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机械科学技术日志
液压气动悬挂系统中温度补偿的磁流变蓄能器的应用
Jeong-Uk Seo, Young-Won Yun and Myeong-Kwan Park
韩国釜山金井区长田洞釜山国立大学机械工程学院
（初稿于2010年12月16日;修订于2011年3月24日;发表于2011年3月24日）
摘要：液压气动悬架系统由两种流体相互作用组成，通常是油体和气体。在这些系统中，可压缩气体（如氮气）用作弹性介质，而液压流体用于将压力转换为力。与液压气动系统相关的一个问题是温度变化对弹簧特性的影响，这会导致弹簧刚度和行驶高度的变化。充满气体或空气的气室的重要特性是保持设定压力，即使对于长冲程，变化也非常小。本文介绍了一种磁流变（MR）蓄能器，它可以通过使用MR设备来调节气室的压力。为了分析气室的特性，基于封闭容器中气体的能量方程进行数学建模。此外，MR设备的原型被设计和制造，并且其性能被评估。理论结果通过在实验室环境中进行实验来验证。已经证明，MR蓄能器可以有效地补偿由气体温度升高引起的压力变化。此外，这项研究提供了关于MR蓄电池在使用传统蓄电池的设备上的适用性的新信息。
关键词：蓄电池; 磁流变液; 悬挂系统; 温度补偿。
正文：
1.简介
磁流变（MR）流体是一类特殊的流变流体，其屈服应力随所施加的磁场而变化。流体由沉浸在载体流体如硅油或水中的微米级可铁磁化铁粒子的悬浮液组成。在施加的磁场下，最显着的变化与其流变性质如粘度和剪切模量有关。许多研究人员致力于开发不同的MR流体和MR流体模型[1,2]。这些流体的应用领域包括减震器，吸收器，车辆座椅悬架，离合器和MR制动器。已经开展了许多关于MR流体在各种工程领域的应用的研究[3,4]。
蓄能器是用于减震器和液压系统的辅助设备。液体在压力作用下,体积的变化(在温度不变的情况下)非常的微小,所以如果没有动力源(也就是高压液体的补充),液体的压力会迅速降低.
而气体的弹性则要大得多,因为气体是可压缩的,在有较大的体积变化情况下,气体仍然有可能保持相对高的压力.因此,蓄能器在进行液压系统的液压油补充时,液体的体积已经变化的情况下,高压的气体可以继续维持液压油的压力,而不至于由于液压油的补充,容器内的液压油体积变小,导致液压油的迅速失压.
在阻尼器中，蓄能器用于两个目的：第一个是当活塞杆插入圆柱形壳体时为液压流体提供容积，第二个是提供压力以防止活塞组件的低压侧上的压力引起液压流体中的气蚀。压力补偿通过确保活塞低压侧的压力不降低到低于液压流体的蒸汽压力来消除气蚀现象。其重要功能之一是保持初始压力实际上恒定，即使对于长行程也具有非常小的变化。但是，蓄电池内部的气体压力随温度而变化。温度的变化改变了阻尼力，从而改变了阻尼器的性能。
蓄能器的作用：存贮能量。蓄能器被广泛利用为辅助能源，对于在蓄能器。内充分存贮必需液量，间歇工作的场合，瞬间对负荷排出大于泵流量的流体。因此有可能使泵等装置小型化及节省能源。吸收脉动。无论在什么场合下，由泵排出的压力流体都有脉动。由于脉动、对噪声、振动、工作安定性产生影响。使用蓄能器可衰减脉动。吸收冲击。在液压回路中，由于急速闭合而发生载荷变。在管路中发生冲击压力，成为管道等部件破损与噪声的原因。设置蓄能器可缓和冲击。热膨胀补偿。在闭式回路中，由于温度变化而使液体的体积变化，内部压力上升、降低，安装蓄能器，可使压力的变动减少。泄漏补偿。在压力控制回路和压力保持作业中，为补偿内部泄漏、外部泄漏而引起的压力降低，保持恒定压力而使用蓄能器。
吸收振动。蓄能器的气体起弹簧的作用可衰减汽车等车辆的冲击与振动。平衡作用。蓄能器可利用作为平衡器，用蓄能器的气体压力平衡地平衡产品、机械的重量与冲击。隔绝输送罐
。在液压回路中使用的隔绝输送罐型蓄能器可用来输送类别不同的液体或混入的气体。
