基于磁流變阻尼器的半主動懸架研究

李強飛

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

相比于乘用車，商用車運行工況更為惡劣，商用車行駛平順性成為研究熱點。其中可控智能懸架是提升商用車平順性的主要途徑，根據懸架參數可調性，可控智能懸架分為主動懸架與半主動懸架。由于商用車運行工況多變，傳統被動懸架無法保證在任意工況下，懸架都擁有最佳減振性能。而可控懸架可結合實時工況調節懸架參數，確保任意時刻汽車具有最佳平順性和行駛安全性[1-2]。

半主動懸架不需要增加額外的作動器，能耗更小，市場應用前景廣泛，本文提出一種基于磁流變半主動懸架的商用車平順性優化方法。

1 設計原理

磁流變液（Magneto-Rheological Fluid, MRF）是一種由非導磁性液體和均勻分散于其中的高磁導率微小磁性顆粒組成的新型智能材料，MRF是產生磁流變效應的物質載體。在無外加磁場條件下，磁粒分子分布和運動狀態是隨機的，其遷徙和轉動只受熱運動影響，而當外加磁場強度時，則會產生磁流變效應，粒子相互靠近有序排列，隨著磁場強度增加有序相聯，最后以長鏈為核心吸收短鏈形成固態相，最終實現MRF流動性與粘性變化的特點。通過改變磁場來改變MRF流動性與粘性間接改變阻尼器結構參數，從而為半主動懸架結構設計提供基本依據[3]。

2 結構設計與優化

2.1 磁流變阻尼器結構

本文提出的磁流變阻尼器結構如圖 1所示，其中設置有雙線圈活塞，由于磁流變阻尼器為有桿腔活塞。因此，設置有一個補償腔，一個補償閥，一個浮動活塞來平衡阻尼器內部壓力。活塞電源線分布于活塞桿內部，為活塞線圈提供電源，通過控制活塞線圈電流大小來控制磁場大小，最終實現阻尼器阻尼力大小可控，結構示意圖如圖1所示。

圖1 磁流變阻尼器基本結構

本研究選用 MRF21322型磁流變體。根據磁流變效應的工作模式主要分為剪切，流動，擠壓三種模式，分別如圖 2所示。由于擠壓模式所提供的的阻尼力與行程有限，而商用重型載貨車需要大阻尼大行程，因此，本研究采用流動模式與剪切模式的混合模式進行集成應用。

圖2 磁流變效應工作模式示意圖

2.2 新型磁流變阻尼器阻尼力計算

MRF力學模型主要有 Sigmoid模型以及Bingham粘塑性模型等。本研究采用Bingham磁流變模型，其將阻尼器分為了兩個力學模塊元件，其中第一項是關于速度的動摩擦力，第二項是關于場強的磁流變粘滯力。結合Bingham磁流變模型分別建立拉伸與壓縮狀態下阻尼力計算公式，拉伸狀態下阻尼力計算公式[4]為

壓縮狀態下阻尼器阻尼力計算公式為

式中，F1為摩擦黏滯力；F2為庫倫力；η為磁流變液體的零場粘度；L1與L2為磁極寬度；AP1，AP2，AP3為活塞面積；h1與h2為阻尼通道寬度；D為活塞外徑；τy為磁流變液的剪切屈服強度；v為相對速度，b1，b2為磁場間隙距離。

混合模式下的磁流變阻尼器的最小阻尼力為零磁場下的粘滯力，通過調節勵磁電流大小進行磁場強度大小調節，實現最大阻尼力控制，并定義間隙比為Q=h/D。分析可知動力調節倍數與間隙比有關，因此，可以設計相應的間隙比來設定阻尼力調節范圍。取整車結構參數為，空載質量為12 500 kg，滿載質量為25 000 kg，前橋負荷比為45%，簧下總質量為2 600 kg，結合汽車整車參數與性能分析，初選阻尼通道間隙比為 0.04，阻尼通道間隙寬度為2 mm。其次對磁場結構參數進行設計，選用銅線尺寸為0.6 mm，根據電磁場基本規律，選用功率為3 kW，最大電流為3 A，根據估算活塞線圈數為84.8，取整為85，將活塞纏繞六層，每層4圈，共84圈，計算單級阻尼通道為36.8 mm。

