汽车振动学基础及应用课件：汽车振动的半主动控制技术 -

汽车振动学基础及应用汽车振动的半主动控制技术

9.1半主动控制技术概述9.2半主动的控制策略9.3阻尼可调式阻尼器9.4半主动悬架的性能

9.1半主动控制技术概述9.1.1半主动悬架的提出

半主动悬架的出现比主动悬架晚的多，主动悬架早在1956年就由Federspiel-Labross发明并应用与雪铁龙20V型轿车上，而半主动悬架的概念直到1973年才被美国加州大学戴维斯分校的学者D.A.Crosby和D.C.Karnopp提出。半主动悬架是指悬架的刚度或阻尼可以根据路面激励与行驶状态的变化而变化的一种自适应悬架，属于无源控制系统，几乎不消耗车辆的动力。相对于主动悬架系统，该系统的提出和研究工作相对较晚。该技术的发展主要有两个方向：一是改变悬架的刚度特性；二是改变悬架的阻尼特性。9.1半主动控制技术概述9.1.2半主动悬架的分类半主动悬架按照减振器阻尼力的可控级次可分为有级式和无级式两种类型。半主动悬架按照减振器阻尼力的控制调节方式可分为两种：调节节流孔孔径式和调节阻尼液式。调节节流孔孔径式半主动悬架是将悬架系统中的阻尼分为两级、三级或更多级，可由驾驶员选择或根据传感器信号自动进行选择悬架所需要的阻尼级，也就是可以根据路面条件和汽车的行驶状态等因素调节悬架的阻尼级。调节阻尼液的粘性，是使用粘性连续可调的阻尼液材料。

9.1半主动控制技术概述9.1.3半主动悬架系统的控制原理汽车半主动悬架系统通常是以车身振动加速度为控制目标，以阻尼为控制量，其控制原理如图9.1所示。图9.1左侧为简化的半主动悬架系统的二自由度模型。

图9.1半主动悬架系统控制原理图根据牛顿第二定律，列写该系统的动力学微分方程：9.1半主动控制技术概述9.1.4半主动悬架应用半主动悬挂的最有名的例子是大众的进口高尔夫GTI，此外还有一汽大众的CC、东风本田的运动型轿车思铂睿等车型。自从2002年美国德尔福公司的MagneRide磁流变减振器应用在CadillacSevilleSTS高档车上后，其每年都在不同的车型上安装，如2003年的ChevroletCorvette(C6)，2004年的CadillacSTS，2005年的BuickLucerne，2006年的Ferrari599GTB，2007年的AcuraMDX等。其后，美国通用汽车在2008年底特律车展发表的“凯迪拉克”品牌高性能轿车“CTS-V”上也采用了德尔福制造的“MagneticRideControl(MRC)”。MRC除被通用采用外，德国奥迪也将其配置在了“TT酷派”上。9.2半主动的控制策略9.2.1天棚阻尼控制策略天棚阻尼控制策略的理想模型如图9-2(a)所示，它设想将减振器装在簧载质量()与虚拟的惯性空间(Sky)之间，理想的天棚阻尼力为

由天棚减振器控制原理可知，当可调减振器产生的阻尼力(图9.2(b))满足条件时，可调减振器具有最佳的效果。

9.2半主动的控制策略(a)理想天棚方式(b)实际控制方式图9.2天棚阻尼控制模型9.2半主动的控制策略9.2.2开关阻尼控制策略开关阻尼控制的基本思想是：阻尼器的阻尼力为阻尼系数与簧载质量和非簧载质量的相对速度的乘积，该阻尼力与簧载质量的速度的乘积表示能量，若能量为正，即时，则表示减振器从悬架系统吸收能量，从而可以起到减振的效果；反之若能量为负，即时，则表示减振器要向悬架系统提供能量，这反而会是系统的振动增加，此时应使阻尼力为0。

