磁流变减振器的研究发展现状

彭嘉琪，李彦峰，徐 伟，伍 强，林耿香

磁流变减振器的研究发展现状

彭嘉琪，李彦峰*，徐 伟，伍 强，林耿香

（广东技术师范大学 汽车与交通工程学院，广东 广州 510450）

磁流变减振器是一种阻尼力连续可变、反应迅速、机械装置简单、外部输入能量小的新型减振器。近年来，不可再生能源日益枯竭、碳排放量过高等问题受到人们的重视，基于可持续发展的原则，新能源汽车和电动汽车将成为汽车发展的必然选择，电子化、智能化的磁流变减振器必将取得长足的发展与应用。文章首先介绍了磁流变减振器的核心技术，研究了磁流变材料的沉降稳定性和磁流变减振器能给问题的解决方法，然后讨论了磁流变减振器未来的发展趋势，最后对磁流变减振器现阶段的研究进行了总结。

磁流变减振器；可控特性；温升特性；半主动悬架

汽车减振器的发展历史已有100多年，为了使车架与车身的振动迅速衰减，几乎所有汽车都装有减振器，用来改善汽车行驶的平顺性、安全性和舒适性。减振器最大的功能就是缓冲震动，提高车内人乘坐的舒适感，在某种程度上，减振器还可以避免事故中的人员受到更严重的伤害。

从阻尼材料来分，目前常用的减振器分为液压式和气压式[1]。汽车悬架系统中广泛采用液压减振器，但液压减振器阻尼油沸点低，对高温敏感，这就造成了液压减振器对系统的密封性的要求很高，否则可能会出现漏油等现象。而气压式减振器是20世纪60年代以来逐渐发展的一种减振器，这类减振器的特点是对温度不敏感、路感清晰，操控感好且适合长途行驶，比起液压减振器具有更加理想的工作状态，但这类减振器对于密封和充气工艺要求较高，多用于改装。除了这两类减振器，还有一种阻尼可调式减振器，阻尼可调式减振器又分为传统阻尼可调和电/磁控可变阻尼减振器[2]。传统阻尼可调减振器需要复杂的机电装置，有的还需要配备附属液压系统，结构复杂、成本高，无法在普通车型上广泛普及。相比之下，电/磁流变液减振器运用更加灵活，重量和体积相对更小，而磁流变液减振器比之电流变液减振器的工作状态更加稳定，所以磁流变减振器渐渐成为研究发展的主流。

磁流变减振器有阻尼力连续可变、可对驾驶环境实时响应、机械装置简单以及外部输入能量小等特点，特别是在车速达到很高，遇到突发事件的情况下更能体现它的优势。它的反应速度比传统的减振器快5倍，高达1 000 Hz[3]，很大程度上解决了传统减振器存在的不能兼顾平顺性和舒适性的问题，适合如今变化复杂的行驶情况，日益受到工程界和学术界的重视。2017年，张垚等人[4]为了让磁流变减振器的仿真效果更加真实，建立了一种三维模糊控制系统。2018年，张垚等人[5]又在磁流变减振器数学模型的基础上，利用Isight的MATLAB模块和D实验设计功能对剪切式磁流变减振器进行灵敏度分析和交互作用分析，研究各参数对于减振器功率的不同影响程度，对磁流变减振器的节能设计提供了参考。2019年，彭虎等人[6]基于磁流变减振器性能试验的数据，考虑了各种因素对其阻尼力建模的影响，提出一种改进型双sigmoid模型，分析识别了模型的参数，最后验证了模型的准确性。

综合以上，减振器已广泛应用于市场，关键要看哪种减振器能更迅速、更有效、更智能地应对路面上的状况。而在新能源汽车发展趋势的推动下，磁流变减振器必将取得长足的发展。

1 核心技术

1.1 可控特性

以磁流变液为介质的磁流变减振器，在长期运行过程下，可能会出现介质的沉降或固化、密封效果下降等不良效果，减少磁流变减振器的使用寿命，所以为了保证系统的可靠运行，需要对磁流变减振器的运行状态进行实时监测。