本研究旨在开发具有温度补偿功能的新型MR积分器。设计和制造了一种用于温度补偿的MR装置和传统的被动式油阻尼器的组合阻尼器。气室中的压力差可以通过提供足以根据气室中的温度变化补偿压力差的附加力来调节。在这项研究中，采用MR装置来提供额外的力，并将其安装到气室中的浮动活塞上。
2.温度变化的影响
车辆中使用的阻尼器受温度变化的影响，变化范围从-30°C到70°C[5]。当温度升高时，气室内的压力增加，这反过来又增加了阻尼力。 另一方面，当温度降低时，气室内的压力下降，因此阻尼力偏离期望值。 进行了实验测试，以确定温度对本研究中使用的阻尼器的阻尼力的影响; 这在图1中示出。气室中的预充压力为0.6MPa。
据观察，阻尼力随着温度而变化，即从高限约12％到低限10％。 在某些情况下，温度变化通过引起气压变化影响阻尼器的性能，进而影响最大回弹阻尼力。
图1.不同温度下的力与位移的关系图
3.磁流变蓄能器
由于温度变化影响阻尼器的性能，所以用于补偿压力随温度变化的装置被安装到传统的蓄能器上。 图2显示了推导中使用的示意图和变量。 MR设备的轴固定在浮动活塞上，外壳固定不动。 与气体储存器侧面串联安装的MR装置包括线轴和磁通返回元件，磁通返回元件形成MR流体流过的环形空间。 线轴的核心是用绝缘线缠绕。 当通过线圈周围的线圈施加输入电流时，在线圈架和磁通返回器之间的间隙中产生磁场。 磁场增加了线圈架和磁通返回之间存在的MR流体的屈服应力。 通过改变装置的屈服应力，间隙中的流体流动阻力通过产生活塞流而产生阻尼力。
图2.磁流变蓄能器的示意图和自由体图
图3.MR设备的力 - 位移图
制造的MR装置的性能通过实验评估。鉴于轴的运动，反作用力Fmr通过实验测量。 施加到器件的电流从0增加到1.0 A.图3显示了从实验值获得的强化位移曲线。 可以看出，MR装置产生的力随着磁场的强度而变化。图中的变形是由MR在MR侵入期间溶解在MR中或夹带在壳体中的结果引起的。
常规阻尼器被分成三个压力室：压缩室，回弹室和气室。 在也被称为蓄能器的气室中，使用诸如氮的可压缩气体作为弹性介质; 气室通过浮动活塞与压缩室分开。 在压缩室和回弹室中，使用液压流体将压力转化为力。 气室考虑到活塞杆插入引起的体积变化。 在以下假设下推导出储能器力与浮动活塞位移之间的关系。
（1）浮动活塞与气缸壁之间的密封摩擦可忽略不计。
（2）初始温度和最终温度相同。
（3）氮气表现为理想气体。
（4）氮在多变指数n = 1下经历多变膨胀和压缩过程。
根据上述假设，气室内的压力可以用下式表示
其中Pg是任何时候的气体压力和浮动活塞位移的函数。 Pgo是初始预充压力，Afloat（这里df = 0.027m）是浮动活塞的面积，Arod（其中drod = 0.0127m）是活塞杆的面积，L（= 0.026m）是蓄电池的腔室长度。
图4.减震器活塞与浮动活塞的位移关系
通过将蓄能器中的压力乘以浮动活塞的面积，由气室产生的力为
浮动活塞的位移可以由减振器活塞估算。 通过假设流体是不可压缩的，xf的值将由xp确定。 为了评估这种假设的合理性，使用激光位移传感器进行两个活塞位移之间关系的测试，结果如图4所示。这个差异在 实验结果是由于流体是可压缩的并且包含少量空气作为气泡而受到训练，这可以增加高速和低速区域中的压缩性并引起滞后现象。 尽管结果之间的差异很小，但上述假设相对合理，因此应选择适当的比例增益。
因此，由MR蓄能器引起的压缩室内的压力的等式可以重新排列为
其中活塞组件的质量mp是直接测量的。方程右边的第一项比第二项小得多; 这有效地表明压缩室中的压力取决于气室压力和第三项，这与MR力除以浮动活塞的面积有关。
图5.实验装置
4.实验结果
为了验证预测结果，设计并制造了一个带有MR蓄能器的实验阻尼器，如图5所示。为了比较传统阻尼器和具有补偿的阻尼器在温度变化下的阻尼力，原型减振器是通过组合传统减震器和带有补偿的减震器来组装的。通过使用原型获得的实验结果证实了所提出的阻尼器比传统阻尼器更有效。制造和安装激励系统以获得实验结果。该系统能够提供范围从信号频率波形到阶跃和斜坡输入的输入。硬件包括兼容的个人计算机（Pentium; 1 GHz），它向混合风门提供输入信号，并控制伺服阀和MR累加器;前者通过I / O卡进行控制，后者通过提供电流的当前驱动器进行控制。为了获得力 - 位移图，使用了一个称重传感器和一个线性可变差动变压器（LVDT），并且这两个部件的数据被计算机收集和记录。计算机代码在MATLAB环境中编程。
