汽車(chē)磁流變減震器研究綜述

1、圖2徳爾福公同的磁流變減振器汽車(chē)磁流變減震器研究綜述research review of automobile magnetorheological damper摘要：在改善汽車(chē)的乘坐信適性和行駛安全性，提出一種汽車(chē)磁流變半主動(dòng) 懸架的控制策略。本文川介紹年用磁流變減震器的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀；磁流變液的組成及磁流 變效應(yīng)基本原理，分析磁流變減振器的工作原理、工作模式；結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究成果， 綜述用于汽車(chē)懸架的磁流變減振器的仿真模型、控制方法和測(cè)試技術(shù)，并對(duì)今后的研究工作 重點(diǎn)進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞: 磁流變效應(yīng)；磁流變減振器；abstract： a control strategy of autom

2、obile magneto-rheological semi-active suspension was proposed to improve the riding comfortableness and traveling safety of automobile in addition the application and research status quo of automobile clamper were introduced as well as the principle of magncto-rhcological effect and the composition

3、of the magncto-rhcological fluid. working principles and models of the automobile magneto-rheological damper was analyzed and the future focus was discussed after summarizing the simulation models , control method and testing technology of automobile magneto-rheological damper of automobile suspensi

4、on.key words： magneto-rheological effect ; magneto-rheological damper1引言;車(chē)倆懸架系統(tǒng)的主要功能之一是捉供支撐、有 效地隔離路面引起的振動(dòng)和沖擊。冃前冇3種車(chē)輛懸架系統(tǒng)：傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架系統(tǒng)、主動(dòng)懸架系統(tǒng)和 半主動(dòng)懸架系統(tǒng)。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架系統(tǒng)，其主要元 件是有固定剛度的彈贊和固定阻尼力的減振器，它 不能滿足不同道路條件和車(chē)輛行使?fàn)顟B(tài)的要求；采 用可調(diào)節(jié)阻尼力和彈簧剛度的主動(dòng)懸架系統(tǒng)可根據(jù) 道路條件利千輛行駛條件改變阻尼力和彈贊剛度的 大小，以滿足不同乘處舒適性和行駛安全性的要 求，但由于主動(dòng)懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴， 使

5、其在國(guó)內(nèi)僅處于實(shí)驗(yàn)室探索階段；由被動(dòng)彈簧和 可調(diào)節(jié)阻尼力的主動(dòng)減振器所組成的半主動(dòng)懸架系 統(tǒng)，以其價(jià)格低廉、制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、減震效果 較好，止逐漸成為現(xiàn)代汽車(chē)懸架系統(tǒng)的發(fā)展方向 （如圖1）,具有廣闊的應(yīng)用前景【1-3】美國(guó)德?tīng)柛９就茖绲拇帕髯儨p振器如圖2所 示是一種高性能、半主動(dòng)控制系統(tǒng)。在實(shí)際控制 屮，根據(jù)監(jiān)測(cè)車(chē)身和車(chē)輪運(yùn)動(dòng)狀況的傳感器輸入的 信息，對(duì)路況和駕駛環(huán)境作出實(shí)時(shí)響應(yīng)，以便減少車(chē)身 振動(dòng)和增加車(chē)輪在各種路面的附著力。2磁流變技術(shù)簡(jiǎn)介2.1磁流變技術(shù)的發(fā)展磁流變技術(shù)研究的主要目標(biāo)就是利用磁流變液在外加磁場(chǎng)作川卜-改變流變特性這一特 點(diǎn)、,開(kāi)發(fā)出能智能控制的磁流變阻1948年，美國(guó)