2017年，董小闵等人[7]设计了一种可以测量动态加速度的磁流变减振器外置集成式压阻加速度传感器，提高传感系统的可行性、准确性和可靠性，满足了磁流变减振器运行过程中对于稳定状态监测的需求。2021年，白先旭等人[8]基于磁流变减振器可控特性研究的便捷性，提出了一种磁流变减振器可控特性的标定方法，并构建了用于标定磁流变减振器可控特性的实验测试系统，为大范围推广和标准化应用磁流变执行器及技术提供了理论基础。从表１可以看出，阻尼力分别为1 kN、2 kN、3 kN时，相应的磁流变减振器的可控运行速度范围为1.06 m/s、1.70 m/s、1.95 m/s，与图1(c)结果一致。

表1 不同大小阻尼力下的可控运行速度范围[8]

利用传感器作为检测装置会增加系统的繁杂，所以，丁欢等人[9]提出了一种视觉引导的磁流变振动控制方法，将减振系统与视觉检测装置相结合，通过在行驶过程中识别标志点的相对运动轨迹来获取振动信息，再由比例-积分-微分（Proportion Integration Differentiation, PID）控制算法来调节减振装置的结构参数，实现对振动偏移的补偿，如图2所示。

图1 磁流变减振器在冲击激励下的力学特性[8]

图2 视觉引导装置示意图[9]

1.2 温升特性

由于磁流变液的黏性降低，内置线圈长时间连续工作导致减振器发热，使介质温度快速上升，尤其应用在大功率运转的场合下，其温升现象更加显著，从而引起磁流变减振器工作性能衰变，给磁流变减振器从实验室走向大规模生产带来了重大挑战。温度因素对磁流变阻尼器输出性能的影响如图3所示。

图3 温度因素对磁流变阻尼器输出性能的影响

2018年，欧阳青等人[10]介绍了在温升条件下直线式磁流变阻尼器的研究情况，从材料、器件到系统的角度，阶梯式地分析了温度因素对磁流变阻尼器的影响。2019年，PRIYA C B等人[11]研究了阻尼器运行过程中产生的温度对阻尼器滞回性能的影响，所提出的PSOGSA-SVR是预测受温度影响的磁流变阻尼器滞回特性的一种有效的非参数建模工具。2021年，赵洪洋等人[12]探究了温度效应对磁流变减振器阻尼动力学性能影响的规律变化，他们的研究表明，温度对阻尼力和响应时间的影响呈负相关，对可调系数的影响呈正相关。

1.3 基于磁流变减振器的半主动悬架

悬架系统是由悬架、减振器及弹性元件组成的。由于磁流变液的优良特性，基于这种介质的磁流变减振器是磁流变半主动悬架的核心部件之一。因此，磁流变半主动悬架是目前最有发展前景的半主动悬架。相比于被动悬架，它的车身垂向加速度改善了28.28%，悬架动行程改善率为26.67%，车轮动载荷的改善率为24.35%[13]，更显著地表示了磁流变半主动悬架的优越性。1/4车辆磁流变半主动悬架模型如图4所示。

2021年，朱晟[14]不仅对磁流变减振器进行了优化设计，还在此基础上进行基于磁流变减振器的半主动悬架控制策略的研究，设计了一种模糊PID控制算法。李刚等人[15]提出一种半主动悬架模糊线性二次高斯（Linear Quadratic Gaussian, LQG）控制策略，他们研究发现模糊LQG控制策略使得半主动悬架各评价指标的均方根值均明显下降，运用模糊LQG控制的半主动悬架呈现了更好的减振效果，增强了悬架的使用性能。THARE- HALLI MATA G等人[16]采用一种新方法对半主动四分之一车辆在随机路面条件下的动态性能进行了评估，通过比较Self Modification Code、Skyhook、Ground Hook和PID控制器，得出Self Modification Code的最优参数比PID控制器具有更好的可控性，且Self Modification Code在较高的路面不平度下也提供了比PID控制器更好的可控性。

图4 1/4车辆磁流变半主动悬架模型[13]

2 存在的问题

2.1 磁流变液的沉降稳定性

磁性颗粒是磁流变效应的主导者和磁流变液智能化的表现者[17]。磁流变减振器的核心正是磁流变液，这种优良的材料不可避免地也有缺陷，由于磁性粒子的密度大于基础液，磁流变液静置导致的颗粒沉降性问题阻碍了磁流变液这一优良材料及其产业链的发展。