9.2半主动的控制策略Krasnicki对这种开关控制策略进行了简化，控制策略可以有下式表示：

其中为开关减振器在打开状态时的阻尼系数，而在现实中，当减振器处于关门状态时，减振器的阻尼系数不可能为零。因此，减振器的阻尼系数应该在一个最大值和最小值之间转换，因此得到下列的控制算法：

其中与分别为开关减振器的最大和最小的阻尼系数，同时也是减振器处于开或关状态时的阻尼系数，即on或off状态时的阻尼系数，因此上式也可以表述为：

9.2半主动的控制策略Rakheja和Sankar提出了下面的开关控制策略：

此控制策略的基本思想为，当阻尼力使簧载质量加速时，减振器便处于关的状态，当阻尼力使簧载质量减速时，减振器便处于开的状态。

Alanoly和Sankar提出了一种连续控制策略，这种控制策略可以看作是前面所述控制策略更近一步的发展。在这种控制策略中，减振器的阻尼系数是连续可变的，且取决于簧载质量与非簧载质量的相对位移和相对速度。这种控制策略为：

9.3阻尼可调式阻尼器

9.3.1电流变液减振器1.电流变技术简介电流变技术是指电流变效应或电流变现象成功地应用于工程实践的一项技术或一门科学。它所设计的内容包括电流变效应的机理，电流变液体材料及效应的工程应用。

电流变液在外加电场的作用下能够产生明显的电流变效应（图9.3），电流变效应是电流变技术的理论基础，是指某种特殊液体，在电场作用或控制下，表征液体流动属性的粘度，在一定的剪切速率下，可发生明显变化的现象，而且这种变化时可逆的，连续无级的和可以控制的。

9.3阻尼可调式阻尼器图9.3无电场及有电场状态下的电流变效应9.3阻尼可调式阻尼器2.电流变减振器的结构目前最常用的电流变液体减振器包括固定电极和滑动电极式结构。图9.4所示的结构为电极固定、环形间隙通道置于减振器内部的电流变液体减振器。

图9.4环形间隙通道内置的电流变减振器9.3阻尼可调式阻尼器图9.5所示的为圆环形流道内置、但作为电极之一(也是流道组成的一部分)是滑动的电流变液体减振器。图9.5滑动电极的电流变减振器9.3阻尼可调式阻尼器3.筒式电流变减振器的性能图9.6所示的筒式电流变减振器包括内筒、中筒、外筒，上、下端盖，活塞和活塞杆。.图9.6筒式电流变减振器的结构示意图9.3阻尼可调式阻尼器表9.1示出了不同电场强度下减振器的最大阻尼力。

9.3阻尼可调式阻尼器图9.7示出了不同电场强度下减振器的阻尼力随位移及速度的变化关系。

9.3阻尼可调式阻尼器9.3.2磁流变阻尼器用磁流变液制成的磁流变阻尼器是一种性能优良的半主动控制装置，其结构简单、响应快、动态范围大、耐久性好，即使在控制系统失效的情况下仍可以充当被动控制器件，具有很强的可靠性。磁流变阻尼控制作为一种半主动控制系统既具有被动系统的可靠性，又具有主动控制系统的强适应性，通过一定的控制律可以达到与主动控制十分接近的效果，是一种具有较好工程应用前景的控制技术。9.3阻尼可调式阻尼器1.磁流变液概述磁流体是一种人工开发的机能性流体。它一般是由基础溶液和分布在其中的高透磁率的粒子所组成。这种流体在常态下与一般的机油相似，但在外部磁场的作用下，其中的粒子被磁化，沿磁场方向形成锁状的链。用光学显微镜观察到的锁状链见图9.8。

(a)0mT(b)10mT(c)15mT(d)20mT图9.8磁流体锁状链的形成9.3阻尼可调式阻尼器2.磁流变液的组成、性能及影响因素（1）磁流变液的组成成分

磁流变液的主要组成成分为磁性颗粒、母液以及为了防止磁性颗粒沉降而添加的在总组分中所占比例很少的添加剂。（2）磁流变液的分类根据组成和性能的不同，可将磁流变液分为如下四种类型：①微米磁性颗粒-非磁性母液型磁流变液②纳米磁性颗粒-非磁性母液型磁流变液③非磁性颗粒-磁性母液型磁流变液④磁性颗粒-磁性母液型磁流变液9.3阻尼可调式阻尼器（3）磁流变液的性能及影响因素

