磁流變液技術在汽車減振器中的應用

牛志勇，梁依經，糜莉萍，張遂心，梁云龍，于海

(中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

隨著社會經濟的飛速發展和人民生活水平的日益提高，人們對汽車性能的要求除動力性、經濟性和安全性方面之外，在車輛的NVH(Noise, Vibration, Harshness)特性方面也提出了更高的要求。良好的駕駛操作性能和舒適的駕乘環境漸漸成為現代汽車的重要標志，汽車也成為眾多科技產品的承載平臺。

1 半主動懸架及磁流變減振器

懸架是改善車輛行車操作性和乘坐舒適性的關鍵部件之一。懸架系統主要由三部分組成，包括彈性元件、減振器以及導向機構。其中減振器能迅速衰減車身振動，有效降低對部件的沖擊載荷，保證車身在制動、轉彎、加速時的穩定性。

目前生產的汽車減振器主流產品仍是傳統的被動式減振器，這種減振器的缺陷是其彈簧剛度和減振阻尼系數不能隨行駛工況條件的變化而變化，導致車輛的舒適性和操作性調校只能根據經驗折衷處理[1]。隨著科學技術的不斷發展，車輛的運行速率不斷提高，人們對車輛性能和駕乘感受的要求也在不斷提高，傳統的被動式減振器已經越來越難以滿足現代人類的活動需求，這使得智能懸架系統的開發勢在必行。

汽車智能懸架的研究至今已有半個世紀，其中空氣彈簧是剛度可調彈性元件的代表，自身的剛度和高度可以通過改變充氣量來調節，聲吶技術也引入到了懸架系統的設計之中，懸架可以根據聲吶反饋的信息來適時調整減振裝置的不同工作狀態。然而，基于磁流變減振器的半主動懸架以其控制效果接近主動懸架，而成本、功耗、結構復雜性、可靠性等優于主動懸架等特點[2]，逐漸成為現代汽車懸架系統的最佳解決方案，將半主動懸架技術推向了新的高度。

半主動懸架分為剛度可調合、阻尼可調兩類[3]。目前，改變彈簧剛度比改變阻尼困難得多，因此半主動懸架研究主要集中在調節減振器的阻尼系數方面。筒式減振器阻尼產生機理分為兩種：一是調節減振器油液的黏度，二是調節節流口的開度。磁流變減振器采用的是第一種手段，通過控制外部電流強度來控制阻尼通道間隙處的磁場強度，最終改變磁流變液的黏度，繼而達到控制阻尼力的目的。

在磁流變減振器中，將電磁線圈纏繞于阻尼器活塞上，主要的工作介質是磁流變液。控制電磁線圈所產生的磁場大小是通過改變流經線圈的電流大小來實現的，由于電流是連續變化的，所以磁流變減振器中施加的磁場強度也是連續可調的，故而磁流變減振器產生的阻尼力也是呈連續性變化。當外加磁場的強度不斷增大時，磁流變液的黏度也不斷增大，并逐步固化，二者呈正相關性；如果磁場消失，其對磁流變液的影響也將不復存在，這個過程非常快，幾乎和磁場消失是同時進行的[4]。工作原理如圖1所示。

圖1 磁流變減振器的工作原理

2 磁流變液

磁流變液(Magnetorheological Fluids，MRF)主要是由載液(分散介質)、磁性顆粒(分散質)、添加劑(穩定劑)等組成的穩定懸浮液(如圖2)，是智能材料研究的一個重要分支。磁流變液兼具固體的磁性和液體的流動性，表現出獨特的物理性能和力學行為，引起了研究者的廣泛關注。

20世紀40年代，美國國家標準署工程師Jacob Rabinow首次發現了磁流變現象，他設計了一臺磁流變液演示裝置用于評估所研制的磁流變液，并將一位體重117磅的女孩成功吊起(如圖3)。由于顆粒的沉降穩定性、磁流變材料化學和物理穩定性、密封技術、磨損等問題難以解決，以及勵磁裝置設計復雜等原因，磁流變液的研究和應用一直處于停滯狀態。直到上世紀90年代，大量磁流變液研究成果開始涌現，磁流變液因其優秀的力學性能，重新引起了研究者們的興趣。美國Lord公司、德國Basf公司都致力于該領域的研究開發。清華大學、中國科學技術大學、重慶大學、哈爾濱工業大學、西北工業大學、重慶儀表材料研究所等高校和科研單位都開展了磁流變液的研究，并取得很大進展。

圖2 磁流變液樣品

圖3 Rabinow的磁流變液演示

2.1磁流變液的組成[5]

2.1.1 磁性顆粒

制備磁流變液一般選取具有高飽和磁化強度、高磁導率、低矯頑力、強抗氧化能力的微米級順磁或軟磁性球形顆粒。常用的磁性顆粒是Fe、Co、Ni單質或它們的合金材料，典型的磁性顆粒是具有高飽和磁化強度的羰基鐵粉，這種材料成本較低且應用廣泛，市場上容易買到。目前磁性顆粒的研究有以下幾個方面：

