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，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，林耿香

（廣東技術師范大學 汽車與交通工程學院，廣東 廣州 510450）

磁流變減振器是一種阻尼力連續(xù)可變、反應迅速、機械裝置簡單、外部輸入能量小的新型減振器。近年來，不可再生能源日益枯竭、碳排放量過高等問題受到人們的重視，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足的發(fā)展與應用。文章首先介紹了磁流變減振器的核心技術，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題的解決方法，然后討論了磁流變減振器未來的發(fā)展趨勢，最后對磁流變減振器現(xiàn)階段的研究進行了總結。

磁流變減振器；可控特性；溫升特性；半主動懸架

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迅速衰減，幾乎所有汽車都裝有減振器，用來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，提高車內人乘坐的舒適感，在某種程度上，減振器還可以避免事故中的人員受到更嚴重的傷害。

從阻尼材料來分，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低，對高溫敏感，這就造成了液壓減振器對系統(tǒng)的密封性的要求很高，否則可能會出現(xiàn)漏油等現(xiàn)象。而氣壓式減振器是20世紀60年代以來逐漸發(fā)展的一種減振器，這類減振器的特點是對溫度不敏感、路感清晰，操控感好且適合長途行駛，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，還有一種阻尼可調式減振器，阻尼可調式減振器又分為傳統(tǒng)阻尼可調和電/磁控可變阻尼減振器[2]。傳統(tǒng)阻尼可調減振器需要復雜的機電裝置，有的還需要配備附屬液壓系統(tǒng)，結構復雜、成本高，無法在普通車型上廣泛普及。相比之下，電/磁流變液減振器運用更加靈活，重量和體積相對更小，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、可對駕駛環(huán)境實時響應、機械裝置簡單以及外部輸入能量小等特點，特別是在車速達到很高，遇到突發(fā)事件的情況下更能體現(xiàn)它的優(yōu)勢。它的反應速度比傳統(tǒng)的減振器快5倍，高達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題，適合如今變化復雜的行駛情況，日益受到工程界和學術界的重視。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，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)學模型的基礎上，利用Isight的MATLAB模塊和D實驗設計功能對剪切式磁流變減振器進行靈敏度分析和交互作用分析，研究各參數(shù)對于減振器功率的不同影響程度，對磁流變減振器的節(jié)能設計提供了參考。2019年，彭虎等人[6]基于磁流變減振器性能試驗的數(shù)據(jù)，考慮了各種因素對其阻尼力建模的影響，提出一種改進型雙sigmoid模型，分析識別了模型的參數(shù)，最后驗證了模型的準確性。

綜合以上，減振器已廣泛應用于市場，關鍵要看哪種減振器能更迅速、更有效、更智能地應對路面上的狀況。而在新能源汽車發(fā)展趨勢的推動下，磁流變減振器必將取得長足的發(fā)展。

1 核心技術

1.1 可控特性

以磁流變液為介質的磁流變減振器，在長期運行過程下，可能會出現(xiàn)介質的沉降或固化、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)的可靠運行，需要對磁流變減振器的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。

2017年，董小閔等人[7]設計了一種可以測量動態(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、準確性和可靠性，滿足了磁流變減振器運行過程中對于穩(wěn)定狀態(tài)監(jiān)測的需求。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定方法，并構建了用于標定磁流變減振器可控特性的實驗測試系統(tǒng)，為大范圍推廣和標準化應用磁流變執(zhí)行器及技術提供了理論基礎。從表１可以看出，阻尼力分別為1 kN、2 kN、3 kN時，相應的磁流變減振器的可控運行速度范圍為1.06 m/s、1.70 m/s、1.95 m/s，與圖1(c)結果一致。

表1 不同大小阻尼力下的可控運行速度范圍[8]

利用傳感器作為檢測裝置會增加系統(tǒng)的繁雜，所以，丁歡等人[9]提出了一種視覺引導的磁流變振動控制方法，將減振系統(tǒng)與視覺檢測裝置相結合，通過在行駛過程中識別標志點的相對運動軌跡來獲取振動信息，再由比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation, PID）控制算法來調節(jié)減振裝置的結構參數(shù)，實現(xiàn)對振動偏移的補償，如圖2所示。

圖1 磁流變減振器在沖擊激勵下的力學特性[8]

圖2 視覺引導裝置示意圖[9]

1.2 溫升特性

由于磁流變液的黏性降低，內置線圈長時間連續(xù)工作導致減振器發(fā)熱，使介質溫度快速上升，尤其應用在大功率運轉的場合下，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驗室走向大規(guī)模生產帶來了重大挑戰(zhàn)。溫度因素對磁流變阻尼器輸出性能的影響如圖3所示。