阻尼器在每个测试的终点开始，并向其提供0.5Hz频率和50mm振幅的三角形激励。 为了避免气体室与周围环境之间的热传递，在各个测试之间给予阻尼器以冷却时间。 每个测试中气室中的预充压力为0.3MPa。 图3确定了根据温度变化补偿压差所需的力。
在图6中，将从传统的油阻尼器（即没有MR蓄能器的阻尼器）获得的力 - 位移曲线与从具有温度补偿的阻尼器在0℃获得的比较曲线进行比较。可以看出，曲线具有不同的斜率，也就是说，使用MR蓄能器进行温度补偿的阻尼器的曲线比传统的阻尼器斜，因为在前者中，MR装置提供了额外的力。
图6.电流为1A时的力与位移关系曲线
图7.电流为0.4A时的力与位移关系曲线
图8.电流为0A时的力与位移关系曲线
在图7中，将从传统油阻尼器获得的曲线与20℃时由MR蓄电池阻尼器获得的曲线进行比较。 MR蓄压器的油阻尼器和阻尼器的预充气压力分别为0.6 MPa和0.3 MPa。 为了补偿这种压力差，向MR蓄电池提供0.4A的恒定电流。观察到，除了从两个阻尼器获得的曲线的不同倾斜度之外，具有MR蓄电池的阻尼器的阻尼力是 类似于传统的油阻尼器。
在图8中，将从传统油阻尼器获得的曲线与在40℃下用MR蓄电池阻尼器获得的曲线进行比较。 除了从两个阻尼器获得的曲线不同外，MR累加器的阻尼器的阻尼力是低于传统的油阻尼器的。
5.结论
与传统油阻尼器相比，带有MR蓄能器用于温度补偿的阻尼器具有一些优点和缺点。
优点
（1）气室内的压力可以调节。
（2）补偿温度变化的影响。
（3）可以控制阻尼力;这很重要，因为气压的变化会影响阻尼力。
缺点
（1）费用较高，因为它有更多的组成部分。
（2）为了解释体积的变化，蓄能器的尺寸应该很大。
（3）功耗更高。
在实验结果的基础上，可以得出这样的结论：MR蓄电池比常规蓄电池在根据气室温度变化补偿压差方面更有效，尽管它比较昂贵并且大于一个传统的累积器。本研究中的结果仍然是混合阻尼器开发的初步结果。将进行进一步的研究工作，以开发用于实际应用的混合阻尼器。
特别鸣谢
这项工作（研究）由知识经济部（MKE）和韩国技术进步研究院（KIAT）通过战略技术劳动力发展计划获得财政支持。
参考文献：
[1]M. R. Jolly, J. W. Bender and J. D. Carlson, Properties and applications of commercial magnetorheological fluids, SPIE 5th Annual Int. Symposium on Smart Structures and Materi- als, San Diego, CA, March, 15 (1998).
[2]G. Yang, B. F. Spencer Jr, J. D. Carlson and M. K. Sain, Large-scale MR fluid dampers: modeling and dynamic per- formance considerations, Engineering Structures, 24 (2002).
[3]K. Yi and B. S. Song, A new adaptive sky-hook control of vehicle semi-active suspensions, Proc. of the I MECH E Part D J. Automob. Eng., 213 (3) (1999) 293-303.
[4]
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