(1)表面改性的磁性顆粒。磁性顆粒進行表面修飾主要是為了提高分散穩定性和沉降穩定性，增強長期的化學和物理穩定性，降低顆粒表面磨損。典型的方法是用有機聚合物包覆磁性顆粒，如天然明膠、聚酯、聚氨基甲酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯等。

(2)合金顆粒。鐵合金顆粒能賦予磁流變液以更高的屈服應力。目前工藝成熟的鐵合金顆粒是Fe-Co合金和Fe-Ni合金，美國Lord公司已有這兩種合金顆粒為基礎的磁流變液產品。

(3)軟鐵、硬鐵顆粒混合。軟鐵材料是多疇顆粒，具有較高飽和磁化強度，剩磁較少，尺寸采用微米級。硬鐵顆粒由細小的單疇顆粒組成，剩磁較大，尺寸較小，可采用納米級。此法制備的磁流變液具有較高的耐久穩定性。

2.1.2 載液

選擇載液時需要綜合考察它們的流變性能、黏溫性能、摩擦學性能，載液還應具備高閃點、低傾點、黏度適宜、強抗氧化性、低毒無害、價格低廉等特點。載液一般采用礦物油、硅油、合成油、二醇—水混合液等。

2.1.3 添加劑

磁流變液中的顆粒密度通常比載液大，因此克服因密度差造成的沉降和團聚問題，提高磁流變液的使用穩定性尤為重要。磁流變液中的核心添加劑主要作用是確保磁性顆粒均勻穩定地分散于載液中，這種穩定性包括兩個方面：團聚穩定性和沉降穩定性，前者阻止顆粒黏結在一起，后者避免顆粒因密度差而下沉。

表面活性劑是一種高效的分散穩定劑，它一般同時具有親水基和親油基這兩種不同性質的結構，以降低不相容兩相間的界面能。親水性基團可以吸附于磁性顆粒表面，親油性基團則像“鞭梢”一樣伸展在載液之中，“鞭梢”可接觸纏繞亦可相互排斥，一方面會增加磁性顆粒的體積，減少它們相互吸引碰撞的機會，另一方面會在載液內部形成空間位組，形成一個相互作用的三維骨架結構，從而降低由于磁性顆粒與載液間的密度差而引起的顆粒沉降。常用的表面活性劑如下：偶聯劑、羧酸有機胺鹽、烷基胺磷酸酯、烷氧基硫代磷酸鹽等。

此外，為了保證磁流變液的使用性能，在體系內還可引入功能添加劑，例如減摩劑、極壓劑、抗磨劑、抗氧化劑、腐蝕抑制劑等。

2.2磁流變液的制備

磁流變液是固液兩相的懸浮液，顆粒的體積小、比表面積大、表面能高，這些小尺寸效應使得固相的分散成為了磁流變液制備的難點。目前磁流變液的分散方法有超聲分散、機械攪拌分散、高速乳化分散、研磨分散，其中效率最高的是研磨分散，強力的剪切不但有利于顆粒的分散，還可以促進表面活性劑與顆粒的結合。

2.3磁流變液的工作模式

磁流變液主要有三種工作模式[6](如圖4所示)。

圖4 磁流變液的三種工作模式

2.3.1 流動模式

磁流變液填充于上下極板之間，極板位置相對靜止，磁場作用方向垂直于極板，可根據外部振動的不同自行調節磁場強度大小，當磁場強度變化時會引起活塞受力發生改變，從而改變阻尼力。

2.3.2 剪切模式

此種模式下，上下極板水平方向相對運動，磁場強度發生變化，磁流變液的剪切應力發生改變，從而改變阻尼力。

2.3.3 擠壓模式

此種模式下，上下極板垂直方向相對運動，相互靠近擠壓磁流變液，引起活塞受力發生改變，從而改變阻尼力。

2.4磁流變液的主要性能要求

要使磁流變減振器在汽車工程上得到應用，磁流變液應滿足下列性能要求：

(1)較好的沉降穩定性。磁流變液的沉降性是否穩定是阻礙磁流變體工程應用的關鍵因素，這也是開發磁流變液需首要解決的問題，磁流變液具備較好的沉降穩定性是其具備優異性能的前提。

