车辆悬架磁流变阻尼器动态响应及影响因素分析

摘 要：随着科技的发展和社会的不断进步，世界范围内的航天、军工、枪炮等产业都得以飞速发展，阻尼器作为为以提供运动阻力来消减运动能量的装置，广泛用于航天、航空、军工、汽车等领域。文章通过对车辆悬架磁流变阻尼器的动态响应进行分析，并从电磁响应时间和磁流变响应时间两方面分析了磁流变阻尼器的动态影响因素。

关键词：车辆悬架；磁流变阻尼器；动态响应；影响因素；分析

引言

文章根据车辆悬架磁流变阻尼器的实际工作特点，指出了阻尼器的动态响应及研究方向，并通过探讨磁流变阻尼器动态响应测试中的相关问题，对影响磁流变阻尼器的动态响应因素进行分析，为提高车辆悬架磁流变阻尼器的动态响应性能提供了合理的意见和建议。

1 国内外磁流变阻尼器发展现状

mrf即磁流变液，是一种流变特性可根据外部磁场变化进行控制的智能材料。将磁流变液作为工作介质，磁流变阻尼器具有响应速度快、功能消耗低且磁流变阻尼力连续可调的特点。因此在军工、航空、航天、汽车的结构抑制震动过程中具有重要的作用。磁流变阻尼器的性能指标除了包括阻尼力可控的要求外，其动态响应特性作为汽车磁流变阻尼器中的执行装置，对振动控制的抑制周期、应用范围和使用结果都具有决定性的作用。

近年来，国内外磁流变阻尼器在动态响应的研究过程中取得了较大的成就。国外学者研究出了电压源驱动和电流源驱动的方式与线圈的串、并连结构对磁流变阻尼器响应时间产生的影响。电压源驱动主要是指驱动器的响应性能对变阻尼器响应时间的影响，而电流源的响应则是通过改变磁流变阻尼器本身的电磁感应来对其响应时间产生影响[1]。

2 磁流变阻尼器动态响应分析

现阶段国内外对于磁流变阻尼器的动态响应时间上并没有统一的定义和计算方法，其主要表现在对磁流变阻尼力在最终状态下的稳定值百分比的选取过程中存在着62.1%和94%等，同时又因为变阻尼器的应用领域较为广泛，所以对阻尼力的计算和求取仍存在较多的意见分歧。下文对车辆悬架磁流变阻尼器动态响应的时间进行了相应的描述和研究。

由于磁流变阻尼器的阻尼力主要由粘滞和库伦阻尼力两部分构成，其中粘滞阻尼系数用ce表示，库伦阻尼力用fmr表示，其中ce=■+■，fmr=-[■+2bl]？子ysgn（v），而f=-cev+fmr 。式中f为阻尼力，v代表磁流变阻尼器的运行速度，sgn为正弦三角函数，阻尼器中平行板之间的距离为h，？浊代表磁流变液的塑性粘度，？子y阻尼器的临界屈服应力。当固定磁流变阻尼器的尺寸之后，由公式可知粘滞阻尼力ce是磁流变阻尼器的运行速度v的函数，而库伦阻尼力则是由磁流变效应而产生的。所以当固定住磁流变阻尼器的尺寸之后，并且当其运行速度保持恒定值v时，磁流变阻尼器的阻尼力只和励磁电流的强度有关[2]。

磁流变阻尼器的动态响应性质为磁流变阻尼器的阻尼力随着励磁电流的变化而变化的性质，通过采用三角波位移的记录方法可以准确的分析磁流变阻尼力的变化特性。

由于车辆悬架磁流变阻尼器要求其自身的阻尼力相对较小，而在复原过程中有要求其自身阻尼力较大，因此，在分析响应时间时，可将车辆悬架的变阻尼力在阻尼器的复原过程中进行研究。因此在一个较为完整的阻尼器复原过程中，在阻尼器的三角波位移的情况下，当电磁变阻尼器中的励磁电流发生阶段性变化时，从接通电流阶段到阻尼器的阻尼力达到新的稳定值所需时间为原来时间的95%[3]。

