磁流变液技术在汽车减振器中的应用

牛志勇，梁依经，糜莉萍，张遂心，梁云龙，于海

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060)

0 引言

随着社会经济的飞速发展和人民生活水平的日益提高，人们对汽车性能的要求除动力性、经济性和安全性方面之外，在车辆的NVH(Noise, Vibration, Harshness)特性方面也提出了更高的要求。良好的驾驶操作性能和舒适的驾乘环境渐渐成为现代汽车的重要标志，汽车也成为众多科技产品的承载平台。

1 半主动悬架及磁流变减振器

悬架是改善车辆行车操作性和乘坐舒适性的关键部件之一。悬架系统主要由三部分组成，包括弹性元件、减振器以及导向机构。其中减振器能迅速衰减车身振动，有效降低对部件的冲击载荷，保证车身在制动、转弯、加速时的稳定性。

目前生产的汽车减振器主流产品仍是传统的被动式减振器，这种减振器的缺陷是其弹簧刚度和减振阻尼系数不能随行驶工况条件的变化而变化，导致车辆的舒适性和操作性调校只能根据经验折衷处理[1]。随着科学技术的不断发展，车辆的运行速率不断提高，人们对车辆性能和驾乘感受的要求也在不断提高，传统的被动式减振器已经越来越难以满足现代人类的活动需求，这使得智能悬架系统的开发势在必行。

汽车智能悬架的研究至今已有半个世纪，其中空气弹簧是刚度可调弹性元件的代表，自身的刚度和高度可以通过改变充气量来调节，声呐技术也引入到了悬架系统的设计之中，悬架可以根据声呐反馈的信息来适时调整减振装置的不同工作状态。然而，基于磁流变减振器的半主动悬架以其控制效果接近主动悬架，而成本、功耗、结构复杂性、可靠性等优于主动悬架等特点[2]，逐渐成为现代汽车悬架系统的最佳解决方案，将半主动悬架技术推向了新的高度。

半主动悬架分为刚度可调合、阻尼可调两类[3]。目前，改变弹簧刚度比改变阻尼困难得多，因此半主动悬架研究主要集中在调节减振器的阻尼系数方面。筒式减振器阻尼产生机理分为两种：一是调节减振器油液的黏度，二是调节节流口的开度。磁流变减振器采用的是第一种手段，通过控制外部电流强度来控制阻尼通道间隙处的磁场强度，最终改变磁流变液的黏度，继而达到控制阻尼力的目的。

在磁流变减振器中，将电磁线圈缠绕于阻尼器活塞上，主要的工作介质是磁流变液。控制电磁线圈所产生的磁场大小是通过改变流经线圈的电流大小来实现的，由于电流是连续变化的，所以磁流变减振器中施加的磁场强度也是连续可调的，故而磁流变减振器产生的阻尼力也是呈连续性变化。当外加磁场的强度不断增大时，磁流变液的黏度也不断增大，并逐步固化，二者呈正相关性；如果磁场消失，其对磁流变液的影响也将不复存在，这个过程非常快，几乎和磁场消失是同时进行的[4]。工作原理如图1所示。

图1 磁流变减振器的工作原理

2 磁流变液

磁流变液(Magnetorheological Fluids，MRF)主要是由载液(分散介质)、磁性颗粒(分散质)、添加剂(稳定剂)等组成的稳定悬浮液(如图2)，是智能材料研究的一个重要分支。磁流变液兼具固体的磁性和液体的流动性，表现出独特的物理性能和力学行为，引起了研究者的广泛关注。

20世纪40年代，美国国家标准署工程师Jacob Rabinow首次发现了磁流变现象，他设计了一台磁流变液演示装置用于评估所研制的磁流变液，并将一位体重117磅的女孩成功吊起(如图3)。由于颗粒的沉降稳定性、磁流变材料化学和物理稳定性、密封技术、磨损等问题难以解决，以及励磁装置设计复杂等原因，磁流变液的研究和应用一直处于停滞状态。直到上世纪90年代，大量磁流变液研究成果开始涌现，磁流变液因其优秀的力学性能，重新引起了研究者们的兴趣。美国Lord公司、德国Basf公司都致力于该领域的研究开发。清华大学、中国科学技术大学、重庆大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、重庆仪表材料研究所等高校和科研单位都开展了磁流变液的研究，并取得很大进展。

图2 磁流变液样品

图3 Rabinow的磁流变液演示

2.1磁流变液的组成[5]

2.1.1 磁性颗粒

制备磁流变液一般选取具有高饱和磁化强度、高磁导率、低矫顽力、强抗氧化能力的微米级顺磁或软磁性球形颗粒。常用的磁性颗粒是Fe、Co、Ni单质或它们的合金材料，典型的磁性颗粒是具有高饱和磁化强度的羰基铁粉，这种材料成本较低且应用广泛，市场上容易买到。目前磁性颗粒的研究有以下几个方面：

