁流变弹性体解耦膜，磁流变弹性体解耦膜周围的磁场强度可以随着连接杆竖直方向上的位移而改变，能够使发动机悬置在受到外界的冲击时能够自适应的改变刚度；克服了普通发动机悬置不能改变悬置刚度或者调节装置结构复杂的问题。
(2)本发明提供的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置，设置有电磁线圈，电磁线圈产生的磁场与永磁铁产生的永磁场的叠加，可以通过调节电流强度增强或降低悬置内部的磁场强度，从而实现了悬置的刚度能够覆盖到较低刚度到较高刚度的任意区间，实现对悬置刚度的动态控制，从而进一步提高发动机悬置的隔振效果。
(3)本发明提供的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置，在悬置上、下壳体内部的分别设置有环形磁流变弹性体，当环形磁流变弹性体所处的磁场强度发生变化时，环形磁流变弹性体与悬置壳体之间的剪切阻尼力改变，从而可以降低来自动力总成的振动冲击能量，起到衰减振动的作用。
附图说明
图1为本发明所述的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置总体结构示意图。
图2为本发明所述的悬置上壳体的结构示意图。
图3为本发明所述的悬置下壳体的结构示意图。
图4为本发明所述的惯性通道下板的结构示意图。
图5为本发明所述的通过改变电磁线圈中的电流增大总磁场的调节工作原理图。
图6为本发明所述的通过改变电磁线圈中的电流减小总磁场的调节工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-4所示，本发明提供了一种磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置，主要由悬置壳体部分、惯性通道板部分和励磁装置部分组成。
其中，悬置壳体部分主要包括连接杆110、橡胶主簧120、悬置上壳体130、悬置下壳体140以及橡胶底膜150。其中，连接杆110的中部圆盘部分111通过硫化嵌入橡胶主簧120中。橡胶主簧120与悬置上壳体130硫化连接，悬置上壳体130与悬置下壳体140通过***的法兰连接。其中，橡胶主簧120主要承载来自动力总成的载荷和冲击；橡胶主簧120的材料可采用硫化后的丁晴橡胶或丁苯橡胶。悬置上壳体130和悬置下壳体140是悬置的密封原件。悬置上壳体130的上骨架即上部开口处通过硫化和胶接技术实现与橡胶主簧120的连接，其下部通过铆接实现与惯性通道板200连接，并保证内部液体的密封。
在悬置内部，悬置上壳体130壁内沿圆周方向开设有圆环形空腔131，并且圆环形空腔131内侧具有与上壳体内部空腔连通的环形开口131a；相对应的，在悬置下壳体140壁内沿圆周方向开设有圆环形空腔141，并且圆环形空腔141内侧具有与下壳体内部空腔连通的环形开口141a。
惯性通道板部分主要由惯性通道板200、磁流变弹性体解耦膜210、第一环形磁流变弹性体220和第二环形磁流变弹性体230组成。惯性通道板200主体为环形板状，固定设置在悬置上壳体130和悬置下壳体140之间。磁流变弹性体解耦膜210设置在惯性通道板200的中心圆孔，并且磁流变弹性体解耦膜210的外缘部嵌入式固定在惯性通道板200中。惯性通道板200与橡胶主簧120之间构成悬置上液室201，惯性通道板200与橡胶底膜150之间构成悬置下液室202。其中，悬置上液室201与悬置下液室202中充满液体，在本实施例中，所述液体为乙二醇水溶液。同时惯性通道板200内部同轴开设有环形的惯性通道203，悬置上液室201中的液体通过惯性通道203上开设的通孔203a流入悬置下液室202中。惯性通道板200的外缘具有分别向上和向下凸起的连接部204和205，并且分别通过所述连接部204和205嵌入式连接在圆环形空腔131和圆环形空腔141中。连接部204的顶部和圆环形空腔131的顶部之间留有第一间隙，第一间隙中安装有第一环形磁流变弹性体220；连接部205的底部和圆环形空腔141的底部之间留有第二间隙，第二间隙中安装有第二环形磁流变弹性体230。