为了克服颗粒的沉降并解决颗粒在基体之中聚集后再分散的问题，人们提出了多种解决方案[18]。一是改变磁性粒子的直径大小或基础液配方，改变基础液的黏度，从而降低磁性粒子和基体之间的密度差。2019年，赵德星[19]认为磁性颗粒的形状能很大程度影响磁流变液的性能，采用溶剂热-煅烧处理的两步法和一步化学溶剂热法制备出了具有阵列花状形貌和多孔纳米晶团簇状的四氧化三铁颗粒，并验证了这两种形貌的四氧化三铁颗粒均显示出了优异的沉降稳定性。2021年，ZHAO P等人[20]研究得出结论，两相之间的界面强度和载液分子在磁性颗粒表面的聚集很大程度影响了磁流变液的磁流变特性和沉降稳定性。

二是设计新结构形式的磁流变阻尼器。2021年，YU J等人[21]提出并分析了一种新型的紧凑型旋转磁流变阻尼器，这种阻尼器具有变阻尼和变刚度的特性。同样在2021年，郑晗等人[22]设计了一种基于T型转子的可用于半主动控制悬架的旋转式磁流变阻尼器，如图5所示。T型转子的特殊结构形成了两种共六个通道，不再有传统阻尼器通道单一的情况，增加了阻尼通道的长度，并通过导磁材料即转子和不导磁材料即隔磁套筒的合理布局，使磁力线几乎垂直于六条通道，提高了磁场利用率。

图5 带T型转子的旋转式磁流变阻尼器结构原理图[22]

总的来说，磁流变液的沉降稳定性问题虽已有大量学者投入研究，但还是没有很好的解决方法。虽然改变磁性粒子的形状和基础液的配方能使磁性颗粒和基础液的密度差变小，提高了磁流变液的沉降稳定性，但这种方法不可避免地会降低屈服应力和磁化强度。如何找到这两者之间的平衡还需要更深入的研究。

2.2 能源供给问题

制约磁流变减振器发展的另一大问题，是磁流变减振器需要装配各种传感器来使汽车更好地收集并了解车辆自身的运行状态情况及路况信息，传感器和减振器需要分别配置电源供电，这就失去了磁流变减振器本身体积重量小的优势，反而比传统减振器更加笨重，并且供电装置的增加也意味着更高的成本的复杂程度，降低了磁流变减振系统的实用性。

对于这方面的问题，学者们提出了自传感和自供能磁流变减振器的研究。2016年，董小闵等人[23]针对现有磁流变减振器自供电装置结构复杂、机电转换效率低等问题，提出一种基于滚珠丝杠驱动的盘式永磁发电机的能量采集器，如图6和图7所示。2020年，雷先华等人[24]在电磁式主被动控制一体化的自供能磁流变弹性体减振器的基础上，根据法拉第电磁感应原理，设计了一种电磁式发电装置，如图8所示，并对其进行了发电性能的仿真分析。

图6 1/4车悬架磁流变自供电示意图[23]

图7 能量采集器[23]

1—减震杆；2—复位弹簧；3—减振器絕緣盖；4—感应线圈；5—线圈骨架；6—绝缘垫片；7—上永磁体；8—下永磁体；9—钕铁硼永磁体；10—磁流变弹性体；11—导磁支架；12—励磁线圈；13—底座。

2019年，YU J等人[25]提出了一种集自供电、自感知和自适应于一体的新型剪刀式磁流变座椅悬架，为实现自我可持续发展，将旋转磁流变阻尼器和旋转永磁直流发电机组合成自适应旋转阻尼系统。2021年，ZHU X等人[26]给出了装有能执行变刚度的自动力磁流变阻尼器的半主动车辆悬架的建模和试验评估，并利用液压Instron测试系统对其变刚度特性和自供电能力进行了评估和验证，试验结果表明，阻尼器的刚度取决于自供电元件所能产生的电流。

虽然自供电的研究为供能问题提供了解决思路，但目前磁流变减振器的自供电装置还是面临着体积重量大、结构复杂等问题。同时磁流变减振器还需要持续而稳定的电流，这也没有得到很好的解决。当然，磁流变减振器除了要保证车辆的平顺性和舒适性外，还要掌握将机械能转化为电能的技术，如果磁流变减震技术都不能满足，只在乎单纯的电能的转变，那么只会持续推迟自供电式磁流变减振器的问世时间。

