磁流變減振器的研究發(fā)展現(xiàn)狀

彭嘉琪，李彥峰，徐 偉，伍 強(qiáng)，林耿香

磁流變減振器的研究發(fā)展現(xiàn)狀

彭嘉琪，李彥峰*，徐 偉，伍 強(qiáng)，林耿香

（廣東技術(shù)師范大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510450）

磁流變減振器是一種阻尼力連續(xù)可變、反應(yīng)迅速、機(jī)械裝置簡(jiǎn)單、外部輸入能量小的新型減振器。近年來(lái)，不可再生能源日益枯竭、碳排放量過(guò)高等問(wèn)題受到人們的重視，基于可持續(xù)發(fā)展的原則，新能源汽車和電動(dòng)汽車將成為汽車發(fā)展的必然選擇，電子化、智能化的磁流變減振器必將取得長(zhǎng)足的發(fā)展與應(yīng)用。文章首先介紹了磁流變減振器的核心技術(shù)，研究了磁流變材料的沉降穩(wěn)定性和磁流變減振器能給問(wèn)題的解決方法，然后討論了磁流變減振器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，最后對(duì)磁流變減振器現(xiàn)階段的研究進(jìn)行了總結(jié)。

磁流變減振器；可控特性；溫升特性；半主動(dòng)懸架

汽車減振器的發(fā)展歷史已有100多年，為了使車架與車身的振動(dòng)迅速衰減，幾乎所有汽車都裝有減振器，用來(lái)改善汽車行駛的平順性、安全性和舒適性。減振器最大的功能就是緩沖震動(dòng)，提高車內(nèi)人乘坐的舒適感，在某種程度上，減振器還可以避免事故中的人員受到更嚴(yán)重的傷害。

從阻尼材料來(lái)分，目前常用的減振器分為液壓式和氣壓式[1]。汽車懸架系統(tǒng)中廣泛采用液壓減振器，但液壓減振器阻尼油沸點(diǎn)低，對(duì)高溫敏感，這就造成了液壓減振器對(duì)系統(tǒng)的密封性的要求很高，否則可能會(huì)出現(xiàn)漏油等現(xiàn)象。而氣壓式減振器是20世紀(jì)60年代以來(lái)逐漸發(fā)展的一種減振器，這類減振器的特點(diǎn)是對(duì)溫度不敏感、路感清晰，操控感好且適合長(zhǎng)途行駛，比起液壓減振器具有更加理想的工作狀態(tài)，但這類減振器對(duì)于密封和充氣工藝要求較高，多用于改裝。除了這兩類減振器，還有一種阻尼可調(diào)式減振器，阻尼可調(diào)式減振器又分為傳統(tǒng)阻尼可調(diào)和電/磁控可變阻尼減振器[2]。傳統(tǒng)阻尼可調(diào)減振器需要復(fù)雜的機(jī)電裝置，有的還需要配備附屬液壓系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，無(wú)法在普通車型上廣泛普及。相比之下，電/磁流變液減振器運(yùn)用更加靈活，重量和體積相對(duì)更小，而磁流變液減振器比之電流變液減振器的工作狀態(tài)更加穩(wěn)定，所以磁流變減振器漸漸成為研究發(fā)展的主流。

磁流變減振器有阻尼力連續(xù)可變、可對(duì)駕駛環(huán)境實(shí)時(shí)響應(yīng)、機(jī)械裝置簡(jiǎn)單以及外部輸入能量小等特點(diǎn)，特別是在車速達(dá)到很高，遇到突發(fā)事件的情況下更能體現(xiàn)它的優(yōu)勢(shì)。它的反應(yīng)速度比傳統(tǒng)的減振器快5倍，高達(dá)1 000 Hz[3]，很大程度上解決了傳統(tǒng)減振器存在的不能兼顧平順性和舒適性的問(wèn)題，適合如今變化復(fù)雜的行駛情況，日益受到工程界和學(xué)術(shù)界的重視。2017年，張垚等人[4]為了讓磁流變減振器的仿真效果更加真實(shí)，建立了一種三維模糊控制系統(tǒng)。2018年，張垚等人[5]又在磁流變減振器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用Isight的MATLAB模塊和D實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)功能對(duì)剪切式磁流變減振器進(jìn)行靈敏度分析和交互作用分析，研究各參數(shù)對(duì)于減振器功率的不同影響程度，對(duì)磁流變減振器的節(jié)能設(shè)計(jì)提供了參考。2019年，彭虎等人[6]基于磁流變減振器性能試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，考慮了各種因素對(duì)其阻尼力建模的影響，提出一種改進(jìn)型雙sigmoid模型，分析識(shí)別了模型的參數(shù)，最后驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