6、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)學(xué)者jack rabi now發(fā)明 了磁流變液材料；1994年，美國(guó)lord公司的carlson等人先后申請(qǐng)了磋流變液與磁流變?cè)O(shè)備 的專利。2.2磁流變液的組成和成分特性磁流變液是一種在磁場(chǎng)卜-粘度發(fā)牛明顯變化的新型液體材料，其基本特征是在強(qiáng)磁場(chǎng) 作用下能在瞬間(毫秒級(jí))從自山流動(dòng)液體轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w，呈現(xiàn)可控的丿用服強(qiáng)度，而且變化 是可逆的。磁流變液由3部分組成：1、溫度效應(yīng)較小的載體液，即基液，基液要求具冇低 粘度、高沸點(diǎn)、低凝點(diǎn)高化學(xué)穩(wěn)定性、抗“磁擊穿”等特性.2、可在磁場(chǎng)中產(chǎn)生極化的離散 微粒，即磁性顆粒，磁性顆粒要求貝有低的粘度和高的屈服應(yīng)力；3、防止粒子結(jié)團(tuán)和沉降 的穩(wěn)定

7、劑。2.3磁流變液的流變特性和特征磁流變效應(yīng)是指磁流變液在未加磁場(chǎng)時(shí)，表現(xiàn)為牛頓(newton)流體的特性.其明切應(yīng) 力等于粘度與剪切率的乘積；在外加磁場(chǎng)的作用下.磁流變液表現(xiàn)為賓漢(bingham)流體的 特性，其剪切應(yīng)力山液體的粘滯力和屈服應(yīng)力兩部分維成.其流變特性的改變表現(xiàn)為屈服應(yīng) 力隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加1何單調(diào)增加.而渣體的粘度不變，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用卜能在瞬間從口由流動(dòng) 的漬體轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w呈現(xiàn)可控的屈服強(qiáng)度.而且這種變化是可逆的。磁流變液在外加磁場(chǎng)作用下的屈服過(guò)程由屈服前區(qū)、屈服區(qū)和屈服后區(qū)三個(gè)階段組成如 下圖所示.剪切應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系圖由于磁流變液工作狀態(tài)基木都處于屈服后區(qū).i大1此.為了簡(jiǎn)化

8、磁流變減震器阻尼力的計(jì) 算.磁流變液的木構(gòu)關(guān)系近似取為bingham流體。其本構(gòu)關(guān)系可川下列方程(1)來(lái)描述。/ du、 du r°sgn d?)+，7 d7式中.廠為磁流變液剪切應(yīng)力；為臨界剪切屈服應(yīng)力，它與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)；為磁 流變液的塑性粘度：u為磁流變液的流動(dòng)速度，是徑向處標(biāo)?？偨Y(jié)之磁流變效應(yīng)應(yīng)具有下列特征：(1) 在外加磁場(chǎng)的作用下，磁流變液的表觀粘度發(fā)牛變化的過(guò)程是連續(xù)的、無(wú)級(jí)的，但 這一變化過(guò)程是非線性的。(2) 磁流變效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)。(3) 磁流變效應(yīng)所需的能耗低，這為磁流變液在千輛工程中的應(yīng)用提供方便。(4) 磁流變效應(yīng)是可逆的。(5) 磁流變效應(yīng)對(duì)雜質(zhì)不敏感

9、。(6) 可以采用低電壓,大電流控制磁場(chǎng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱，進(jìn)而控制磁流變效應(yīng)。3磁流變減震器的研究3. 1汽車(chē)磁流變減震器的工作原理、工作模式和仿真模型3. 1. 1工作原理磁流變減振器的原理是利用磁流變液在外加磁場(chǎng)作用下，隨機(jī)分布的磁化微粒的磁 化運(yùn)動(dòng)方向大致平行于磁場(chǎng)方向，磁化運(yùn)動(dòng)使微粒首尾相聯(lián)，形成鏈狀結(jié)構(gòu)或復(fù)朵的網(wǎng)狀結(jié) 構(gòu),從而使磁流變液的流變特性發(fā)生變化來(lái)實(shí)現(xiàn)減振器阻尼力控制2。3. 1. 2工作模式磁流變減霞器的工作模式可分為流動(dòng)模式。剪切模式和擠壓模式。(1) 流動(dòng)模式 在兩固定不動(dòng)的極板z間充滿磁流變液，外加磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)極板垂直作用 于兩極板之間的磁流變液，使磁流變液的流動(dòng)性能發(fā)生變化，

