陳澤強，朱 煒，芮筱亭，杜偉軍，陳剛利

（南京理工大學 發(fā)射動力學研究所，南京 210094）

基于磁流變彈性體的坦克發(fā)動機減振研究

陳澤強，朱 煒，芮筱亭，杜偉軍，陳剛利

（南京理工大學 發(fā)射動力學研究所，南京 210094）

發(fā)動機懸置系統(tǒng)的動靜態(tài)特性是影響坦克車輛的機動性和人員舒適性的重要因素之一。由于發(fā)動機振動頻率隨著工況的改變而發(fā)生改變，利用磁流變彈性體的剛度可控特性，采用避開車身振動頻率的方式，提高懸置系統(tǒng)隔振效果。基于建立的發(fā)動機兩自由度動力學模型，獲得避開機身共振頻率所需磁流變彈性體懸置系統(tǒng)的剛度變化范圍。設(shè)計了一種新型的壓縮式磁流變彈性體隔振器，用有限元法對隔振器的磁路進行設(shè)計和分析，并采用萬能材料試驗機對該隔振器進行了測試。試驗結(jié)果表明，通過改變外加電流大小，該隔振器滿足了坦克發(fā)動機懸置的剛度變化范圍。

振動與波；發(fā)動機懸置；磁流變彈性體；磁路設(shè)計；隔振器；仿真

發(fā)動機是坦克系統(tǒng)的主要振源，減少發(fā)動機振動向機身的傳遞不僅能夠保護坦克的各種精密零件提高發(fā)射精確度，而且能夠提高乘坐舒適性，提高戰(zhàn)斗人員的戰(zhàn)斗力。理想的發(fā)動機懸置，為衰減因路面和發(fā)動機怠速燃氣壓力不均勻引起的低頻大幅振動，應具有低頻高剛度、大阻尼特性；為降低車內(nèi)噪聲，提高操縱穩(wěn)定性，應具有高頻小剛度、小阻尼特性[1]?？陀^上要求發(fā)動機懸置系統(tǒng)具有頻變和幅變特性。目前，我國的發(fā)動機1 m噪聲水平與國外同類產(chǎn)品有不小的差距，柴油機一般在100 dB(A)以上，發(fā)動機的噪聲水平整體偏高[2]。研究表明，橡膠懸置在低頻段隔振效果較好，但在高頻時會出現(xiàn)動態(tài)硬化導致其動剛度顯著增大[3]，不能滿足高頻隔振降噪要求。相比于近年研究的液壓懸置，橡膠懸置有更好的可靠性，結(jié)構(gòu)可改性，維護性，且有成本優(yōu)勢。實行對橡膠懸置的改進是提高發(fā)動機輸出效率和減振效果的一種有效方法。

磁流變彈性體(Magnetorheological Elastomer, MRE)是一種新型的智能材料，在外加磁場的作用下，其力學、電學、磁學性能將會發(fā)生改變，并且這種變化是可控的、可逆的，且響應速度快。因此，磁流變彈性體在近年引起了普遍的關(guān)注，在工程應用方面有著巨大的潛力。Yancheng Li等對近年的磁流變彈性體設(shè)備作了一個詳細的綜述[4]。Faramarz使用硅橡膠制備不同厚度的磁流變彈性體樣品，并分別研究了其壓縮模式及剪切模式的磁致可控性，結(jié)果表明壓縮模式下的磁流變彈性體的磁致可控性要比剪切模式的好[5]。李銳等將磁流變技術(shù)應用于汽車發(fā)動機隔振控制，在建立系統(tǒng)三自由度模型基礎(chǔ)上，驗證了彈性體與磁流變液組成的并聯(lián)懸置系統(tǒng)在較寬頻范圍把力和力矩的絕對傳遞率降低約30%以內(nèi)，可提高乘坐舒適性[6]。李季等利用磁流變彈性體剛度阻尼可控的特性，設(shè)計了一種新型的隔振器，通過試驗表明該隔振器通過改變外加電流的大小可以達到移頻減振的目的[7]。胡宗成設(shè)計了一種艦用新型磁流變彈性體隔振器，通過有限元對其靜、動態(tài)力學性能進行分析，并對隔振器進行動態(tài)性能試驗，證實了結(jié)構(gòu)的合理性[8]。

