汽车磁流变减振器控制过程探讨

【摘 要】减振器是汽车悬架系统的一个重要组成部件，特别是磁流变减振器，它具有良好的阻尼可调性，大大提高了汽车乘坐的舒适性，行驶的平稳性和操纵稳定性，其技术发展与理论研究早已引起了人们的广泛关注。本文主要对磁流变减振器的结构及工作原理进行了详细的分析，从磁流变阻尼器在悬架系统中的应用及发展情况方面进行了论述，解决了传统减振系统主要靠阀门结构和液体的流动阻力达到减振效果的难题。

【关键字】磁流变减振器；阻尼特性；磁流变液

1.引言

磁流变减振器利用电磁反应，以来自监测车身和车轮运动传感器的输入信息为基础，对路况和驾驶环境做出实时响应。磁流变液体是一种磁性软粒悬浮液，当液体被注入减振器活塞内的电磁线圈后，线圈的磁场将改变其流变特性（或产生流体阻力），从而在没有机电控制阀、且机械装置简单的情形下，产生反应迅速、可控性强的阻尼力。磁流变减振器有阻尼力可调倍数高、易于实现计算机变阻尼实时控制、结构紧凑以及外部输入能量小等特点，日益受到工程界的高度重视。

2.磁流变减振器

2.1磁流变减振器的构造及工作示意图

与传统的筒式减振器相比，磁流变减振器的特点是其阻尼力不只取决于活塞运动速度，而主要通过控制在内外筒间所施加的电压来控制阻尼力的大小。由于磁流变减振器中不设置节流面积可变的节流阀其抗机械磨损的性能大大提高。

图（1.1）是L0rd公司生产的用于车辆座椅振动控制的典型的磁流变减振器的结构简图，其结构与单筒式充气减振器极为相似。从空心的活塞杆中引入导线控制磁场变化，磁场变化可以改变从工作活塞轴向孔隙中流过的磁流变液的粘度，进而改变阻尼力的大小。由于活塞杆的行程较小，采用由膜片封闭的具有一定初始压力的氮气补充工作腔体积的变化。

目前磁流变阻尼器在汽车智能悬架系统中应用越来越广泛和深入。通过用磁流变阻尼器替换原来的被动阻尼器，从而实现汽车悬架系统的智能化和半主动控制。汽车磁流变半主动悬架系统的主要原理：采用传感器装置（如加速度传感器）实时感知路面激励及汽车簧上和簧下质量的振动信号，对这些信号进行分析和处理，并把有用信号传递给处理器，处理器根据采用的控制策略和控制算法，分析处理这些信息，并发出控制信号，对悬架系统进行控制，驱动磁流变阻尼器产生控制力，达到实时减振要求和目的。

如图（1.2）所示为美国Lord公司的工程技术人员开发的一种汽车磁流变半主动座椅悬架系统一Motion Mastd 141，的工作简图."Motion Master”系统由一只磁流变阻尼器、一个位移传感器和一个控制器组成磁流变阻尼器为单筒式，装有70mL磁流变液，采用压缩氮气作补偿，阻尼孔环形分布在活塞上，励磁线圈绕制也在活塞上，通过活塞杆引出电源线。该阻尼器直径为41 mm，活塞行程为士29mm，在输入电流为1A时输入功率为5W。位移传感器用于检测座椅的振动信号，控制器具有软、中、硬三种模式，可根据驾驶员的体重选择，控制信号输出频率为500Hz。经实验室测试，该座椅悬架系统可以有效降低40%的振动和49%的冲击。

2.2磁流变阻尼器在悬架系统中的应用和发展情况

磁流变液具有优良的可控性、很宽的动态范围、较高的响应速度，很低的功耗，相对简单的控制方式，因此它在结构振动控制、车辆工程中具有广阔的应用前景，尤其是在汽车半主动悬架领域它已经成为竞相研究的热点，世界发达国家的研究机构和企业投入大量人力物力利用磁流变液开发阻尼器件及相关技术。

美国Lord公司是世界上最大的磁流变液供应商，也是磁流变技术商业开发的领导者，拥有磁流变阻尼器、制动器、离合器及其控制系统的多项专利，其中Pinkos等设计了转盘式磁流变主动悬架系统，并完成了汽车半主动悬架的控制实验，这种悬架系统大大地提高了汽车的安全性和舒适性。世界最大汽车零部件制造和系统集成商一美国德尔夫（Delphi）公司与通用汽车公司合作开发了汽车磁流变半主动悬架系统Magneride，并获得了1999年度世界一百大科技成果奖，现在德尔夫公司已经开始与通用汽车公司合作，在2002 Seville STS型高档轿车上进行了试用。

在国内，磁流变半主动悬架的研究已经起步。香港中文大学智能材料与结构实验室的C. Y Lai和W. H. Laio利用Lord公司开发的磁流变阻尼器研究了单自由度悬架系统的振动控制，其控制算法为滑模控制，与传统的被动悬架相比，采用磁流变阻尼器可控悬架的簧上质量的垂直加速度得到大幅度降低。复旦大学在对磁流变材料的机理和制备方法进行研究的同时，还与上海大众汽车公司和上海汇众汽车制造有限公司合作研发汽车磁流变阻尼器和半主动悬架。重庆大学对磁流变阻尼器的流变理论和设计方法进行了深入的研究，解决了磁流变阻尼器磁路设计和结构设计中的相关技术问题，研制出了微型汽车磁流变阻尼器和用于海南马自达的汽车磁流变阻尼器，并在国家客车质量监测中心进行了测试，为汽车磁流变阻尼器的开发和应用奠定了理论和技术基础。

3.结论

由最近几年开发出来利用新型智能材料磁流变液体作为减振液的新型减振器，由于减振液粘性可调节，可实现阻尼无级变化，因而是一种非常有发展前途的可调减振器。这种新型减振器的原理是基于阻尼介质的粘性可根据施加的磁场而调节。通常磁场设置在连接减振器上下腔的通路上。磁流变减振器结构简单，制造成本不高，且无液压阀的振动冲击和噪声，不需要复杂的驱动机构。磁流变液体响应快，在屈服应力、温度范围、塑性粘度和稳定性等方面有很好的性能。在相同的功耗条件下，磁流变材料的剪切屈服应力是电流变材料剪切屈服应力的20～50倍，这样磁流变器件可以比电流变器件体积小得多。另外，磁流变材料对杂质影响不敏感。因而，磁流变减振器具有非常广阔的应用前景。