10、從而使推動(dòng)磁流變液流動(dòng)的 活塞所受的阻力發(fā)牛變化，達(dá)到外加磁場(chǎng)控制阻尼力的目的。利用這種工作模式可以設(shè)計(jì)開(kāi) 發(fā)流體控制閥、阻尼器等磁流變器件。(2) 剪切模式 在兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)的極板z間充滿磁流變液，外加磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)極板垂直作川 于兩極板運(yùn)動(dòng)的活塞所受阻力發(fā)牛變化，達(dá)到外加磁場(chǎng)控制阻尼力的口的。利丿ij這種工作模 式可以設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流體離合器、制動(dòng)器、機(jī)床夾具和阻尼器等磁流變器件。(3) 擠壓模式兩極板z間充滿磁流變液，磁流變液受極板的擠壓向四周流動(dòng)，外加 磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)極板作用丁兩極板z間的磁流變液，極板的運(yùn)動(dòng)的活塞所受阻力發(fā)生變化，達(dá)到 外加磁場(chǎng)控制卩fl尼力的目的。利用這種工作模式可以設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)行程較小的阻

11、尼器等磁流變器 件°由于汽車(chē)懸架阻尼器的行程較大，且在結(jié)構(gòu)尺寸和強(qiáng)度上有嚴(yán)格要求。目前通常采用流 動(dòng)和叨切模式混合的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。3. 1.3仿真模型磁流變減震器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是建立起模型。目前主要有數(shù)學(xué)模型和力學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型分 為參數(shù)化模型和非參數(shù)化模型12。(1) 參數(shù)化模型。stanway提出了bingham模型，該模型可較好地?cái)M合阻尼器的力-位 移響應(yīng)，但是對(duì)于力-速度的非線性響應(yīng)尤其是速度很小且位移與速度同向時(shí)，模擬效果 很差。gama to和f訂isko在bing - ham模型基礎(chǔ)上提出了參數(shù)化的粘彈塑性模型,但這一 模型不能很好地?cái)M合阻丿社器低速時(shí)的恢復(fù)力衰減現(xiàn)彖，而r

12、數(shù)值計(jì)篦較復(fù)雜耗時(shí)，不利于 工程應(yīng)用。(2) 非參數(shù)化模型。1996年，gavin等用以減振器速度和加速度的chebychev多表 示的阻尼力進(jìn)行電流變減振器的設(shè)計(jì)，這種方法也可以用磁流變減振器的設(shè)計(jì)，但其模型 非常復(fù)雜，且依賴于實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值擬合或逼近求解，一般只用于參考。磁流變液減震器的力學(xué)模型主要有bouc-wen模型“、改進(jìn)的boucwen模型、bingham 塑性模型、非線性雙粘性模型非線性滯回雙粘性模型和非粘性彈性一塑性模型等5。3.2汽車(chē)磁流變減震器的結(jié)構(gòu)形式、控制方法和測(cè)試技術(shù)3. 2.1汽車(chē)磁流變減震器的結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是磁流變減震器的重耍設(shè)計(jì)部分，主耍包括機(jī)械部分和磁路部分的

13、設(shè)計(jì)，在設(shè) 計(jì)中必須把機(jī)械和磁路結(jié)合起來(lái)考慮。磁流變減晨器的結(jié)構(gòu)形式按活塞桿與缸筒的匹配分為 單杠單筒單杠雙筒和雙桿單筒3種形式。3. 2.2汽車(chē)磁流變減震器的控制方法磁流變減振器的整體系統(tǒng)由控制器、傳感器、作動(dòng)器三部分組成，控制器在其小接收傳 感器傳來(lái)的信息，加以分析計(jì)算后通過(guò)作動(dòng)器對(duì)汽車(chē)懸架進(jìn)行控制?？梢钥闯隹刂破魈幱谡?個(gè)系統(tǒng)的核心位置。然而對(duì)丁流變性質(zhì)十分復(fù)雜的磁流變液如何實(shí)施實(shí)時(shí)而且仿真效果好的 控制，是磁流變減振器研究的焦點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外也捉出了許多控制方法，如 ,天棚阻尼控制方法。天棚阻尼控制方法是敲早提出的半主動(dòng)懸架控制方法，該方法 的原理是在車(chē)身上施加一個(gè)正比于車(chē)身絕對(duì)速度的阻尼力