坦克車輛為了克服各種復雜的路況，發(fā)動機需要非常大的沖程來提供大的輸出扭矩，因而坦克發(fā)動機的轉(zhuǎn)速一般會很低。某型坦克發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速為2 400 r/min，因此坦克發(fā)動機需要在低頻下減振。本文通過自制的磁流變彈性體樣品，設(shè)計一種能夠應用于坦克發(fā)動機懸置系統(tǒng)的新型壓縮式隔振器，并對該隔振器進行了試驗驗證與Matlab仿真。

1 發(fā)動機減振動力學模型

為了更好地分析發(fā)動機的振動特性，有必要對發(fā)動機的模型進行動力學分析。圖1為坦克發(fā)動機的簡化動力學模型。將發(fā)動機看作一個集中質(zhì)量塊，懸置系統(tǒng)由四個并聯(lián)的磁流變彈性體隔振器組成，等效為一組可變剛度的剛度阻尼元件，由于坦克發(fā)動機的質(zhì)量比較大，勢必會對機身有一定的下壓，因此，對發(fā)動機的簡化動力學模型有必要將機身考慮進去。

圖1 發(fā)動機簡化動力學模型

發(fā)動機在正常工作狀態(tài)下，發(fā)動機主要產(chǎn)生沿垂向的往復慣性力由牛頓定律可以推出發(fā)動機減振的動力學方程

式中x0、x2和x4分別表示路面、機身和發(fā)動機的垂向位移，m2和m4分別表示機身和發(fā)動機的總質(zhì)量，c1和k1分別表示坦克懸架的阻尼和剛度，c3、k3和kMR分別表示隔振器的阻尼，剛度和剛度變化。

2 發(fā)動機減振性能仿真

發(fā)動機產(chǎn)生的垂向慣性力f擾(t)與路面激勵x0是相互獨立的兩個外力，可分開考慮。式(1)中參數(shù)大致如下表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 慣性力對機身的影響

當路面激勵是零時，即x0=0。

取t=0時的初值即

為了更好地描述系統(tǒng)的頻域特性，利用Matlab繪制系統(tǒng)頻率響應曲線[9]。圖2即為機身位移對發(fā)動機垂向慣性力的頻率響應曲線。

圖2 機身位移對垂向力的頻率響應曲線

圖2上、下兩部分分別為機身位移的幅值和相位對頻率的響應曲線，由圖2可以明顯地看出機身對擾動輸入的頻率響應有兩個諧振峰，第一個峰是由坦克懸架系統(tǒng)獲得的諧振峰，與隔振器剛度無關(guān)。第二個峰是由隔振器產(chǎn)生的諧振峰，隨著剛度的增大，向高頻區(qū)移動。由初始值4×106N?m-1增加到8×106N?m-1時，共振峰的頻率由67 rad?s-1(約為11 Hz)到94.2 rad?s-1(約為15 Hz)，即增加了36%。通過Matlab仿真結(jié)果，一方面驗證了改變隔振器的剛度能夠改變機身的響應諧振峰，即可以通過控制隔振器的剛度減小機身對外界輸入擾動的響應；另一方面確定了該隔振器的剛度變化范圍是4×106N?m-1到8×106N?m-1，單個隔振器的剛度變化范圍是1×106N?m-1到2×106N?m-1，為下一步的隔振器設(shè)計提供理論支持。

2.2 路面激勵對車身的影響

當發(fā)動機的垂向激振力為零時，考慮路面激勵對機身的影響，此時坦克發(fā)動機和懸置可看作一個變剛度的吸振器。

通過Matlab得到機身對路面激勵的響應曲線，圖3即為在不同懸置剛度下，機身位移對路面激勵的響應曲線。

圖3 機身位移對路面激勵的響應曲線

由圖3可以明顯地看出隨著懸置剛度的增大，機身位移對路面激勵產(chǎn)生的諧振峰向右移?？梢酝ㄟ^控制隔振器電流的大小調(diào)整剛度，從而可以使機身位移對路面激勵的響應減小，保護機身上的精密儀器。

3 隔振器的磁路設(shè)計與仿真

圖4為壓縮式隔振器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中箭頭表示所設(shè)計隔振器的預想磁路走向，圖中導磁材料選用電磁純鐵DT4C，其飽和磁感應強度為BS1=2.158T。為使隔振器的變剛度性能最佳，設(shè)計時導磁材料應該后于磁流變彈性體飽和，即磁流變彈性體飽和時，電磁純鐵中的磁感應強度小于其飽和磁感應強度。為了能夠更好地控制磁場，調(diào)節(jié)磁流變彈性體的彈性模量，采用線圈加磁的方法。

