Влияние управляющего напряжения на эксплуатационные характеристики магнитореологического демпфера автомобиля

Учитывая все более масштабное применение магнитных жидкостей в различных отраслях промышленности, можно с уверенностью констатировать, что в ближайшем будущем магнитореологические демпферы будут широко использоваться в автомобильных подвесках адаптивного класса ввиду их эксплуатационной универсальности и несложного алгоритма управления энергией рассеивания при изменении свойств магнитной жидкости в зависимости от параметров электромагнитного поля. Эффективность гашения колебаний в процессе движения достигается за счет регулирования гидравлического сопротивления «магнитного» амортизатора посредством подачи напряжения на обмотки его катушки. Помимо физических свойств используемого в «магнитном» амортизаторе масла, на вязкость рабочей магнитореологической жидкости большое влияние оказывает форма управляющего сигнала. В статье рассматриваются теоретические аспекты построения математической модели магнитореологического демпфера и приводятся результаты компьютерного эксперимента по оценке эффективности его использования в составе адаптивной подвески легкового автомобиля. При этом фактические параметры «магнитного» амортизатора, используемые при моделировании динамического процесса, определялись экспериментально на испытательном стенде, а адекватность разработанной математической модели подтверждена результатами полунатурного эксперимента. С помощью верефицированной модели получены и сопоставлены характеристики магнитореологических демпферов при различных формах управляющего сигнала, включая прямоугольные импульсы напряжения различной частоты и коэффициента заполнения, синусоидальные импульсы и сигналы постоянного напряжения. Анализ эффективности гашения колебаний проводился на базе разработанной «четвертной» модели полуактивной подвески автомобиля с интегрированной в ее структуру верифицированной субмоделью магнитореологического демпфера. Причем сценарии моделирования основывались на выбранной стратегии управления напряжением, подаваемым на обмотки «магнитного» амортизатора. Как показали результаты теоретических и экспериментальных исследований с точек зрения энергопотребления, расширения рабочей области демпфирующей характеристики и достижения плавности управления демпфирующей силой, наиболее эффективным является использование в цепи управления синусоидального импульсного сигнала напряжения, обеспечивающего уменьшение как амплитуды, так и времени гашения колебаний. Однако при проектировании и изготовлении контроллера создание импульсного модулятора, генерирующего синусоидальные импульсы, совпадающие по фазе и частоте с колебаниями кузова автомобиля, весьма затруднительно ввиду случайного характера внешних возмущений от дорожного покрытия. При подаче на обмотку магнитореологического демпфера сигнала постоянного напряжения демпфирующие свойства подвески также улучшаются по сравнению с базовой конструкцией на основе традиционного гидравлического амортизатора. Причем прослеживается пропорциональная зависимость между вольтажом питающего демпфер напряжения, амплитудой и временем затухания колебаний кузова автомобиля. Увеличение напряжения управляющего сигнала с 1 до 2 В приводит по сравнению с пассивным управлением магнитным амортизатором к снижению максимальной амплитуды колебаний кузова автомобиля соответственно на 6,25 и 11,25 % и уменьшению времени гашения колебаний на 0,72 и 1,41 с.

1. Hoang Quang Tuan, Trinh Minh Hoang (2023) Simu-lation-Based Investigation of the Effects of Major Para-meters on Magnetorheological Brake Torque. Journal of Southwest Jiaotong University 58 (3), 244–251. https://doi.org/10.35741/issn.0258-2724.58.3.21.

2. Hoang Q. T., Trinh M. H., Nguyen N. A., Tran T. T. Determination of Magnetorheological Brake Characteristics by Experiment on the Test Rig. Proceedings of the 3rd Annual International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development (MMMS2022). Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer. Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-31824-5_47.

3. Song W.-L., Li D.-H., Tao Y., Wang N., Xiu S.-C. (2017) Simulation and Experimentation of a Magnetorheological Brake with Adjustable Gap. Journal of Intelligent Mate-rial Systems and Structures. 28 (12), 1614–1626. https://doi.org/10.1177/1045389X16679022.

4. Agyeman P. K., Tan G., Alex F. J., Peng D., Valiev J., Tang J. (2021) The Study on Thermal Management of Magnetorheological Fluid Retarder with Thermoelectric Cooling Module. Case Studies in Thermal Engineering, 28, 101686. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.101686.