14、，通過(guò)合理選擇有關(guān)參數(shù)，可徹底 清除系統(tǒng)共振現(xiàn)象。但天棚阻尼控制沒(méi)有很好地解決操縱穩(wěn)定性問(wèn)題，而且僅是一種理論實(shí) 現(xiàn)，在實(shí)際車(chē)輛中是不可能實(shí)現(xiàn)的。 ，最優(yōu)控制方法。最優(yōu)控制是一種現(xiàn)代控制理論，與天棚阻尼控制方法比較，最優(yōu)控 制方法對(duì)系統(tǒng)中更多變雖的影響加以考慮，因而控制效果較好。應(yīng)用于車(chē)輛懸架控制系統(tǒng) 的最優(yōu)控制算法可以分為線性最優(yōu)控制、h最優(yōu)控制和最優(yōu)預(yù)報(bào)控制等3種。 ，模糊半主動(dòng)控制。模糊控制中計(jì)算機(jī)通過(guò)采樣獲取信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理、與給定要求 量比較得誤差信號(hào)，以誤差信號(hào)和誤差信號(hào)的微分輸入模糊控制器，通過(guò)模糊量化處理, 再根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行決策而得出模糊控制量，再經(jīng)非模糊化處理示得到控制

15、最，控制 量經(jīng)d /a發(fā)送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制.模糊控制核心部分是模糊控制器的設(shè)計(jì)。 ，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)口適應(yīng)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是近幾年來(lái)興起的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的一 個(gè)分支。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具冇自適應(yīng)能力，使采川神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具冇更強(qiáng)的適應(yīng) 性。3. 2.3汽車(chē)磁流變減振器的控制效果測(cè)試方法常用的測(cè)試方法3如下： ，利用mat lab等仿真軟件進(jìn)行測(cè)試。運(yùn)用軟件在計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)快速，成本低, 但是與實(shí)際路面行駛時(shí)有一定的差距，使得試驗(yàn)的可信度有一定的降低。 ，制作試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。利用激振系統(tǒng)作為振源，模擬路面的不平狀況及振動(dòng)頻率, 制作試驗(yàn)裝置。該方法易于測(cè)雖、比佼和校正，常用的有

16、液壓伺服試驗(yàn)機(jī)，示功機(jī)等試驗(yàn)設(shè) 備。 ，路面行駛試驗(yàn)。在汽示上安裝平順性座墊、加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)釆集 箱和筆記本計(jì)算機(jī)及分析軟件組成的平順性測(cè)試和分析系統(tǒng)，在道路上實(shí)際行駛進(jìn)行測(cè)試。 試驗(yàn)的可信度大大提高，但測(cè)試路面應(yīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格選擇。3.3磁流變減震器設(shè)計(jì)中存在的技術(shù)問(wèn)題和探討汽車(chē)磁流變減振器是利用磁流變效應(yīng)實(shí)現(xiàn)阻尼力無(wú)級(jí)可調(diào)的減振器，影響英性能的 因素較多，如磁流變液的性能、鐵芯材料的選用、磁路的磁飽和與剩磁、體積補(bǔ)償、阻尼通 道的結(jié)構(gòu)等。其中磁流變液的性能、阻尼通道的設(shè)計(jì)、磁路中磁芯材料的選用、磁流變減振 器的體積補(bǔ)償問(wèn)題已由重慶大學(xué)的廖昌榮2等人進(jìn)行過(guò)深入的探討，并按照長(zhǎng)安微型