3 未来发展趋势

对于磁流变减振器本身而言，可以从以下三个方面看出未来的研究发展趋势。首先，虽然磁流变液具有应力场强、工作温度范围广、无场时粘度低、稳定性好、器件的结构简单、可靠性高且对现有液压系统的兼容性好等优点，但仍存在密封要求严格、铁磁介质容易沉淀或固化等缺点，这些缺点易引起磁流变减振器性能衰减，由此可见，保证系统的可靠性是未来的研究发展趋势之一。其次，长时间连续工作所造成的温升现象会影响减振器的力学性能及稳定性，所以预防温升现象的发生，由此输出稳定的阻尼力也是一个重要的课题之一。基于磁流变减振器的半主动悬架决定了运用磁流变减振器的车辆的舒适性，这也是今后的一个重要的研究方向。

同时，针对磁流变减振器存在的问题可以推断，未来的主要研究发展方向就是对其材料进行优化以及对其结构进行改进设计，以此实现三方面的目的：（1）在尽量减少降低屈服应力和磁化强度的前提下，提高磁流变液的沉降稳定性；（2）提高结构的集成化、小型化，降低结构的复杂程度，提高磁流变减振器的实用性、车辆使用的实际性，为磁流变减振器大规模投入市场做准备；（3）磁流变减振器实现自供电需要持续而稳定的直流电，如何采集足够的能量也是新能源汽车今后发展的方向。

4 结语

文章介绍了磁流变减振器的研究发展现状，通过对磁流变减振器的关键技术和存在的问题进行讨论，得出了以下结论：

（1）通过综述国内外磁流变减振器的研究现状，发现想要使可控特性得到有效提高，需要进一步研发重量更轻、精度更高和实时性更强的检测装置；进一步完善温度补偿功能可以使得温升特性更加稳定；增强控制策略和控制系统可以使基于磁流变减振器的半主动悬架运行得更加平顺、舒适。另外，磁性粒子的沉降稳定性和能源供给问题是制约磁流变减振器发展的关键。

（2）复合型和阻尼可调型减振器在近段时间仍旧是技术前沿的减振器。但长远来看，磁流变减振器不仅比传统的液/气压式减振器和阻尼可调减振器有更好的性能，且在基于环境友好的条件下，新能源汽车和电动汽车已经是人心归向，电子化、智能化的磁流变减振器，尤其是自供电磁流变减振器有着更加优良的发展前景。

[1] 王恩慧.汽车减震器的现状及其发展趋势[J].科技资讯,2021,19(12):78-80.

[2] 雷先华,刘湘,刘栩婷.新型减振器的研究现状及发展趋势[J].汽车实用技术,2020,45(24):236-239.

[3] 任萍丽.汽车磁流变半主动悬架技术研究[J].农业装备与车辆工程,2010(12):47-49.

[4] 张垚,刘茜,石文强.基于磁流变减震器的三维模糊控制[J].汽车实用技术,2017,42(10):2.

[5] 张垚,刘茜,刘芳.基于Isight软件的磁流变减震器节能性研究[J].机械设计,2018,35(11):57-60.

[6] 彭虎,张进秋,刘义乐,等.基于改进双Sigmoid模型的磁流变减振器力学建模研究[J].振动与冲击,2019, 38(15):216-222.

[7] 董小闵,于建强,毛飞,等.磁流变减振器集成式压阻加速度传感器设计与试验[J].农业机械学报,2017,48 (8):391-398.

[8] 白先旭,邓学才,沈升.磁流变减振器的可控特性标定方法研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2021, 44(8):1026-1032,1050.

[9] 丁欢,韩光辉,邓华夏,等.视觉引导的磁流变振动控制方法[J].实验力学,2021,36(4):491-498.

[10] 欧阳青,王炅.磁流变阻尼器温升特性及控制研究综述[J].北京理工大学学报,2018,38(7):668-675.

[11] PRIYA C B, GOPALAKRISHNAN N. Temperature Dependent Modelling of Magnetorheological (MR) Dampers Using Support Vector Regression[J]. Smart Materials and Structures,2019,28(2): 025021.