2.3 磁流變阻尼器結構優化

Ansoft Maxwell是一種電磁場分析軟件。因磁路在任何一處磁通達到飽和，將進一步影響整個磁路磁場增強。磁流變阻尼器設計中應遵守兩點優化原則，首先避免磁芯局部區域處出現提前磁飽和；其次保證阻尼通道區域磁流變液充分磁飽和，充分發揮磁流變效應[5]。結合基本結構設計，采用有限元分析軟件Ansoft Maxwell對磁流變阻尼器結構參數進行優化。根據基礎設計范圍，選取系列磁芯半徑參數進行有限元仿真。首先進入Ansoft Maxwell 2D建立界面，設置完畢后選擇magnetostatic靜態磁場求解器、Master/Slave邊界條件，進行網格劃分設置求解參數并執行 Maxwell 2D/Validation check，對模型進行檢測，檢測后啟動仿真。仿真結果如圖 3所示，其為磁流變阻尼器磁路磁感應強度云圖，從圖中可得到最高磁密為2.5 T，位于活塞上下兩端面，磁路各區域的飽和磁感應強度均在材料的最大飽和磁感應強度范圍之內，沒有過飽和，磁路設計合理，可得半徑為11 mm能滿足優化原則。

圖3 磁芯半徑為11 mm的磁路模型有限元分析

3 控制策略設計

模糊控制是一種具有人工智能特征的不依賴精確數學模型，適用于時變系統的智能控制方法；所謂模糊PID控制是以偏差e及偏差的變化ec為輸入，利用模糊控制規則在線對 PID參數進行調整，以滿足不同的偏差e和偏差的增量ec對PID參數的不同要求。由于磁流變懸架系統結構復雜，工況多變，其所受的被迫振動具有非線性與時變性，本研究采用模糊控制與 PID控制相結合的方法。

本研究輸入變量為車輛懸掛位置簧載質量的垂向速度偏差，與簧載質量加速度偏差，模糊論域設為[-3，-2，-1，0，1，2，3]七個語言參量，分別為負大（NB），負中（NM），負小（NS），零（ZO），正小（PS），正中（PM），正大（PB）。由此獲得 kp，ki，kd的模糊控制規則表，如表 1所示。輸出變量分別為對 PID控制器積分系數、比例系數、微分系數的調整量。PID控制器的輸入變量是模糊控制器的輸出變量，輸出變量為期望控制力。輸入輸出變量均采用三角形隸屬度函數，模糊推理采用Mamdani法。模糊控制的控制規則一般為動態的，如果偏差數值較小，可適量降低kp與ki值，避免系統超調，提升系統對的穩定性，而當出現偏差較大時，通過提升kp與ki值可以盡快消除偏差，提高系統魯棒性。

表1 kp/ki/kd間的模糊控制規則表

4 車輛懸架系統動力學仿真

根據上述整車參數與設定控制策略，對某商用車 1/2平面模型進行性能仿真分析，其中利用Matlab/Simulink仿真軟件進行響應的仿真分析，振動沖擊的描述方法采用濾波白噪聲進行描述分析，對路面激勵進行輸入，輸入時選取車輛經常行駛的B級路面參數作為模型輸入。

為了直觀觀測優化效果，分別建立傳統被動懸架與模糊 PID磁流變阻尼器半主動懸架仿真模型，如圖4所示。圖5給出了兩者簧載質量運動加速度大小隨時間變化的關系曲線圖，可得出同等大小激勵，半主動懸架擁有較小的簧載質量加速度。圖 6給出了車輪與路面之間的動載隨時間的變化關系曲線。分析可得，受到同等程度大小的路面沖擊時，本研究所設計的半主動懸架相比于被動懸架，相對動載數值更小，因而擁有更好的舒適性，汽車亦擁有更好的安全性。受到同等程度大小的路面沖擊時，本研究所設計的半主動懸架相比于被動懸架，平順性更好，相對動載更小，擁有更好的舒適性與行駛安全性。

圖4 磁流變模糊PID半主動懸架系統仿真模型

圖5 半主動懸架與被動懸架簧載質量加速度大小

圖6 半主動懸架與被動懸架車輪與路面動載大小

5 結束語

本研究設計了一種新型的磁流變半主動電控懸架，首先對基礎結構進行設計，采用有限元分析軟件Ansoft在一定區間中對結構進行優化，其次采用模糊控制與PID控制相結合的控制策略，對磁流變阻尼器輸出特性進行控制，采用Matlab/Simulink進行了振動特性性能仿真，從分析可以看出，本研究設計的磁流變半主動懸架能夠使得車輛擁有良好的隔振特性，當簧載質量受到所設置的B級路面激勵振動時，簧載質量加速度數值與相對動載數值更小，具有良好的平順性與舒適性，能夠極大地降低相對動載，使得汽車行駛安全性也得到極大改善。