电流变隔振器工作特性的理论分析

　　发动机是车辆的主要激振源之一。在发动机进行能量转化和输出的过程中,由于结构的不平衡和气体剧烈燃烧膨胀等原因会引发多种主频振动,这些振动对底盘、车身附件和周围环境都会造成恶劣的影响,因此发动机的隔振问题一直备受关注。

　　目前轿车上使用的多为液压隔振器,它集橡胶的弹性与液体的阻尼于一身,能有效削弱高频时系统的动态硬化程度,隔振效果较好。但其液体阻尼力主要取决于流道的形状和液体的性能,而目前应用的工作介质多为醇类或水等粘度值偏小且固定不变的液体,故在有效隔振的频率范围及隔振效果上仍有不完善之处。笔者考虑引进一种具有瞬态场变性能的电流变(ER)液体作为工作介质来制成阻尼可调的电流变隔振器,通过改变场强来实现对系统隔振特性的人为控制与调节。

　　1　电流变隔振器结构及工作原理

　　1.1　电流变隔振器的结构

　　在现有液压隔振器的基础上,重新设计隔板的结构,在阻尼孔的侧壁上贴加铜片并由导线与外界电源相接以引入电场。电流变隔振器的结构见图1。

　　橡胶外壳既包容上腔液体又兼起弹性支承作用,两腔内充满电流变液体并通过阻尼孔相互连通。橡胶底膜用来围堵下腔并靠其弹性为液体的回流产生促动力。

　　1.2　电流变隔振器的工作原理

　　通常评价隔振效果好坏的指标为力传递率TA、隔振效率I或运动响应系数TM等[1],因发动机隔振器的使用目的是隔离和削弱力的传递,所以本文以TA作为主要的评价指标。由隔振要求知,为有效衰减振动,隔振器应具有低频大阻尼高刚度、高频小阻尼低刚度的特性[2],这在普通液压隔振器中是不容易实现的,而电流变隔振器则可通过改变场强E来调节液体的粘度,适时主动地产生需要的液体阻尼力。如在发动机启动、怠速等低频大幅振动时施加电场,液体表观粘度ηb增加,“阻塞”阻尼孔,“节流”增阻,可显著降低力传递率TA,并且此时系统的动刚度增加,能使结构的位移响应减小,起到耗能降幅的作用。在发动机正常运转后,适当削弱(或撤消)电场,使通流能力加强,减小阻尼以利于降低TA。由于液体阻尼可实现无级的控制调节,因此,电流变隔振器不仅能削减激振力,而且能改变系统的固有频率以避免共振现象的发生,拓宽有效隔振的频率范围。

　　2　电流变隔振器的模型建立与性能曲线模拟

　　为模型建立和理论分析的需要,先作如下假设:发动机质量分布均匀,不会引发对隔振器系统的侧偏力矩;隔振器的质量相对于发动机而言很小,可以忽略;车架是绝对刚性的,没有位移和变形;系统只有垂直方向一个自由度,只有垂直方向上的响应位移;电流变液体不可压缩。所建电流变隔振器的机械杠杆模型见图2a(所谓的“一个半自由度模型”)[3]。因本文重点是探讨电场对阻尼孔内液体的性能及系统的隔振性能的影响,所以分析中忽略一些次要因素,如Cr、KB、m等,最终得到一个单自由度的粘弹性阻尼系统,见图2b。图中,F(t)为外激振力;M、m为发动机及阻尼孔内液体的质量;K为橡胶外壳的刚度系数;KT、KB为上下腔液体的体积刚度,KT=NK,N为刚度比;X(t)为发动机的振动位移;X1(t)、X0(t)为上腔液体及阻尼孔内液体的位移;At、AP为阻尼孔、上腔的有效泵液面积;Cr为橡胶外壳的阻尼系数;C0为阻尼孔处的液体阻尼系数;C为等效的液体阻尼,C=R2C0,R为面积比,R=Ap/At。