橡胶底膜150的***圆周卡入环形开口141a中，惯性通道板200的底部与悬置下壳体140上开有共轴线的定位销孔，定位销150a设置在定位销孔中，以固定橡胶底膜150，防止橡胶底膜150由于压紧力不够而脱离悬置下壳体140。同时，惯性通道板200与第二环形磁流变弹性体230之间设置有环形密封圈240。当悬置***受到外界激励时，其可以防止悬置内部的液体通过惯性通道板200与第二环形磁流变弹性体230之间的缝隙泄露，保证悬置内部良好的气密性。橡胶底膜150作为悬置下液室202内部的磁流变液体的承载体，为液体在上下液室之间的振荡运动提供了压力差，保证液压悬置产生足够的阻尼。在悬置下壳体140上开有若干个通气孔142，以平衡悬置内外的大气压。
惯性通道板200内部同轴开设有环形的线圈槽207，在本实施例中，线圈槽207开设在惯性通道203的***区域。
如图1和4所示，在本实施例中，惯性通道板200主要由对称设置的惯性通道上板200a和惯性通道下板200b组成。惯性通道上板200a和惯性通道上板200b中部圆环处挖去半T型槽，配合后安装后形成完整的T型槽(截面为T形，整体为圆环形)206用来固定磁流变弹性体解耦膜210；在惯性通道上板200a和惯性通道上板200b结合面还对应设置有半线圈槽和半惯性通道，惯性通道上板200a和惯性通道下板200b结合后形成完整的线圈槽207、惯性通道203以及惯性通道口203a。同时，惯性通道上板200a和惯性通道上板200b(除预留的线圈槽207和惯性通道203外)在结合面处通过硫化或者胶接的技术实现密封，防止液体渗出惯性通道203。
励磁装置部分主要包括第一环形永磁铁310、第二环形永磁铁320和电磁线圈330。第一环形永磁铁310安装连接杆110的下部，同时在连接杆110的下部安装有扰流板160，连接杆110末端(下端)加工有螺纹并通过螺母110a将扰流板160和第一环形永磁铁310加以紧固。惯性通道下板200b下部设置绕圆周均匀分布的螺纹孔208，第二环形永磁铁320圆周上分布的圆孔与螺纹孔208尺寸相同且共轴线，第二环形永磁铁320通过螺栓固定在惯性通道下板200b上，第二环形永磁铁320位于磁流变弹性体解耦膜210的下侧。其中，第一环形永磁铁310与第二环形永磁铁320同轴平行相对设置。由于第一环形永磁铁310位于连接杆110的下部，当橡胶主簧120受到压缩产生形变上下移动时，第一环形永磁铁310跟随连接杆110上下移动，两个环形永磁铁310和320之间的距离产生变化，进而时悬置内部的磁场强度发生变化，从而使磁流变弹性体解耦膜210周围的磁场强度发生改变。具体为：当两永磁铁之间的距离增大时，产生的位于磁流变弹性体解耦膜210周围的磁场强度变小；当两永磁铁之间的距离减小时，产生的位于磁流变弹性体解耦膜210周围的磁场强度变大，由于磁流变弹性体材料受到磁场的作用刚度会变化，最终表现为悬置刚度的动态变化。
电磁线圈330设置在线圈槽207中，电磁线圈330在通电后可以产生磁场。当悬置需要较大的刚度时，可以调整电磁线圈300内的电流方向并增大电流，使电磁线圈330产生的磁场与环形永磁铁产生的磁场同方向，增大悬置内部的叠加磁场的强度；同理，当悬置需要较小的刚度时，可以调整电磁线圈330内的电流方向并增大电流，使电磁线圈330通电后产生的磁场与环形永磁铁产生的磁场反方向，进一步减小悬置内部的叠加磁场的强度。
同时，由于悬置壳体和惯性通道板之间设置有第一环形磁流变弹性体220和第二环形磁流变弹性体230，刚度和阻尼也会随着其周围磁场的变化而变化。第一环形磁流变弹性体220与悬置上壳体130、第二环形磁流变弹性体230与悬置下壳体140之间产生的剪切阻尼力可以降低来自动力总成的振动冲击能量，从而起到衰减振动的作用。
在本实施例中，扰流板160包括基体部161和扰流部162，基体部161为圆盘状，并且具有中心通孔；并且通过所述中心通孔过盈配合安装在连接杆110上。扰流部162沿基体部的周向固定连接在基体部161的外缘上，所述扰流部162与所述基体部161之间具有夹角；其中，扰流部162朝向所述基体部的底板设置。通过设置扰流板，能够在悬置受到冲击时，对悬置腔室中的液体实现扰动，从而提高液体的流动性，以加快磁场强度的变化速率。