5. Bashtovoi V., Reks A., Motsar A. (2017) Energy Dissi-pation in A Finite Volume of Magnetic Fluid. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 431, 245–248. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.08.025.

6. Bashtovoi V., Reks A., Motsar A., Vikulenkov A. V., Klishev O. P., Markachev N. A., Sel'kov D. A., Tikho-nov V. A., Uspenskii E. S. (2014) Magnetic Fluid Dyna-mic Vibration Damper. Patent BY 18250 (in Russian).

7. Lord Corporation Engineering note (1999) Designing with MR Fluids. Lord Corporation Engineering note, Thomas Lord Research Center, Cary, NC, December 1999.

8. Yuan X., Tian T., Ling H., Qiu T., He H. (2019) A Review on Structural Development of Magnetorheological Fluid Damper. Shock and Vibration, 2019, 1498962. https://doi. org/10.1155/2019/1498962.

9. Spencer B. F., Dyke S. J., Sain M. K., Carlson J. D. (1997) Phenomenological Model for Magnetorheological Dampers. Journal of Engineering Mechanics, 123 (3), 230–238. https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9399(1997) 123:3(230).

10. Schurter K. C., Roschke P.N. (2000) Fuzzy Modelling of a Magnetorheological Damper Using ANFIS. IEEE International Conference on Fuzzy Systems. San Antonio, Texas, USA, 122–127. https://doi.org/10.1109/fuzzy.2000. 838645.

11. Butz T., von Stryk O. (1999) Modelling and Simulation of Rheological Fluid Devices. Preprint SFB-438-9911. Technische Universität München, Germany.

12. Şahin İ., Engin T., Çeşmeci Ş. (2010). Comparison of Some Existing Parametric Models for Magnetorheological Fluid Dampers. Smart Materials and Structures, 19 (3), 035012. https://doi.org/10.1088/0964-1726/19/3/035012.

13. Fujitani H., Sakae H., Kawasak, R., Fujii H., Hiwatashi T., Saito T. (2008). Verification of Real-Time Hybrid Tests of Response Control of Base Isolation System by MR Damper Comparing Shaking Table Tests. Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems 2008, 6932, 264–272. https://doi.org/ 10.1117/12.791079.

14. Kciuk M., Kurc A., Szewczenko J. (2010). Structure and Corrosion Resistance of Aluminium AlMg2. 5; AlMg5Mn and AlZn5Mg1 alloys. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 41 (1/2), 74–81.

15. Coulter J. P., Weiss K. D., Carlson J. D. (1993) Engineering Applications of Electrorheological Materials. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 4 (2), 248–259. https://doi.org/10.1177/1045389x9300400215.

16. Eshkabilov S. L. (2017) Modeling and Simulation of Non-Linear and Hysteresis Behavior of Magneto-Rheological Dampers in the Example of Quarter-Car Model. International Journal of Theoretical and Applied Mathematics, 2 (2), 170–189. https://doi.org/10.11648/j.ijtam.20160 202.32.

17. Aguirre Carvajal N., Ikhouane F., Rodellar Benedé J., Wagg D., Neild S. (2010) Viscous + Dahl Model for MR Dmper Characterization: A Real-Time Hybrid Test (RTHT) Validation. 14th European Conference on Earthquake Engineering 2010. Ohrid, Republic of Macedonia, 30 August-3 September 2010. Available at: https://eprints.whiterose.ac.uk/96083/1/14ECEE_Naile%20Aguirre_1023.pdf.

18. Agrawal A., Kulkarni P., Vieira S. L., Naganathan N. G. (2001) An Overview of Magnetoand Electro-Rheological Fluids and Their Applications in Fluid Power Systems. International Journal of Fluid Power, 2, 5–36. https://doi.org/10.1080/14399776.2001.10781106.

19. Rabinow J. (1948) The Magnetic Fluid Clutch. Trans-actions of the American Institute of Electrical Engineers, 67 (2), 1308–1315. https://doi.org/10.1109/t-aiee.1948. 5059821.

20. Butz T. (1999) Parameter Identification in Vehicle Dynamics. Diploma Thesis, Zentrum Mathematik, Technische Universität München.