[12] 赵洪洋,冯志敏,孙捷超,等.温度效应对MRD动力性能影响的仿真及试验[J].机械科学与技术,2022,41 (9):1313-1320.

[13] 邵帅,胡国良,顾瑞恒,等.基于磁流变阻尼器的车辆半主动悬架GA-LQR的研究[J].现代制造工程,2021 (11):1-9.

[14] 朱晟.磁流变减振器优化及半主动悬架系统控制研究[D].扬州:扬州大学,2021.

[15] 李刚,顾瑞恒,徐荣霞,等.车辆磁流变半主动悬架模糊LQG控制策略研究[J].噪声与振动控制,2021,41(4): 129-136.

[16] THAREHALLI MATA G,MOKENAPALLI V,KRISH- NA H.Performance Analysis of MR Damper Based Semi-active Suspension System Using Optimally Tuned Controllers[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2021,235(10-11):2871-2884.

[17] 李玉青,罗一平,王莹,等.磁流变液沉降稳定性研究综述[J].轻工机械,2020,38(6):1-4,10.

[18] 许阳光,龚兴龙,万强,等.磁敏智能软材料及磁流变机理[J].力学进展,2015,45:461-495.

[19] 赵德星.不同形貌四氧化三铁颗粒的制备、表征及其磁流变行为研究[D].邯郸:河北工程大学,2020.

[20] ZHAO P, LI X, TONG Y, et al. Effect of the Interface between Magnetic Particles and Carrier Liquids on Magnetorheological Properties and Sedimentation of Magnetorheological Fluids:A Molecular Dynamics Simulation and Experimental Insights[J].Journal of Molecular Liquids,2021,342:117377.

[21] YU J,DONG X,SU X,et al.Development and Charac- terization of a Novel Rotary Magnetorheological Fluid Damper with Variable Damping and Stiffness[J]. Mechanical Systems and Signal Processing,2022,165: 108320.

[22] 郑晗,胡国良,喻理梵,等.基于T型转子的旋转式磁流变阻尼器优化设计[J].磁性材料及器件,2021,52(2): 30-37.

[23] 董小闵,彭少俊,于建强.自供电式汽车磁流变减振器特性研究[J].机械工程学报,2016, 52(20):83-91.

[24] 雷先华,杨启正,朱石沙,等.基于电磁式自供能MRE减振器的设计与试验研究[J].机械设计,2020,37(12): 107-111.

[25] YU J,DONG X,ZHANG Z,et al.A Novel Scissor-type Magnetorheological Seat Suspension System with Self-sustainability[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2019,30(5):665-676.

[26] ZHU X,NING D,HAO Z,et al.Modelling and Experi- mental Evaluation of a Variable Stiffness Mr Suspension With Self-powering Capability[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2021, 32(13):1473-1483.

Research and Development Status of Magneto-rheological Shock Absorbers

PENG Jiaqi, LI Yanfeng*, XU Wei, WU Qiang, LIN Gengxiang

( School of Automotive and Transportation Engineering,Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510450, China )

Magneto-rheological shock absorber is a new type of shock absorber with continuously variable damping force, rapid response, simple mechanical device and small external input energy. In recent years, non-renewable energy sources have been increasingly depleted and carbon emissions have been too high. Based on the principle of sustainable development, new energy vehicles and electric vehicles will become an inevitable choice for the development of automobiles. Electronic and intelligent magnetorheological the shock absorber will surely achieve great development and application. The article first introduces the core technology of magnetorheological dampers, studies the settlement stability of magnetorheological materials and the solution to the energy problem of magnetorheological dampers, and then discusses the future development of magnetorheological dampers. Finally, the current research on magnetorheological dampers is summarized.

Magneto-rheological shock absorber; Controllable characteristics; Temperature rise characteristics; Semi-active suspension

U463.33

A

1671-7988(2023)03-198-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.037

彭嘉琪（2001—），女，研究方向为磁流变减振技术，E-mail:1289239994@qq.com。

李彦峰（1987—），男，博士，讲师，研究方向为机器视觉与模式识别、焊接自动化，E-mail:18820958550 @163.com。

校级人才引进科研启动项目（991641218）；广州市科技计划项目（202201011405）。