在另一个实施例中，还包括改变惯性通道203的内壁形状(如锯齿状)或者在惯性通道203的内壁上填涂阻尼颗粒材料加强液体阻尼来改变通道的阻尼特性，从而进一步调节悬置的刚度。同时，根据不同的隔振率的要求可以改变惯性通道203的截面形状和长度保证液柱共振频率与之相匹配。
如图5-6所示，本发明的具体工作原理为：当动力总成发生振动时，振动位移作用在连接杆110和橡胶主簧120上，在大振幅(通常为低频)位移作用下，第一环形永磁铁310向下产生位移，使第一环形永磁铁310和第二环形永磁铁320之间的距离减小，此时，磁流变弹性体解耦膜210周围的磁场增强；若此时向电磁线圈330施加顺时针电流(如图5所示)，则其产生的磁场方向与永磁铁产生的磁场方向相同，总的磁场强度将进一步增大，磁流变弹性体解耦膜210刚度增大，等效于悬置的刚度增大；同时由于第一环形磁流变弹性体220和第二环形磁流变弹性体230也处于磁场环境中，故其能够与悬置壳体和惯性通道板产生剪切阻尼，从而能够进一步衰减来自悬置上液室201的振动冲击。橡胶主簧120的膨胀效应使得悬置上液室201产生泵吸作用，液体通过惯性通道210在悬置上液室201和悬置下液室202之间来回振荡运动，产生阻尼，消耗振动能量，悬置具备大刚度大阻尼的特性，就可以实现冲击工况下更好的减振效果，提升汽车的性能。
当动力总成发生振动且振动振幅(通常为高频)较小时，第一环形永磁铁310向下产生位移，第一环形永磁铁310和第二环形永磁铁320之间的距离减小，此时处于磁流变弹性体解耦膜210之间的磁场增强。若此时向电磁线圈330施加逆时针电流(如图6所示)，虽然永磁铁在磁流变弹性体解耦膜210周围产生的磁场将增大，但是电磁线圈330产生的磁场方向与永磁铁产生的磁场方向相反，总的磁场强度将减小。磁流变弹性体解耦膜210刚度减小，等效于悬置的刚度减小。同时液体在悬置上液室201和悬置下液室202中的振荡减小，产生的阻尼降低，这符合小振幅激励下悬置刚度小阻尼小的特性，从而能够更好的实现动力总成的隔振要求。
同时，本发明还提供了一种磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置的控制方法，使用所述的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置，包括，在车辆行驶过程中通过安装在车身上的速度传感器和重量传感器实时监测车速V和整车重量m，同时通过传感器实时监测发动机的振动频率fe和悬置的振动频率fx。
在车速较高时，通过控制通过电磁线圈的电流方向及电流强度，适应性的增大发动机悬置的刚度，以提高发动机悬置的隔振性能。
其中，当时，电磁线圈通电，控制通过电磁线圈的电流方向使电磁线圈产生的磁场与环形永磁铁产生的磁场方向相同；并且控制通过电磁线圈的电流强度为：
其中，Ia为第一基准电流强度；fe为发动机的振动频率；fx为悬置振动频率；V为车辆行驶速度，V0为车辆行驶速度的基准值；m为整车重量，m0为整车重量的基准值。
在另一个实施例中，所述的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置的控制方法，还包括：在车速较低时，通过控制通过电磁线圈的电流方向及电流强度，适应性的减小发动机悬置的刚度，使发动机悬置获得更好的隔振性能。
当时，电磁线圈通电，控制通过电磁线圈的电流方向使电磁线圈产生的磁场与环形永磁铁产生的磁场方向相反；并且控制通过电磁线圈内的电流强度为：
其中，Ib为第二基准电流强度；fe为发动机的振动频率；fx为悬置振动频率；V为车辆行驶速度，V0为车辆行驶速度的基准值；m为整车重量，m0为整车重量的基准值。