綜合以上，減振器已廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)，關(guān)鍵要看哪種減振器能更迅速、更有效、更智能地應(yīng)對(duì)路面上的狀況。而在新能源汽車發(fā)展趨勢(shì)的推動(dòng)下，磁流變減振器必將取得長(zhǎng)足的發(fā)展。

1 核心技術(shù)

1.1 可控特性

以磁流變液為介質(zhì)的磁流變減振器，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程下，可能會(huì)出現(xiàn)介質(zhì)的沉降或固化、密封效果下降等不良效果，減少磁流變減振器的使用壽命，所以為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，需要對(duì)磁流變減振器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2017年，董小閔等人[7]設(shè)計(jì)了一種可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度的磁流變減振器外置集成式壓阻加速度傳感器，提高傳感系統(tǒng)的可行性、準(zhǔn)確性和可靠性，滿足了磁流變減振器運(yùn)行過(guò)程中對(duì)于穩(wěn)定狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需求。2021年，白先旭等人[8]基于磁流變減振器可控特性研究的便捷性，提出了一種磁流變減振器可控特性的標(biāo)定方法，并構(gòu)建了用于標(biāo)定磁流變減振器可控特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，為大范圍推廣和標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用磁流變執(zhí)行器及技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。從表１可以看出，阻尼力分別為1 kN、2 kN、3 kN時(shí)，相應(yīng)的磁流變減振器的可控運(yùn)行速度范圍為1.06 m/s、1.70 m/s、1.95 m/s，與圖1(c)結(jié)果一致。

表1 不同大小阻尼力下的可控運(yùn)行速度范圍[8]

利用傳感器作為檢測(cè)裝置會(huì)增加系統(tǒng)的繁雜，所以，丁歡等人[9]提出了一種視覺(jué)引導(dǎo)的磁流變振動(dòng)控制方法，將減振系統(tǒng)與視覺(jué)檢測(cè)裝置相結(jié)合，通過(guò)在行駛過(guò)程中識(shí)別標(biāo)志點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)獲取振動(dòng)信息，再由比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation, PID）控制算法來(lái)調(diào)節(jié)減振裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)偏移的補(bǔ)償，如圖2所示。

圖1 磁流變減振器在沖擊激勵(lì)下的力學(xué)特性[8]

圖2 視覺(jué)引導(dǎo)裝置示意圖[9]

1.2 溫升特性

由于磁流變液的黏性降低，內(nèi)置線圈長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作導(dǎo)致減振器發(fā)熱，使介質(zhì)溫度快速上升，尤其應(yīng)用在大功率運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合下，其溫升現(xiàn)象更加顯著，從而引起磁流變減振器工作性能衰變，給磁流變減振器從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模生產(chǎn)帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。溫度因素對(duì)磁流變阻尼器輸出性能的影響如圖3所示。

圖3 溫度因素對(duì)磁流變阻尼器輸出性能的影響

2018年，歐陽(yáng)青等人[10]介紹了在溫升條件下直線式磁流變阻尼器的研究情況，從材料、器件到系統(tǒng)的角度，階梯式地分析了溫度因素對(duì)磁流變阻尼器的影響。2019年，PRIYA C B等人[11]研究了阻尼器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的溫度對(duì)阻尼器滯回性能的影響，所提出的PSOGSA-SVR是預(yù)測(cè)受溫度影響的磁流變阻尼器滯回特性的一種有效的非參數(shù)建模工具。2021年，趙洪洋等人[12]探究了溫度效應(yīng)對(duì)磁流變減振器阻尼動(dòng)力學(xué)性能影響的規(guī)律變化，他們的研究表明，溫度對(duì)阻尼力和響應(yīng)時(shí)間的影響呈負(fù)相關(guān)，對(duì)可調(diào)系數(shù)的影響呈正相關(guān)。