(1)表面改性的磁性颗粒。磁性颗粒进行表面修饰主要是为了提高分散稳定性和沉降稳定性，增强长期的化学和物理稳定性，降低颗粒表面磨损。典型的方法是用有机聚合物包覆磁性颗粒，如天然明胶、聚酯、聚氨基甲酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯等。

(2)合金颗粒。铁合金颗粒能赋予磁流变液以更高的屈服应力。目前工艺成熟的铁合金颗粒是Fe-Co合金和Fe-Ni合金，美国Lord公司已有这两种合金颗粒为基础的磁流变液产品。

(3)软铁、硬铁颗粒混合。软铁材料是多畴颗粒，具有较高饱和磁化强度，剩磁较少，尺寸采用微米级。硬铁颗粒由细小的单畴颗粒组成，剩磁较大，尺寸较小，可采用纳米级。此法制备的磁流变液具有较高的耐久稳定性。

2.1.2 载液

选择载液时需要综合考察它们的流变性能、黏温性能、摩擦学性能，载液还应具备高闪点、低倾点、黏度适宜、强抗氧化性、低毒无害、价格低廉等特点。载液一般采用矿物油、硅油、合成油、二醇—水混合液等。

2.1.3 添加剂

磁流变液中的颗粒密度通常比载液大，因此克服因密度差造成的沉降和团聚问题，提高磁流变液的使用稳定性尤为重要。磁流变液中的核心添加剂主要作用是确保磁性颗粒均匀稳定地分散于载液中，这种稳定性包括两个方面：团聚稳定性和沉降稳定性，前者阻止颗粒黏结在一起，后者避免颗粒因密度差而下沉。

表面活性剂是一种高效的分散稳定剂，它一般同时具有亲水基和亲油基这两种不同性质的结构，以降低不相容两相间的界面能。亲水性基团可以吸附于磁性颗粒表面，亲油性基团则像“鞭梢”一样伸展在载液之中，“鞭梢”可接触缠绕亦可相互排斥，一方面会增加磁性颗粒的体积，减少它们相互吸引碰撞的机会，另一方面会在载液内部形成空间位组，形成一个相互作用的三维骨架结构，从而降低由于磁性颗粒与载液间的密度差而引起的颗粒沉降。常用的表面活性剂如下：偶联剂、羧酸有机胺盐、烷基胺磷酸酯、烷氧基硫代磷酸盐等。

此外，为了保证磁流变液的使用性能，在体系内还可引入功能添加剂，例如减摩剂、极压剂、抗磨剂、抗氧化剂、腐蚀抑制剂等。

2.2磁流变液的制备

磁流变液是固液两相的悬浮液，颗粒的体积小、比表面积大、表面能高，这些小尺寸效应使得固相的分散成为了磁流变液制备的难点。目前磁流变液的分散方法有超声分散、机械搅拌分散、高速乳化分散、研磨分散，其中效率最高的是研磨分散，强力的剪切不但有利于颗粒的分散，还可以促进表面活性剂与颗粒的结合。

2.3磁流变液的工作模式

磁流变液主要有三种工作模式[6](如图4所示)。

图4 磁流变液的三种工作模式

2.3.1 流动模式

磁流变液填充于上下极板之间，极板位置相对静止，磁场作用方向垂直于极板，可根据外部振动的不同自行调节磁场强度大小，当磁场强度变化时会引起活塞受力发生改变，从而改变阻尼力。

2.3.2 剪切模式

此种模式下，上下极板水平方向相对运动，磁场强度发生变化，磁流变液的剪切应力发生改变，从而改变阻尼力。

2.3.3 挤压模式

此种模式下，上下极板垂直方向相对运动，相互靠近挤压磁流变液，引起活塞受力发生改变，从而改变阻尼力。

2.4磁流变液的主要性能要求

要使磁流变减振器在汽车工程上得到应用，磁流变液应满足下列性能要求：

(1)较好的沉降稳定性。磁流变液的沉降性是否稳定是阻碍磁流变体工程应用的关键因素，这也是开发磁流变液需首要解决的问题，磁流变液具备较好的沉降稳定性是其具备优异性能的前提。

(2)适宜的零场黏度。应用于汽车减震器中的磁流变液，同样应满足减震器油对黏度的基本要求，保证油品具有良好的流动性和低温适应性。

(3)较宽的工作温度。减震器装置暴露于所处的环境中，作为汽车减震器应不受地理位置环境因素等限制，适应全天候全季节工况条件。

(4)极短的响应时间。磁流变液响应时间短为毫秒级，才能保证磁流变减振器与其控制系统的同步性。

(5)较好的密封适应性。磁流变液在发展之初最棘手的问题之一就是密封技术的落后，因此要求磁流变液必须具备较好的密封适应性，以杜绝泄漏和严重腐蚀现象的发生。

3 磁流变液技术在汽车减振器上的应用发展现状

磁流变效应的研究可以追溯到上世纪40年代，但是由于磁性颗粒沉降和团聚稳定性、密封技术、磨损等问题难以解决，磁流变液的研究应用一直处于停滞状态。磁流变液实现应用已经接近20世纪末，美国处于绝对领先水平[7-9]。

