汽车磁流变减震器研究综述Research Review of Automobile Magnetorheological Damper 摘要：在改善汽车的乘坐舒适性和行驶安全性, 提出一种汽车磁流变半主动悬架的控制策略。

本文中介绍车用磁流变减震器的应用与研究现状; 磁流变液的组成及磁流变效应基本原理, 分析磁流变减振器的工作原理、工作模式；结合国内外最新研究成果，综述用于汽车悬架的磁流变减振器的仿真模型、控制方法和测试技术, 并对今后的研究工作重点进行了探讨。

关键词：磁流变效应; 磁流变减振器;Abstract：A control strategy of automobile magneto-rheological semi-active suspensionwas proposed to improve the riding comfortableness and traveling safety of automobile. In addition the application and research status quo of automobile damper were introduced as well as the principle of magneto-rheological effect and the composition of the magneto-rheological 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 suspension.Key words：magneto-rheological effect ; magneto-rheological damper1 引言;车辆悬架系统的主要功能之一是提供支撑、有效地隔离路面引起的振动和冲击。

目前有3 种车辆悬架系统: 传统的被动悬架系统、主动悬架系统和半主动悬架系统。

传统的被动悬架系统, 其主要元件是有固定刚度的弹簧和固定阻尼力的减振器, 它不能满足不同道路条件和车辆行使状态的要求; 采用可调节阻尼力和弹簧刚度的主动悬架系统可根据道路条件和车辆行驶条件改变阻尼力和弹簧刚度的大小, 以满足不同乘坐舒适性和行驶安全性的要求, 但由于主动悬架系统的结构复杂, 成本昂贵,使其在国内仅处于实验室探索阶段; 由被动弹簧和可调节阻尼力的主动减振器所组成的半主动悬架系统, 以其价格低廉、制造工艺相对简单、减震效果较好, 正逐渐成为现代汽车悬架系统的发展方向(如图1) , 具有广阔的应用前景【1-3】美国德尔福公司推出的磁流变减振器如图2 所示是一种高性能、半主动控制系统。

在实际控制中, 根据监测车身和车轮运动状况的传感器输入的信息, 对路况和驾驶环境作出实时响应, 以便减少车身振动和增加车轮在各种路面的附着力。

2 磁流变技术简介2.1 磁流变技术的发展磁流变技术研究的主要目标就是利用磁流变液在外加磁场作用下改变流变特性这一特点，开发出能智能控制的磁流变阻器。

1948年，美国国际标准化协会学者Jack Rabinow 发明了磁流变液材料；1994年，美国Lord 公司的Carlson 等人先后申请了磋流变液与磁流变设备的专利。

2.2 磁流变液的组成和成分特性磁流变液是一种在磁场下粘度发生明显变化的新型液体材料, 其基本特征是在强磁场作用下能在瞬间(毫秒级) 从自由流动液体转变为半固体, 呈现可控的屈服强度, 而且变化是可逆的。

磁流变液由3 部分组成: 1、温度效应较小的载体液, 即基液，基液要求具有低粘度、高沸点、低凝点高化学稳定性、抗“磁击穿”等特性.2、可在磁场中产生极化的离散微粒, 即磁性颗粒，磁性颗粒要求具有低的粘度和高的屈服应力；3、 防止粒子结团和沉降的稳定剂。

2.3 磁流变液的流变特性和特征磁流变效应是指磁流变液在未加磁场时，表现为牛顿（Newton ）流体的特性．其剪切应力等于粘度与剪切率的乘积；在外加磁场的作用下．磁流变液表现为宾汉(Bingham)流体的特性，其剪切应力由液体的粘滞力和屈服应力两部分维成．其流变特性的改变表现为屈服应力随磁场强度的增加而单调增加．而渣体的粘度不变，在强磁场作用下能在瞬间从自由流动的渍体转变为半固体．呈现可控的屈服强度．而且这种变化是可逆的。

磁流变液在外加磁场作用下的屈服过程由屈服前区、屈服区和屈服后区三个阶段组成．如下图所示．剪切应变与应力关系图由于磁流变液工作状态基本都处于屈服后区．因此．为了简化磁流变减震器阻尼力的计算．磁流变液的本构关系近似取为Bingham 流体。

其本构关系可用下列方程（1）来描述。

0d u d u sg n +d r d r ττη=（） 0ττ>du =0drττ≤ 式中．τ为磁流变液剪切应力；0τ为临界剪切屈服应力，它与磁场强度有关；η为磁流变液的塑性粘度：u 为磁流变液的流动速度，r 是径向坐标。

总结之磁流变效应应具有下列特征:(1) 在外加磁场的作用下, 磁流变液的表观粘度发生变化的过程是连续的、无级的, 但 这一变化过程是非线性的。

(2) 磁流变效应的响应时间为毫秒级。

(3) 磁流变效应所需的能耗低, 这为磁流变液在车辆工程中的应用提供方便。

(4) 磁流变效应是可逆的。

(5) 磁流变效应对杂质不敏感。

(6) 可以采用低电压,大电流控制磁场强度的强弱,进而控制磁流变效应。

3 磁流变减震器的研究3.1汽车磁流变减震器的工作原理、工作模式和仿真模型3.1.1 工作原理磁流变减振器的原理是利用磁流变液在外加磁场作用下,随机分布的磁化微粒的磁化运动方向大致平行于磁场方向,磁化运动使微粒首尾相联,形成链状结构或复杂的网状结构,从而使磁流变液的流变特性发生变化来实现减振器阻尼力控制[2]。