1.3 基于磁流變減振器的半主動(dòng)懸架

懸架系統(tǒng)是由懸架、減振器及彈性元件組成的。由于磁流變液的優(yōu)良特性，基于這種介質(zhì)的磁流變減振器是磁流變半主動(dòng)懸架的核心部件之一。因此，磁流變半主動(dòng)懸架是目前最有發(fā)展前景的半主動(dòng)懸架。相比于被動(dòng)懸架，它的車身垂向加速度改善了28.28%，懸架動(dòng)行程改善率為26.67%，車輪動(dòng)載荷的改善率為24.35%[13]，更顯著地表示了磁流變半主動(dòng)懸架的優(yōu)越性。1/4車輛磁流變半主動(dòng)懸架模型如圖4所示。

2021年，朱晟[14]不僅對(duì)磁流變減振器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，還在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基于磁流變減振器的半主動(dòng)懸架控制策略的研究，設(shè)計(jì)了一種模糊PID控制算法。李剛等人[15]提出一種半主動(dòng)懸架模糊線性二次高斯（Linear Quadratic Gaussian, LQG）控制策略，他們研究發(fā)現(xiàn)模糊LQG控制策略使得半主動(dòng)懸架各評(píng)價(jià)指標(biāo)的均方根值均明顯下降，運(yùn)用模糊LQG控制的半主動(dòng)懸架呈現(xiàn)了更好的減振效果，增強(qiáng)了懸架的使用性能。THARE- HALLI MATA G等人[16]采用一種新方法對(duì)半主動(dòng)四分之一車輛在隨機(jī)路面條件下的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了評(píng)估，通過(guò)比較Self Modification Code、Skyhook、Ground Hook和PID控制器，得出Self Modification Code的最優(yōu)參數(shù)比PID控制器具有更好的可控性，且Self Modification Code在較高的路面不平度下也提供了比PID控制器更好的可控性。

圖4 1/4車輛磁流變半主動(dòng)懸架模型[13]

2 存在的問(wèn)題

2.1 磁流變液的沉降穩(wěn)定性

磁性顆粒是磁流變效應(yīng)的主導(dǎo)者和磁流變液智能化的表現(xiàn)者[17]。磁流變減振器的核心正是磁流變液，這種優(yōu)良的材料不可避免地也有缺陷，由于磁性粒子的密度大于基礎(chǔ)液，磁流變液靜置導(dǎo)致的顆粒沉降性問(wèn)題阻礙了磁流變液這一優(yōu)良材料及其產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

為了克服顆粒的沉降并解決顆粒在基體之中聚集后再分散的問(wèn)題，人們提出了多種解決方案[18]。一是改變磁性粒子的直徑大小或基礎(chǔ)液配方，改變基礎(chǔ)液的黏度，從而降低磁性粒子和基體之間的密度差。2019年，趙德星[19]認(rèn)為磁性顆粒的形狀能很大程度影響磁流變液的性能，采用溶劑熱-煅燒處理的兩步法和一步化學(xué)溶劑熱法制備出了具有陣列花狀形貌和多孔納米晶團(tuán)簇狀的四氧化三鐵顆粒，并驗(yàn)證了這兩種形貌的四氧化三鐵顆粒均顯示出了優(yōu)異的沉降穩(wěn)定性。2021年，ZHAO P等人[20]研究得出結(jié)論，兩相之間的界面強(qiáng)度和載液分子在磁性顆粒表面的聚集很大程度影響了磁流變液的磁流變特性和沉降穩(wěn)定性。

二是設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)形式的磁流變阻尼器。2021年，YU J等人[21]提出并分析了一種新型的緊湊型旋轉(zhuǎn)磁流變阻尼器，這種阻尼器具有變阻尼和變剛度的特性。同樣在2021年，鄭晗等人[22]設(shè)計(jì)了一種基于T型轉(zhuǎn)子的可用于半主動(dòng)控制懸架的旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器，如圖5所示。T型轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)形成了兩種共六個(gè)通道，不再有傳統(tǒng)阻尼器通道單一的情況，增加了阻尼通道的長(zhǎng)度，并通過(guò)導(dǎo)磁材料即轉(zhuǎn)子和不導(dǎo)磁材料即隔磁套筒的合理布局，使磁力線幾乎垂直于六條通道，提高了磁場(chǎng)利用率。