3 测试磁流变阻尼器动态响应时间方法

对磁流变阻尼器动态响应时间的测量方法可以通过三角波位移激励的方法，可以大幅度的减小粘滞阻尼力对动态响应时间产生的影响，从而使得响应时间的计算方法变得更加简洁。通过选择合适的激励平台和传感器以外，正确选择在磁流变阻尼器中接入电流的时机也是非常重要的。垂直震动的主要频率波段在4到12赫兹之间，由于频率波段的最大值为12赫兹，而磁流变阻尼器完成一次压缩复原则需要83秒的时间，但是通过分析可知，测试时间只适合在40s左右的复原过程中进行，因此，在阻尼器复原形成的开始和结束时，并不适用于测量时间的范围内，所以最佳的测量阻尼器动态响应的时间为其开始复原后的5-10秒内，从而保证其在复原过程中有充足的时间使阻尼器的阻尼力达到相对稳定值。输入阻尼器位移信号的时间和励磁电流阶段性增加与减少的时间关系

。

为了在最佳的时间段内接入励磁电流，可以应用电流驱动器对阻尼器的运行状态进行控制，并更加精确的控制阻尼器的响应时间[4]。

4 影响磁流变阻尼器动态响应时间因素分析

影响磁流变阻尼器动态响应时间的因素主要分为电磁响应时间和磁流变液的响应时间。

4.1 电磁响应时间

4.1.1 电磁线圈结构影响

通常情况下，阻尼器的线圈有两种接线方式，一种是串联，另外一种是并联。为了便于研究，假定磁流变阻尼器的相同线圈数量为n，阻尼器电感的参数为l0/n，电阻的参数为r0/n，则当阻尼器中的线圈进行串联时，电感和电阻的值分别为ls=l0和rs=r0，而当阻尼器的线圈进行并联时候，lp=■，rp=■。

当阻尼器的线圈进行串联连接和并联连接时，其具有相同的电感比和电阻比，分别为■和■，但是串联与并联下，阻尼器中的励磁电流达到稳定的时间却不同，则说明了其阻尼力达到稳定的时间也不同。电流源比例增益 较大的时候，励磁电流的阶段性输入信号将使得电流源的电压v达到最大值vmax，由此可知在线圈进行串联时，阻尼器中的电流控制方程式为vmax=ls■i（t）+rsi（t），而并联时的电流控制式为vmax=■■i（t）+■i（t），分别解两方程得，串联线圈中is（t）=■（i-e■），？子=■，并联线圈中ip（t）=n■（i-e■），？子=■，将串联与并联情况下的线圈与电流时间关系对比，要使串联和并联中达到相同的电流，并联过程中激励电流达到稳定时的时间tp要比串联时达到稳定时间的ts要小得多。

4.1.2 涡流效应影响

磁流变阻尼器以改变激励电流的大小从而使磁场发生变化，进而使磁流变液的流动性质变化来产生阻尼力的效果为工作原理，通常状况下，由电磁感应定律可知，线圈绕在相关铁磁性材料时，将在贴心的内部产生感应电动势，导致电动势涡流的产生，而在涡流效应的作用下，其产生的磁场与激励电流相反，进而延长了磁流变阻尼器的动态响应时间。

4.2 磁流变液响应时间

材料因素是影响磁流变液响应时间的重要因素，所谓磁流变液的响应时间是指施加外部磁场时，磁流变液消除外部磁场所需要的时间。影响磁流变效应的因素很多，其中磁性颗粒的体积含量对其影响最为明显，当颗粒较大时融入到磁流变液中的颗粒使其浓度增加，从而消除外部磁场的时间就有所增加，延长了磁流变液的响应时间。

5 结束语

文章通过对国内外磁流变阻尼器发展现状进行分析，从而分析了磁流变阻尼器动态响应过程，从电磁线圈结构影响和磁流变液响应时间两方面对车辆悬架磁流变阻尼器动态响应及影响因素进行了详细的分析。

参考文献

[1]黄曦，余淼，爱军，等.磁流变液阻尼器动态响应及其影响因素分析[j].功能材料，2006，05（15）：808-810.

[2]岳永恒.基于磁流变阻尼器的汽车悬架系统切换控制[d].哈尔滨工业大学，2013.

[3]宗路航.磁流变阻尼器的动力学模型及其在车辆悬架中的应用研究[d].中国科学技术大学，2013.

[4]祁玉宁.车辆悬架系统用磁流变阻尼器的设计方法研究[d].兰州理工大学，2005.