3.1.2工作模式磁流变减霞器的工作模式可分为流动模式。

剪切模式和挤压模式。

（1）流动模式在两固定不动的极板之间充满磁流变液, 外加磁场经过极板垂直作用于两极板之间的磁流变液, 使磁流变液的流动性能发生变化, 从而使推动磁流变液流动的活塞所受的阻力发生变化, 达到外加磁场控制阻尼力的目的。

利用这种工作模式可以设计开发流体控制阀、阻尼器等磁流变器件。

（2）剪切模式在两相对运动的极板之间充满磁流变液, 外加磁场经过极板垂直作用于两极板运动的活塞所受阻力发生变化, 达到外加磁场控制阻尼力的目的。

利用这种工作模式可以设计开发流体离合器、制动器、机床夹具和阻尼器等磁流变器件。

（3）挤压模式两极板之间充满磁流变液, 磁流变液受极板的挤压向四周流动, 外加磁场经过极板作用于两极板之间的磁流变液, 极板的运动的活塞所受阻力发生变化, 达到外加磁场控制阻尼力的目的。

利用这种工作模式可以设计开发行程较小的阻尼器等磁流变器件。

由于汽车悬架阻尼器的行程较大，且在结构尺寸和强度上有严格要求。

目前通常采用流动和剪切模式混合的模式进行设计。

3.1.3 仿真模型磁流变减震器设计的关键是建立起模型。

目前主要有数学模型和力学模型。

数学模型分为参数化模型和非参数化模型[12]。

（1）参数化模型。

Stanway 提出了Bingham 模型，该模型可较好地拟合阻尼器的力- 位移响应, 但是对于力- 速度的非线性响应尤其是速度很小且位移与速度同向时, 模拟效果很差。

Gamato 和Filisko在Bing - ham 模型基础上提出了参数化的粘弹塑性模型, 但这一模型不能很好地拟合阻尼器低速时的恢复力衰减现象, 而且数值计算较复杂耗时, 不利于工程应用。

（2）非参数化模型。

1996 年, Gavin 等用以减振器速度和加速度的Chebychev 多表示的阻尼力进行电流变减振器的设计, 这种方法也可以用磁流变减振器的设计, 但其模型非常复杂, 且依赖于实验进行数值拟合或逼近求解, 一般只用于参考。

磁流变液减震器的力学模型主要有Bouc-Wen模型“、改进的Bouc一Wen模型、Bingham 塑性模型、非线性双粘性模型非线性滞回双粘性模型和非粘性弹性一塑性模型等[5]。

3.2 汽车磁流变减震器的结构形式、控制方法和测试技术3.2.1 汽车磁流变减震器的结构形式结构设计是磁流变减震器的重要设计部分，主要包括机械部分和磁路部分的设计，在设计中必须把机械和磁路结合起来考虑。

磁流变减震器的结构形式按活塞杆与缸筒的匹配分为单杠单筒单杠双筒和双杆单筒3种形式。

3.2.2 汽车磁流变减震器的控制方法磁流变减振器的整体系统由控制器、传感器、作动器三部分组成, 控制器在其中接收传感器传来的信息, 加以分析计算后通过作动器对汽车悬架进行控制。

可以看出控制器处于整个系统的核心位置。

然而对于流变性质十分复杂的磁流变液如何实施实时而且仿真效果好的控制, 是磁流变减振器研究的焦点。

国内外也提出了许多控制方法，如①,天棚阻尼控制方法。

天棚阻尼控制方法是最早提出的半主动悬架控制方法, 该方法的原理是在车身上施加一个正比于车身绝对速度的阻尼力,通过合理选择有关参数, 可彻底清除系统共振现象。

但天棚阻尼控制没有很好地解决操纵稳定性问题, 而且仅是一种理论实现, 在实际车辆中是不可能实现的。

②,最优控制方法。

最优控制是一种现代控制理论, 与天棚阻尼控制方法比较, 最优控制方法对系统中更多变量的影响加以考虑, 因而控制效果较好。

应用于车辆悬架控制系统的最优控制算法可以分为线性最优控制、H最优控制和最优预报控制等3种。

③,模糊半主动控制。

模糊控制中计算机通过采样获取信号, 经信号处理、与给定要求量比较得误差信号, 以误差信号和误差信号的微分输入模糊控制器, 通过模糊量化处理, 再根据模糊控制规则进行决策而得出模糊控制量, 再经非模糊化处理后得到控制量, 控制量经 D /A发送到执行机构对被控对象实施控制.模糊控制核心部分是模糊控制器的设计。

④，神经网络自适应控制。

神经网络控制是近几年来兴起的人工神经网络研究的一个分支。

神经网络具有自适应能力, 使采用神经网络方法设计的控制系统具有更强的适应性。

3.2.3 汽车磁流变减振器的控制效果测试方法常用的测试方法[3]如下:①，利用Matlab 等仿真软件进行测试。

运用软件在计算机进行测试, 试验快速, 成本低, 但是与实际路面行驶时有一定的差距, 使得试验的可信度有一定的降低。