圖5 帶T型轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)原理圖[22]

總的來(lái)說(shuō)，磁流變液的沉降穩(wěn)定性問(wèn)題雖已有大量學(xué)者投入研究，但還是沒(méi)有很好的解決方法。雖然改變磁性粒子的形狀和基礎(chǔ)液的配方能使磁性顆粒和基礎(chǔ)液的密度差變小，提高了磁流變液的沉降穩(wěn)定性，但這種方法不可避免地會(huì)降低屈服應(yīng)力和磁化強(qiáng)度。如何找到這兩者之間的平衡還需要更深入的研究。

2.2 能源供給問(wèn)題

制約磁流變減振器發(fā)展的另一大問(wèn)題，是磁流變減振器需要裝配各種傳感器來(lái)使汽車更好地收集并了解車輛自身的運(yùn)行狀態(tài)情況及路況信息，傳感器和減振器需要分別配置電源供電，這就失去了磁流變減振器本身體積重量小的優(yōu)勢(shì)，反而比傳統(tǒng)減振器更加笨重，并且供電裝置的增加也意味著更高的成本的復(fù)雜程度，降低了磁流變減振系統(tǒng)的實(shí)用性。

對(duì)于這方面的問(wèn)題，學(xué)者們提出了自傳感和自供能磁流變減振器的研究。2016年，董小閔等人[23]針對(duì)現(xiàn)有磁流變減振器自供電裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題，提出一種基于滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的盤式永磁發(fā)電機(jī)的能量采集器，如圖6和圖7所示。2020年，雷先華等人[24]在電磁式主被動(dòng)控制一體化的自供能磁流變彈性體減振器的基礎(chǔ)上，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了一種電磁式發(fā)電裝置，如圖8所示，并對(duì)其進(jìn)行了發(fā)電性能的仿真分析。

圖6 1/4車懸架磁流變自供電示意圖[23]

圖7 能量采集器[23]

1—減震桿；2—復(fù)位彈簧；3—減振器絕緣蓋；4—感應(yīng)線圈；5—線圈骨架；6—絕緣墊片；7—上永磁體；8—下永磁體；9—釹鐵硼永磁體；10—磁流變彈性體；11—導(dǎo)磁支架；12—?jiǎng)?lì)磁線圈；13—底座。

2019年，YU J等人[25]提出了一種集自供電、自感知和自適應(yīng)于一體的新型剪刀式磁流變座椅懸架，為實(shí)現(xiàn)自我可持續(xù)發(fā)展，將旋轉(zhuǎn)磁流變阻尼器和旋轉(zhuǎn)永磁直流發(fā)電機(jī)組合成自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)阻尼系統(tǒng)。2021年，ZHU X等人[26]給出了裝有能執(zhí)行變剛度的自動(dòng)力磁流變阻尼器的半主動(dòng)車輛懸架的建模和試驗(yàn)評(píng)估，并利用液壓Instron測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其變剛度特性和自供電能力進(jìn)行了評(píng)估和驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，阻尼器的剛度取決于自供電元件所能產(chǎn)生的電流。

雖然自供電的研究為供能問(wèn)題提供了解決思路，但目前磁流變減振器的自供電裝置還是面臨著體積重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題。同時(shí)磁流變減振器還需要持續(xù)而穩(wěn)定的電流，這也沒(méi)有得到很好的解決。當(dāng)然，磁流變減振器除了要保證車輛的平順性和舒適性外，還要掌握將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，如果磁流變減震技術(shù)都不能滿足，只在乎單純的電能的轉(zhuǎn)變，那么只會(huì)持續(xù)推遲自供電式磁流變減振器的問(wèn)世時(shí)間。

3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)于磁流變減振器本身而言，可以從以下三個(gè)方面看出未來(lái)的研究發(fā)展趨勢(shì)。首先，雖然磁流變液具有應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)、工作溫度范圍廣、無(wú)場(chǎng)時(shí)粘度低、穩(wěn)定性好、器件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高且對(duì)現(xiàn)有液壓系統(tǒng)的兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在密封要求嚴(yán)格、鐵磁介質(zhì)容易沉淀或固化等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)易引起磁流變減振器性能衰減，由此可見(jiàn)，保證系統(tǒng)的可靠性是未來(lái)的研究發(fā)展趨勢(shì)之一。其次，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作所造成的溫升現(xiàn)象會(huì)影響減振器的力學(xué)性能及穩(wěn)定性，所以預(yù)防溫升現(xiàn)象的發(fā)生，由此輸出穩(wěn)定的阻尼力也是一個(gè)重要的課題之一。基于磁流變減振器的半主動(dòng)懸架決定了運(yùn)用磁流變減振器的車輛的舒適性，這也是今后的一個(gè)重要的研究方向。