作为进一步的优选，根据经验设定Ia＝Ib＝0.5A，V0＝45～60km/h；m0＝1800～2000kg。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置的控制方法，其特征在于，使用的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置，包括：
悬置壳体，其具有顶部开口；
惯性通道板，其为环形，并且设置在所述悬置壳体中，所述惯性通道板的外缘部与所述悬置壳体固定连接；
解耦膜，其设置在所述惯性通道板的中心处，并且所述解耦膜的外缘部嵌入式固定在所述惯性通道板中；
橡胶底膜，其外缘部沿周向固定连接在所述惯性通道板底部及所述壳体内壁之间；
橡胶主簧，其固定连接在所述顶部开口处，并且与所述悬置壳体以及所述橡胶底膜围合形成封闭空腔；
其中，所述惯性通道板和所述解耦膜将所述空腔分隔为第一腔室和第二腔室；
连接杆，其与所述橡胶主簧同轴硫化固定连接，并且所述连接杆的一端延伸至所述第一腔室内；
第一环形永磁铁，其设置在所述第一腔室内，并且同轴固定连接在所述连接杆上；
第二环形永磁铁，其设置在所述第二腔室内，并且固定连接在所述惯性通道板上；
其中，所述第一环形永磁铁与所述第二环形永磁铁同轴设置；
所述惯性通道板内部同轴开设有环形容纳腔，所述环形容纳腔内设置有电磁线圈；
所述控制方法包括：
当时，电磁线圈通电，控制通过电磁线圈的电流方向使电磁线圈产生的磁场与环形永磁铁产生的磁场方向相同；并且控制通过电磁线圈的电流强度为：
其中，Ia为第一基准电流强度；fe为发动机的振动频率；fx为悬置振动频率；V为车辆行驶速度，V0为车辆行驶速度的基准值；m为整车重量，m0为整车重量的基准值。
2.根据权利要求1所述的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
当时，电磁线圈通电，控制通过电磁线圈的电流方向使电磁线圈产生的磁场与环形永磁铁产生的磁场方向相反；并且控制通过电磁线圈内的电流强度为：
其中，Ib为第二基准电流强度；fe为发动机的振动频率；fx为悬置振动频率；V为车辆行驶速度，V0为车辆行驶速度的基准值；m为整车重量，m0为整车重量的基准值。
3.根据权利要求2所述的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置的控制方法，其特征在于，所述发动机悬置还包括：
两个磁流变弹性环，其分别嵌入式设置在所述壳体的内壁中，并且与所述惯性通道板同轴设置；所述两个磁流变弹性环分别位于所述惯性通道板的两侧。
4.根据权利要求3所述的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置的控制方法，其特征在于，所述惯性通道板的底面与所述磁流变弹性环之间安装有环形密封圈。
5.根据权利要求4所述的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置的控制方法，其特征在于，所述悬置壳体的底部开设有多个通气孔。
6.根据权利要求3、4或5所述的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置的控制方法，其特征在于，所述发动机悬置还包括：
扰流板，其设置在所述第一腔室内，并且同轴固定安装在所述连接杆上，其中，所述扰流板设置在所述第一环形永磁铁顶部。
7.根据权利要求6所述的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置的控制方法，其特征在于，所述扰流板包括：
基体部，其为圆盘状，并且具有中心通孔；以及
扰流部，其沿所述基体部的周向固定连接在所述基体部的外缘上，所述扰流部与所述基体部之间具有夹角；
其中，所述扰流部朝向所述基体部的底板设置；所述基体部通过所述中心通孔连接在所述连接杆上。
8.根据权利要求7所述的磁流变弹性体的半主动控制发动机悬置的控制方法，其特征在于，所述惯性通道板内具有环形的惯性通道，惯性通道壁为非光滑面。
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