磁流变液应该满足下列性能特征：沉淀稳定性好、易于再分散、剪切屈服强度高、零场粘度低、响应时间快、工作温度范围宽。

①沉降稳定性和再分散性②磁特性③剪切屈服强度④粘度9.3阻尼可调式阻尼器（4）磁流变液与电流变液的比较

磁流变液与电流变液的性能参数可以从表9.2了解，通过比较两者的数据可以看出磁流变液是明显要优于电流变液。密度/(g/性能磁流变液电流变液最大屈服应力50~100kPa2~5kPa最大强度250kA/m4kA/m表观粘度0.1~1.0Pa·s0.1~1.0Pa·s适用温度-40~150℃10~90℃杂质敏感性不受大多数杂质影响对杂质敏感反应时间毫秒级毫秒级)3~41~2耗电功率2~25V(2~50W)2~5Kv(2~50W)9.3阻尼可调式阻尼器3．磁流体减振器结构与性能典型的磁流体减振器的结构原理见图9.9减振器的缸体内由活塞,磁流体及气室组成。

图9.9磁流体减振器的结构原理图9.3阻尼可调式阻尼器图9.10为激振频率4Hz,减振器的单边振幅为3.7mm及9.1mm，四种不同电压时，减振器的阻尼力的时间波形。

(a)单边振幅为3.7mm(b)单边振幅为9.1mm图9.10阻尼力的时间波形9.3阻尼可调式阻尼器图9.11为一周期内阻尼力与减振器速度的关系特性。

(a)单边振幅为3.7mm(b)单边振幅为9.1mm图9.11阻尼力与速度的关系特性9.3阻尼可调式阻尼器图9.12为一周期内阻尼力与减振器位移的关系特性。

(a)单边振幅为3.7mm(b)单边振幅为9.1mm图9.12阻尼力与位移的关系特性9.3阻尼可调式阻尼器图9.13为一定的减振器速度下（50mm/s,100mm/s,150mm/s,200mm/s）,减振器阻尼力与电压的关系曲线。图9.13阻尼力与电压的关系曲线9.3阻尼可调式阻尼器4．磁流变阻尼器的动力学模型（1）Bingham模型磁流变阻尼器的阻尼力为：

图9.14Bingham模型9.3阻尼可调式阻尼器（2）Bingham粘弹塑性模型Gsmoto和Filisko在Bingham模型的基础上，提出了参数化的粘弹塑性模型。它是由在Bingham粘弹性模型的基础上串联一个标准形式的线性固体组成。其控制方程为：当时当时式中，为与Bingham模型相关的阻尼系数；，和与线性固体材料有关，当时，=0。9.3阻尼可调式阻尼器图9.15Bingham粘弹塑性模型9.3阻尼可调式阻尼器（3）修正的Bingham模型它由Bingham单元（库仑摩擦单元和粘滞单元并联）与弹簧单元串联组成，该弹簧单元可以认为是考虑蓄能器刚度和磁流变液屈服前区剪切模量影响在内的阻尼器等效轴向刚度。其控制方程为：图9.16修正的Bingham模型9.3阻尼可调式阻尼器（4）Bouc-Wen模型Bouc-Wen模型由于其数字上易于处理，所以应用相当广泛。其控制方程为：图9.17Bouc-Wen模型9.3阻尼可调式阻尼器（5）修正Bouc-Wen模型图9.18修正的Bouc-Wen模型9.3阻尼可调式阻尼器修正模型的缺陷主要表现在模型参数过多，而且控制量被包裹在微分方程组内，很难对控制量求逆。其力－位移关系为9.4半主动悬架的性能9.4.1