圖4 隔振器結(jié)構(gòu)示意圖

磁流變彈性體的初始彈性模量為7 MPa，由公式k=GS/h求得磁流變彈性體的厚度約為10 mm，當線圈電流為2 A時，要求磁流變彈性體中產(chǎn)生的磁場強度為0.6 T。由于導磁材料的相對磁導率遠大于磁流變彈性體的相對磁導率，在初步計算時可以忽略不計，因此，整個回路的磁阻即為磁流變彈性體的磁阻。磁阻的計算公式為

式中L為磁路的平均長度，S為磁路的面積，μ0為真空下的磁導率，μi為材料的相對磁導率。

根據(jù)NI=φR，磁通φ=∫SBds，則有效線圈匝數(shù)

用Ansys軟件對彈性體和整個隔振器分別進行磁路仿真。得到如圖5和圖6所示的輸入電流為2A時，磁感應強度分布圖。

由圖5可知，彈性體的最小磁感應強度為694 mT，分布均勻；由圖6可知，導磁體的最大磁感應強度為16 841 mT，小于導磁體的飽和磁感應強度，均滿足設(shè)計要求。

圖5 彈性體磁場分布圖

圖6 隔振器的磁場分布圖

4 磁流變彈性體的制備

本文采用硅橡膠為基體，通過有磁場制備得到磁流變彈性體。首先將室溫下呈液態(tài)的硅橡膠、羰基鐵粉和硅油等充分攪拌，混合均勻后放入真空干燥箱中，用真空泵抽真空，去除液體中的氣泡。再將去除氣泡的液體放入模具中，將模具放入磁場發(fā)生器中，通10 A電流，經(jīng)過24小時以上的時間取出即得到各向異性的磁流變彈性體樣品。圖7為實驗所用真空干燥箱。圖8為磁流變彈性體的有磁場制備現(xiàn)場。圖9為試驗所做的模具和所制成的磁流變彈性體成品。

圖7 真空干燥箱

5 性能測試

將自制的磁流變彈性體與原件按圖4安裝，得到所設(shè)計的新型壓縮式隔振器如圖10所示。

采用萬能材料試驗機測試其壓縮特性，如圖11所示。

圖8 磁場發(fā)生器

圖9 模具和磁流變彈性體成品

圖10 隔振器實物圖

圖11 性能測試

輸入電流由高精度穩(wěn)壓電源提供，測得在不同電流下，該隔振器的力-位移曲線，測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 測試結(jié)果

隨著電流的增大，壓縮相同位移所需要的力隨之增大，該隔振器的剛度也隨之增大。根據(jù)力-位移曲線得到表2隔振器剛度與電流的關(guān)系。

由表2，隔振器的剛度由電流為0時的900 N?mm-1增加到1 A時的2 300 N?mm-1，相對磁流變效應達到156%。通過試驗表明，自制的磁流變彈性體具有較高的磁流變效應。在實際情況下由于彈性體發(fā)動機的擠壓磁流變效應會受到影響，該隔振器能夠滿足發(fā)動機懸置的減振要求。

Study on Vibration Reduction of the Tank Engines based on MRE

CHEN Ze-qiang,ZHUWei,RUI Xiao-ting,DU Wei-jun,CHEN Gang-Li
(Institute of Launch Dynamics,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Static and dynamic characteristic of the engine mounting system is one of the important factors which affect the mobility of the tank vehicles and the soldier’s comfort.Since the engine vibration frequency changes with the condition change,the controllable stiffness characteristic of the MRE can be used to improve the insulation effect of the mounting system by avoiding the vibration frequency of the tank’s body.Based on the 2D engine dynamic model,the variation range of the stiffness of the MRE mounting system can be got by avoiding resonance envelopes of the tank’s body.In this paper,a new compression-type vibration isolator based on the MRE is developed.The magnetic circuit of the isolator is designed and analyzed using finite element method.The isolator is tested in a universal material testing machine.The test results show that with the use of the MRE isolator,the stiffness of the engine mounting system can be limited in the necessary range by adjusting the external current.

vibration and wave;engine mounting;MRE;magnetic circuit design;vibration isolator;simulation

TU112.59+6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.016

1006-1355(2017)01-0072-04+116

2016-06-02

國家自然科學基金資助項目(61304137)

陳澤強，男，江蘇省江陰市人，碩士生，主要研究方向為基于磁流變彈性體減振技術(shù)。

朱煒，男，碩士生導師。E-mail:zhuwei@cqu.edu.cn