磁流變阻尼器在汽車懸架減振系統中的應用

余 龍

（江蘇信息職業技術學院 智能工程學院，江蘇 無錫 214153）

引言

磁流變液（Magnetorheological Fluid，MRF）是一種新型智能材料，目前商業應用領域還有待進一步開發，較為成熟的主要是在汽車懸架減振系統的阻尼器。凱迪拉克汽車公司在STS Seville車型上應用了MagneRide（電磁懸架技術），大大提升了懸架系統的響應速度，有效地減小了汽車在行駛過程中產生的振動，并提高了舒適性。

1 磁流變液工作原理

磁流變液主要是由基載液、磁性顆粒和添加劑組成[1]。基載液主要作用是作為磁性顆粒的載體，可以使磁性顆粒懸浮在基載液中，性能要求為低粘度、穩定性好、耐高溫等，目前應用比較多地是硅油或合成油作為基載液。磁性顆粒是磁流變液的核心材料，是阻尼器工作的關鍵。以微米級的球形磁性顆粒為主，適量添加少量納米磁性顆粒，多數研究學者以羰基鐵粉作為微米磁性顆粒，四氧化三鐵或二氧化硅作為納米顆粒。為了提高磁流變液的綜合性能，常常以磁性顆粒為研究對象，通過對其進行改性來提高剪切屈服應力和沉降率等指標。在無磁場的環境下，磁流變液呈現低粘度無阻力的自由流動狀態；在有磁場的環境下，磁流變液中的磁性顆粒瞬間成鏈狀結構，阻礙了自由流動，從而達到阻尼效果[2]，如圖1所示。添加劑雖然用量很少，但是卻必不可少，主要作用是防止不工作時磁性顆粒沉降聚團，提高磁流變液的性能和使用壽命。

圖1 磁流變液工作原理

2 磁流變阻尼器

磁流變阻尼器是以磁流變液為載體的新型半主動式阻尼器[3]。主要工作原理為通過激勵電流來控制磁場強度，進而產生阻尼力。半主動控制阻尼器其實是對主動控制的升級，即采用了非常小的能量來主動控制阻尼力。磁流變阻尼器的工作模式主要為三種：流動模式、剪切模式和擠壓模式[4]，如圖2所示。

圖2 磁流變阻尼器三種工作模式

2.1 流動模式

在兩固定板之間加入磁流變液，磁場穿過方向與磁流變液運動方向垂直，通過控制電流來影響磁場強度，進而調節阻尼力大小。

2.2 剪切模式

在具有水平相對運動的兩板之間加入磁流變液，磁場方向也與磁流變液運動方向垂直，但運動過程中主要以剪切力為主，所以磁流變液的剪切屈服應力指標決定了阻尼器的承載極限。

2.3 擠壓模式

在具有軸向運動的兩磁板之間加入磁流變液，磁流變液被擠壓從四周溢出，兩板相對運動方向與磁場方向相同，這種模式產生的阻尼力比較大。

目前磁流變阻尼器并非采用單一的某一種工作模式，而是采用混合模式。混合模式是同時進行流動模式和剪切模式，因為在實際工作時，不僅會因磁流變液運動而進入流動模式，而且阻尼器中的活塞和缸體也會發生相對移動而進行剪切工作模式，所以磁流變阻尼器在工作時常常處于混合工作模式狀態。

3 磁流變阻尼器控制方法和測試技術

3.1 控制方法

汽車懸架減振控制系統大體分為：傳感器、控制器和阻尼器。傳感器是用來檢測振動后產生力的大小，然后將數據傳遞給控制器進行分析處理，最后由執行元件阻尼器完成減振操作。對于磁流變液新型的智能材料，控制方法還不成熟，目前有幾種控制方法。

3.1.1 “天棚”阻尼控制方法[5]

1974年由美國加州大學戴維斯分校D.Karnopp基于天棚阻尼控制理論，提出半主動懸掛的控制策略。天棚阻尼算法是對懸架速度的反饋，可以通過改變阻尼系數來調整控制力，但這種模型不能直接使用，需要搭載其他控制理論，其次這種控制方法的操控穩定性不高，所以應用上受到限制。

3.1.2 最優控制方法[6]

最優控制其實就是數學理論計算，利用現代控制理論設計出參考變量，結合約束條件和目標函數構造數學模型，汽車懸架阻尼器主要參數為系統剛度和阻尼力。最優控制理論主要有三類：H∞控制、線性控制和預報控制，其中二次型線性最優控制應用較為廣泛。

3.1.3 模糊半主動控制[7]

模糊控制具有智能控制適應性強的特點，主要是可以對系統參數進行及時調整，以便解決復雜的非線性的問題。為了實時調整阻尼力使車輛加速過程更加平穩，一般可以利用Simulink仿真平臺對模糊PID控制。

3.1.4 神經網絡控制[8]

神經網絡控制是具有很強的自適應能力、魯棒性和自學習性，特別適合解決汽車懸架這類的復雜非線性問題。通過類似于神經元的多個控制節點單元來完成復雜的計算，進而控制電流大小來調整阻尼力。

3.2 測試方法

3.2.1 利用Matlab軟件進行模擬計算

僅通過計算機理論計算，雖然成本較低，但是因為難以全部考慮到實際工況下所有影響因素，所以得出的結果往往都是與現實結果有差距，目前仿真結果只能作為參考。

3.2.2 樣機試驗臺

為了充分還原汽車行駛在顛簸的情景，通過激振器發出的振動信號，測試得出懸架系統的響應參數。

3.2.3 汽車上路測試

通過在懸架系統上搭載傳感器來記錄數據，利用計算機來處理采集來的數據，這種測試方法最能檢測出真實的阻尼器工況。

4 磁流變阻尼器在汽車中應用

為了提升汽車運行過程的舒適性，Lord公司首次在汽車座椅上使用了磁流變阻尼器，減小了駕駛員的顛簸感。在類似于礦井的惡劣環境下，通過在重載車輛的懸架系統上安裝磁流變阻尼器，大大提高了其減振效果[9]。Delphi公司利用電磁懸架技術為多家汽車企業設計了減振系統，通過對路況的實時監控，即時對阻尼力進行調整。國內磁流變液的應用還不多，裝甲兵工程學院在軍用汽車上運用了磁流變阻尼器[10]。

5 結語

通過對磁流變液的組成成分研究，針對磁流變液材料的 特點，了解了磁流變液的工作原理。分析應用于汽車磁流變阻尼器的三種工作模式：流動、剪切和擠壓模式，目前混合模式應用比較廣泛。對汽車懸架阻尼器的控制方法進行比較，目前多種控制方法均可以有使用，并且對幾種測試方法進行分析，為后續汽車懸架的設計提供了參考。通過對目前國內外磁流變阻尼器在汽車中的應用進行調研，磁流變液技術在汽車領域中具有廣闊的應用前景。