同時(shí)，針對(duì)磁流變減振器存在的問(wèn)題可以推斷，未來(lái)的主要研究發(fā)展方向就是對(duì)其材料進(jìn)行優(yōu)化以及對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以此實(shí)現(xiàn)三方面的目的：（1）在盡量減少降低屈服應(yīng)力和磁化強(qiáng)度的前提下，提高磁流變液的沉降穩(wěn)定性；（2）提高結(jié)構(gòu)的集成化、小型化，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，提高磁流變減振器的實(shí)用性、車輛使用的實(shí)際性，為磁流變減振器大規(guī)模投入市場(chǎng)做準(zhǔn)備；（3）磁流變減振器實(shí)現(xiàn)自供電需要持續(xù)而穩(wěn)定的直流電，如何采集足夠的能量也是新能源汽車今后發(fā)展的方向。

4 結(jié)語(yǔ)

文章介紹了磁流變減振器的研究發(fā)展現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)磁流變減振器的關(guān)鍵技術(shù)和存在的問(wèn)題進(jìn)行討論，得出了以下結(jié)論：

（1）通過(guò)綜述國(guó)內(nèi)外磁流變減振器的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)想要使可控特性得到有效提高，需要進(jìn)一步研發(fā)重量更輕、精度更高和實(shí)時(shí)性更強(qiáng)的檢測(cè)裝置；進(jìn)一步完善溫度補(bǔ)償功能可以使得溫升特性更加穩(wěn)定；增強(qiáng)控制策略和控制系統(tǒng)可以使基于磁流變減振器的半主動(dòng)懸架運(yùn)行得更加平順、舒適。另外，磁性粒子的沉降穩(wěn)定性和能源供給問(wèn)題是制約磁流變減振器發(fā)展的關(guān)鍵。

（2）復(fù)合型和阻尼可調(diào)型減振器在近段時(shí)間仍舊是技術(shù)前沿的減振器。但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，磁流變減振器不僅比傳統(tǒng)的液/氣壓式減振器和阻尼可調(diào)減振器有更好的性能，且在基于環(huán)境友好的條件下，新能源汽車和電動(dòng)汽車已經(jīng)是人心歸向，電子化、智能化的磁流變減振器，尤其是自供電磁流變減振器有著更加優(yōu)良的發(fā)展前景。

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Research and Development Status of Magneto-rheological Shock Absorbers

PENG Jiaqi, LI Yanfeng*, XU Wei, WU Qiang, LIN Gengxiang

( School of Automotive and Transportation Engineering,Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510450, China )

Magneto-rheological shock absorber is a new type of shock absorber with continuously variable damping force, rapid response, simple mechanical device and small external input energy. In recent years, non-renewable energy sources have been increasingly depleted and carbon emissions have been too high. Based on the principle of sustainable development, new energy vehicles and electric vehicles will become an inevitable choice for the development of automobiles. Electronic and intelligent magnetorheological the shock absorber will surely achieve great development and application. The article first introduces the core technology of magnetorheological dampers, studies the settlement stability of magnetorheological materials and the solution to the energy problem of magnetorheological dampers, and then discusses the future development of magnetorheological dampers. Finally, the current research on magnetorheological dampers is summarized.

Magneto-rheological shock absorber; Controllable characteristics; Temperature rise characteristics; Semi-active suspension

U463.33

A

1671-7988(2023)03-198-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.037

彭嘉琪（2001—），女，研究方向?yàn)榇帕髯儨p振技術(shù)，E-mail:1289239994@qq.com。

李彥峰（1987—），男，博士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺(jué)與模式識(shí)別、焊接自動(dòng)化，E-mail:18820958550 @163.com。

校級(jí)人才引進(jìn)科研啟動(dòng)項(xiàng)目（991641218）；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（202201011405）。