磁流变阻尼器在汽车悬架减振系统中的应用

余 龙

（江苏信息职业技术学院 智能工程学院，江苏 无锡 214153）

引言

磁流变液（Magnetorheological Fluid，MRF）是一种新型智能材料，目前商业应用领域还有待进一步开发，较为成熟的主要是在汽车悬架减振系统的阻尼器。凯迪拉克汽车公司在STS Seville车型上应用了MagneRide（电磁悬架技术），大大提升了悬架系统的响应速度，有效地减小了汽车在行驶过程中产生的振动，并提高了舒适性。

1 磁流变液工作原理

磁流变液主要是由基载液、磁性颗粒和添加剂组成[1]。基载液主要作用是作为磁性颗粒的载体，可以使磁性颗粒悬浮在基载液中，性能要求为低粘度、稳定性好、耐高温等，目前应用比较多地是硅油或合成油作为基载液。磁性颗粒是磁流变液的核心材料，是阻尼器工作的关键。以微米级的球形磁性颗粒为主，适量添加少量纳米磁性颗粒，多数研究学者以羰基铁粉作为微米磁性颗粒，四氧化三铁或二氧化硅作为纳米颗粒。为了提高磁流变液的综合性能，常常以磁性颗粒为研究对象，通过对其进行改性来提高剪切屈服应力和沉降率等指标。在无磁场的环境下，磁流变液呈现低粘度无阻力的自由流动状态；在有磁场的环境下，磁流变液中的磁性颗粒瞬间成链状结构，阻碍了自由流动，从而达到阻尼效果[2]，如图1所示。添加剂虽然用量很少，但是却必不可少，主要作用是防止不工作时磁性颗粒沉降聚团，提高磁流变液的性能和使用寿命。

图1 磁流变液工作原理

2 磁流变阻尼器

磁流变阻尼器是以磁流变液为载体的新型半主动式阻尼器[3]。主要工作原理为通过激励电流来控制磁场强度，进而产生阻尼力。半主动控制阻尼器其实是对主动控制的升级，即采用了非常小的能量来主动控制阻尼力。磁流变阻尼器的工作模式主要为三种：流动模式、剪切模式和挤压模式[4]，如图2所示。

图2 磁流变阻尼器三种工作模式

2.1 流动模式

在两固定板之间加入磁流变液，磁场穿过方向与磁流变液运动方向垂直，通过控制电流来影响磁场强度，进而调节阻尼力大小。

2.2 剪切模式

在具有水平相对运动的两板之间加入磁流变液，磁场方向也与磁流变液运动方向垂直，但运动过程中主要以剪切力为主，所以磁流变液的剪切屈服应力指标决定了阻尼器的承载极限。

2.3 挤压模式

在具有轴向运动的两磁板之间加入磁流变液，磁流变液被挤压从四周溢出，两板相对运动方向与磁场方向相同，这种模式产生的阻尼力比较大。

目前磁流变阻尼器并非采用单一的某一种工作模式，而是采用混合模式。混合模式是同时进行流动模式和剪切模式，因为在实际工作时，不仅会因磁流变液运动而进入流动模式，而且阻尼器中的活塞和缸体也会发生相对移动而进行剪切工作模式，所以磁流变阻尼器在工作时常常处于混合工作模式状态。

3 磁流变阻尼器控制方法和测试技术

3.1 控制方法

汽车悬架减振控制系统大体分为：传感器、控制器和阻尼器。传感器是用来检测振动后产生力的大小，然后将数据传递给控制器进行分析处理，最后由执行元件阻尼器完成减振操作。对于磁流变液新型的智能材料，控制方法还不成熟，目前有几种控制方法。

3.1.1 “天棚”阻尼控制方法[5]

1974年由美国加州大学戴维斯分校D.Karnopp基于天棚阻尼控制理论，提出半主动悬挂的控制策略。天棚阻尼算法是对悬架速度的反馈，可以通过改变阻尼系数来调整控制力，但这种模型不能直接使用，需要搭载其他控制理论，其次这种控制方法的操控稳定性不高，所以应用上受到限制。

3.1.2 最优控制方法[6]

最优控制其实就是数学理论计算，利用现代控制理论设计出参考变量，结合约束条件和目标函数构造数学模型，汽车悬架阻尼器主要参数为系统刚度和阻尼力。最优控制理论主要有三类：H∞控制、线性控制和预报控制，其中二次型线性最优控制应用较为广泛。

3.1.3 模糊半主动控制[7]

模糊控制具有智能控制适应性强的特点，主要是可以对系统参数进行及时调整，以便解决复杂的非线性的问题。为了实时调整阻尼力使车辆加速过程更加平稳，一般可以利用Simulink仿真平台对模糊PID控制。

3.1.4 神经网络控制[8]

神经网络控制是具有很强的自适应能力、鲁棒性和自学习性，特别适合解决汽车悬架这类的复杂非线性问题。通过类似于神经元的多个控制节点单元来完成复杂的计算，进而控制电流大小来调整阻尼力。

3.2 测试方法

3.2.1 利用Matlab软件进行模拟计算

仅通过计算机理论计算，虽然成本较低，但是因为难以全部考虑到实际工况下所有影响因素，所以得出的结果往往都是与现实结果有差距，目前仿真结果只能作为参考。

3.2.2 样机试验台

为了充分还原汽车行驶在颠簸的情景，通过激振器发出的振动信号，测试得出悬架系统的响应参数。

3.2.3 汽车上路测试

通过在悬架系统上搭载传感器来记录数据，利用计算机来处理采集来的数据，这种测试方法最能检测出真实的阻尼器工况。

4 磁流变阻尼器在汽车中应用

为了提升汽车运行过程的舒适性，Lord公司首次在汽车座椅上使用了磁流变阻尼器，减小了驾驶员的颠簸感。在类似于矿井的恶劣环境下，通过在重载车辆的悬架系统上安装磁流变阻尼器，大大提高了其减振效果[9]。Delphi公司利用电磁悬架技术为多家汽车企业设计了减振系统，通过对路况的实时监控，即时对阻尼力进行调整。国内磁流变液的应用还不多，装甲兵工程学院在军用汽车上运用了磁流变阻尼器[10]。

5 结语

通过对磁流变液的组成成分研究，针对磁流变液材料的 特点，了解了磁流变液的工作原理。分析应用于汽车磁流变阻尼器的三种工作模式：流动、剪切和挤压模式，目前混合模式应用比较广泛。对汽车悬架阻尼器的控制方法进行比较，目前多种控制方法均可以有使用，并且对几种测试方法进行分析，为后续汽车悬架的设计提供了参考。通过对目前国内外磁流变阻尼器在汽车中的应用进行调研，磁流变液技术在汽车领域中具有广阔的应用前景。