美国Lord公司在研制磁流变液及其相关产品方面一直为世界所瞩目，其磁流变液年产量达数百吨。其制造的磁流变悬架系统已成功植入法拉利、奥迪、通用、路虎等多家汽车OEM的涵盖高性能跑车到SUV的100多万辆汽车上，该阻尼器使用5×106次无故障发生，证实了其产品的可靠性和耐久性，彰显了Lord公司在磁流变行业的龙头地位。

美国Delphi公司与Lord公司合作打造了 Magneride车辆半主动悬架系统，之后Delphi公司投身于研究具有快速响应的减振装置，并且凯迪拉克、法拉利和保时捷等众多跑车品牌都已经装配上 Delphi公司的快速响应减振器(响应时间在1 ms之内)，可根据监测车身和车轮运动状况的传感器输入的信号，对路况作出实时响应，以减少车身振动和增加车轮在各种路况的附着力，可在保证车辆运行速度的前提下，大大提高车辆的运行稳定性。

此外，Virginia工学院设计了一套半主动悬架控制系统,并在Volvo VN重型卡车和Future Car轿车的悬架上进行道路试验。Nevada大学为悍马军用越野车研制了磁流变减振器磁流变阻尼器，经实车路试得出结论，车辆配备磁流变液半主动悬架系统后，驾驶员的行车疲劳感减少了，乘坐舒适性有所提高，与此同时车辆的操控稳定性以及整车的振动也有明显改善，整车在颠簸路面上行驶的速度可以提升40%以上，油耗也相应降低。

国内对磁流变材料的研究起步较晚,目前主要集中在磁流变材料实验室研究和流变学机理研究方面，磁流变液的应用研究刚刚起步。重庆大学自主研制了汽车磁流变阻尼器及半主动控制系统，并在某型轿车上进行了实车路试。装甲兵工程学院某课题小组为某型军用车辆设计了磁流变减振器，实现了磁流变技术在国防科技上的零突破。

4 建议与展望

磁流变液独特的物理特性和力学行为使其在汽车减振器领域具有广阔的应用前景，但这项技术在国内发展起步较晚，实现量产应用还有许多问题亟待解决。结合现有研发技术和未来需求，建议应用于汽车减振器的磁流变液在以下几个方面进行研究：

(1)适宜的零场黏度。磁流变液的抗沉降性和流动性是矛盾体，研究过程中应在不影响其流变学性能的前提下，尽可能地提高其沉降稳定性，这也有利于增强磁流变液的低温适应性。

(2)提高密封适应性。磁流变液的研究在最初的几十年内一直停滞不前，其中一个限制因素是密封技术的落后，这就要求在磁流变液的开发中必须提高其密封适应性，以杜绝泄漏和严重腐蚀现象的发生。

(3)降低磨损。磁流变液中的磁性颗粒铁含量很高，由于铁属于体心立方结构，是强黏附材料，摩擦系数较高，因而磁性粒子在减振器内来回蠕动过程中，自磨损和对减振器壁面的磨损是相当严重的。需要研究者们综合考虑磁性颗粒、载液和功能添加剂的选用和配比，以提高磁流变减振器的可靠性和耐久性。

参考文献：

[1] Thomas D Gillespie.车辆动力学基础[M].赵六奇,金达锋,译.北京：清华大学出版社,2006.

[2] Lieh J. The Effect of Bandwidth of Semiactive Dampers on Vehicle Ride[J]. Journal of Dynamic Systems Measurement & Control, 1993, 115 (3):571-575.

[3] Soria L, Peeters B, Anthonis J. Operational Modal Analusis and the Performance Assessment of Vehicle Suspension Systems[J]. Shock & Vibration, 2015,19(5):1099-1113.

[4] 王冰, 韩冰源, 王岩,等. 汽车磁流变减振器研究综述[J]. 森林工程, 2008, 24(4):39-43.

[5] 易成建. 磁流变液:制备、性能测试与本构模型[M]. 重庆: 重庆大学, 2011.

[6] 王鸿云, 郑惠强, 李泳鲜,等. 磁流变液的研究与应用[J]. 机械设计, 2008, 25(5): 1-4.

[7] 廖昌荣. 汽车悬架系统磁流变阻尼器研究[M]. 重庆: 重庆大学, 2001.

[8] 张进秋, 张建, 孔亚男,等. 磁流变液及其应用研究综述[J]. 装甲兵工程学院学报, 2010, 24(2): 5-10.

[9] 唐龙, 卢利平, 岳恩,等. 磁流变液的研究与应用[J]. 重庆理工大学学报：自然科学版, 2013(12): 44-48.