(2)適宜的零場黏度。應用于汽車減震器中的磁流變液，同樣應滿足減震器油對黏度的基本要求，保證油品具有良好的流動性和低溫適應性。

(3)較寬的工作溫度。減震器裝置暴露于所處的環境中，作為汽車減震器應不受地理位置環境因素等限制，適應全天候全季節工況條件。

(4)極短的響應時間。磁流變液響應時間短為毫秒級，才能保證磁流變減振器與其控制系統的同步性。

(5)較好的密封適應性。磁流變液在發展之初最棘手的問題之一就是密封技術的落后，因此要求磁流變液必須具備較好的密封適應性，以杜絕泄漏和嚴重腐蝕現象的發生。

3 磁流變液技術在汽車減振器上的應用發展現狀

磁流變效應的研究可以追溯到上世紀40年代，但是由于磁性顆粒沉降和團聚穩定性、密封技術、磨損等問題難以解決，磁流變液的研究應用一直處于停滯狀態。磁流變液實現應用已經接近20世紀末，美國處于絕對領先水平[7-9]。

美國Lord公司在研制磁流變液及其相關產品方面一直為世界所矚目，其磁流變液年產量達數百噸。其制造的磁流變懸架系統已成功植入法拉利、奧迪、通用、路虎等多家汽車OEM的涵蓋高性能跑車到SUV的100多萬輛汽車上，該阻尼器使用5×106次無故障發生，證實了其產品的可靠性和耐久性，彰顯了Lord公司在磁流變行業的龍頭地位。

美國Delphi公司與Lord公司合作打造了 Magneride車輛半主動懸架系統，之后Delphi公司投身于研究具有快速響應的減振裝置，并且凱迪拉克、法拉利和保時捷等眾多跑車品牌都已經裝配上 Delphi公司的快速響應減振器(響應時間在1 ms之內)，可根據監測車身和車輪運動狀況的傳感器輸入的信號，對路況作出實時響應，以減少車身振動和增加車輪在各種路況的附著力，可在保證車輛運行速度的前提下，大大提高車輛的運行穩定性。

此外，Virginia工學院設計了一套半主動懸架控制系統,并在Volvo VN重型卡車和Future Car轎車的懸架上進行道路試驗。Nevada大學為悍馬軍用越野車研制了磁流變減振器磁流變阻尼器，經實車路試得出結論，車輛配備磁流變液半主動懸架系統后，駕駛員的行車疲勞感減少了，乘坐舒適性有所提高，與此同時車輛的操控穩定性以及整車的振動也有明顯改善，整車在顛簸路面上行駛的速度可以提升40%以上，油耗也相應降低。

國內對磁流變材料的研究起步較晚,目前主要集中在磁流變材料實驗室研究和流變學機理研究方面，磁流變液的應用研究剛剛起步。重慶大學自主研制了汽車磁流變阻尼器及半主動控制系統，并在某型轎車上進行了實車路試。裝甲兵工程學院某課題小組為某型軍用車輛設計了磁流變減振器，實現了磁流變技術在國防科技上的零突破。

4 建議與展望

磁流變液獨特的物理特性和力學行為使其在汽車減振器領域具有廣闊的應用前景，但這項技術在國內發展起步較晚，實現量產應用還有許多問題亟待解決。結合現有研發技術和未來需求，建議應用于汽車減振器的磁流變液在以下幾個方面進行研究：

(1)適宜的零場黏度。磁流變液的抗沉降性和流動性是矛盾體，研究過程中應在不影響其流變學性能的前提下，盡可能地提高其沉降穩定性，這也有利于增強磁流變液的低溫適應性。

(2)提高密封適應性。磁流變液的研究在最初的幾十年內一直停滯不前，其中一個限制因素是密封技術的落后，這就要求在磁流變液的開發中必須提高其密封適應性，以杜絕泄漏和嚴重腐蝕現象的發生。

(3)降低磨損。磁流變液中的磁性顆粒鐵含量很高，由于鐵屬于體心立方結構，是強黏附材料，摩擦系數較高，因而磁性粒子在減振器內來回蠕動過程中，自磨損和對減振器壁面的磨損是相當嚴重的。需要研究者們綜合考慮磁性顆粒、載液和功能添加劑的選用和配比，以提高磁流變減振器的可靠性和耐久性。

參考文獻：

[1] Thomas D Gillespie.車輛動力學基礎[M].趙六奇,金達鋒,譯.北京：清華大學出版社,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, 韓冰源, 王巖,等. 汽車磁流變減振器研究綜述[J]. 森林工程, 2008, 24(4):39-43.

[5] 易成建. 磁流變液:制備、性能測試與本構模型[M]. 重慶: 重慶大學, 2011.

[6] 王鴻云, 鄭惠強, 李泳鮮,等. 磁流變液的研究與應用[J]. 機械設計, 2008, 25(5): 1-4.

[7] 廖昌榮. 汽車懸架系統磁流變阻尼器研究[M]. 重慶: 重慶大學, 2001.

[8] 張進秋, 張建, 孔亞男,等. 磁流變液及其應用研究綜述[J]. 裝甲兵工程學院學報, 2010, 24(2): 5-10.

[9] 唐龍, 盧利平, 岳恩,等. 磁流變液的研究與應用[J]. 重慶理工大學學報：自然科學版, 2013(12): 44-48.