17、汽年 的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)和制作了汽車(chē)磁流變減振器，并對(duì)此進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，分析了阻尼力課差 的主要原因，農(nóng)明阻尼力的大小可通過(guò)線圈的勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)。而鄭玲10提出了通過(guò)磁路 設(shè)計(jì)對(duì)磁流變減振器的一些關(guān)鍵尺寸進(jìn)行優(yōu)化的方法，以進(jìn)一步改善磁流變減振器的性能， 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了磁路優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性。而曹民4等人対磁流變減振器的電磁磁路 和液壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，表明了雙筒滑閥式磁流變減振器的可行性和有效性。4結(jié)論與結(jié)論我國(guó)的磁流變液研究工作起步較晚，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)先后有中國(guó)科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、重 慶大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中科院物理所、重慶智能材料結(jié)構(gòu)研究所等數(shù)十家科研機(jī)構(gòu)和院校 也都相繼開(kāi)展此方面的研究

18、工作。特別是重慶人學(xué)廖昌榮等人提出一種兩阻尼通道串聯(lián)的 混合工作模式的汽車(chē)磁流變減震器，以及鄭玲、曹民等專家學(xué)者的研究推動(dòng)了我國(guó)磁流變減 震器的研究和發(fā)展。但是，我國(guó)在磁流變液、流變機(jī)理等很多方血與外國(guó)仍有較大差距。為 此，我國(guó)對(duì)通過(guò)以下途徑來(lái)推動(dòng)國(guó)內(nèi)減震器行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展，特別是磁流變減震器的 研究發(fā)展。(1) 加強(qiáng)與院校、科研單位的合作。(2) 加強(qiáng)磁流變減震器理論研究，提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力。(3) 加強(qiáng)向國(guó)外在此方面領(lǐng)先的科研機(jī)構(gòu)、公司的學(xué)習(xí)和交流。汽車(chē)磁流變減震器的研究仍處于起步階段，述有許多進(jìn)一步探索的問(wèn)題。包括磁流變材 料木身性質(zhì)的探索、建立準(zhǔn)確而又簡(jiǎn)潔可行的仿真模型、積極開(kāi)展智

19、能控制策略的研究、人 量試驗(yàn)優(yōu)化其參數(shù)，使減震器更具有使用價(jià)值。隨著汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，磁流變技術(shù)日益成熟, 在汽車(chē)上的應(yīng)用會(huì)更加廣泛，使汽車(chē)出行更加舒適。參考文獻(xiàn)：1 姚桔赫，梅德慶.用于汽車(chē)懸架的磁流變減震器研究綜述.機(jī)電工程，2006 23(1) ;58-62.2 廖昌榮，余淼，楊建春，陳偉民,黃尚廉汽車(chē)磁流變減振器設(shè)計(jì)屮值得注意的若干技術(shù)問(wèn)題.汽車(chē)技術(shù)，2001(5) ;11-14.3 王 冰,韓冰源，王 巖，艾曦峰 汽車(chē)磁流變減震器研究綜述.森林工程2008 24 (4) ;39-43.4 曹民，喻凡車(chē)用磁流變減振器的研制 機(jī)械工程學(xué)報(bào).2004 40 (3) ; 186-1905 朱華基于磁流變技術(shù)的車(chē)用減震器 研究與開(kāi)發(fā).2009; 68-70.6 柳舟通 磁流變阻尼器的設(shè)計(jì)與研究d.武漢：武漢理工大學(xué)，2002.7 廖昌榮，余淼，陳偉民,梁錫昌，黃尚廉 汽午磁流變減振器設(shè)計(jì)原理與實(shí)驗(yàn)測(cè)試.中 國(guó)機(jī)械工程 2002 13 (16) ; 1391-1394.8 鄧志黨，高峰，劉獻(xiàn)棟,徐國(guó)燕汽車(chē)磁流變減振器阻尼特性理論分析與計(jì)算.機(jī)械設(shè) 計(jì)