圖3 溫度因素對磁流變阻尼器輸出性能的影響

2018年，歐陽青等人[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磁流變阻尼器的影響。2019年，PRIYA C B等人[11]研究了阻尼器運行過程中產生的溫度對阻尼器滯回性能的影響，所提出的PSOGSA-SVR是預測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]探究了溫度效應對磁流變減振器阻尼動力學性能影響的規(guī)律變化，他們的研究表明，溫度對阻尼力和響應時間的影響呈負相關，對可調系數(shù)的影響呈正相關。

1.3 基于磁流變減振器的半主動懸架

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，基于這種介質的磁流變減振器是磁流變半主動懸架的核心部件之一。因此，磁流變半主動懸架是目前最有發(fā)展前景的半主動懸架。相比于被動懸架，它的車身垂向加速度改善了28.28%，懸架動行程改善率為26.67%，車輪動載荷的改善率為24.35%[13]，更顯著地表示了磁流變半主動懸架的優(yōu)越性。1/4車輛磁流變半主動懸架模型如圖4所示。

2021年，朱晟[14]不僅對磁流變減振器進行了優(yōu)化設計，還在此基礎上進行基于磁流變減振器的半主動懸架控制策略的研究，設計了一種模糊PID控制算法。李剛等人[15]提出一種半主動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懸架各評價指標的均方根值均明顯下降，運用模糊LQG控制的半主動懸架呈現(xiàn)了更好的減振效果，增強了懸架的使用性能。THARE- HALLI MATA G等人[16]采用一種新方法對半主動四分之一車輛在隨機路面條件下的動態(tài)性能進行了評估，通過比較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車輛磁流變半主動懸架模型[13]

2 存在的問題

2.1 磁流變液的沉降穩(wěn)定性

磁性顆粒是磁流變效應的主導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液，磁流變液靜置導致的顆粒沉降性問題阻礙了磁流變液這一優(yōu)良材料及其產業(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液配方，改變基礎液的黏度，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溶劑熱法制備出了具有陣列花狀形貌和多孔納米晶團簇狀的四氧化三鐵顆粒，并驗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]研究得出結論，兩相之間的界面強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。

二是設計新結構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]設計了一種基于T型轉子的可用于半主動控制懸架的旋轉式磁流變阻尼器，如圖5所示。T型轉子的特殊結構形成了兩種共六個通道，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度，并通過導磁材料即轉子和不導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，提高了磁場利用率。

圖5 帶T型轉子的旋轉式磁流變阻尼器結構原理圖[22]

總的來說，磁流變液的沉降穩(wěn)定性問題雖已有大量學者投入研究，但還是沒有很好的解決方法。雖然改變磁性粒子的形狀和基礎液的配方能使磁性顆粒和基礎液的密度差變小，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降低屈服應力和磁化強度。如何找到這兩者之間的平衡還需要更深入的研究。

2.2 能源供給問題

制約磁流變減振器發(fā)展的另一大問題，是磁流變減振器需要裝配各種傳感器來使汽車更好地收集并了解車輛自身的運行狀態(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，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雜程度，降低了磁流變減振系統(tǒng)的實用性。

對于這方面的問題，學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]針對現(xiàn)有磁流變減振器自供電裝置結構復雜、機電轉換效率低等問題，提出一種基于滾珠絲杠驅動的盤式永磁發(fā)電機的能量采集器，如圖6和圖7所示。2020年，雷先華等人[24]在電磁式主被動控制一體化的自供能磁流變彈性體減振器的基礎上，根據(jù)法拉第電磁感應原理，設計了一種電磁式發(fā)電裝置，如圖8所示，并對其進行了發(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—復位彈簧；3—減振器絕緣蓋；4—感應線圈；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—導磁支架；12—勵磁線圈；13—底座。

2019年，YU J等人[25]提出了一種集自供電、自感知和自適應于一體的新型剪刀式磁流變座椅懸架，為實現(xiàn)自我可持續(xù)發(fā)展，將旋轉磁流變阻尼器和旋轉永磁直流發(fā)電機組合成自適應旋轉阻尼系統(tǒng)。2021年，ZHU X等人[26]給出了裝有能執(zhí)行變剛度的自動力磁流變阻尼器的半主動車輛懸架的建模和試驗評估，并利用液壓Instron測試系統(tǒng)對其變剛度特性和自供電能力進行了評估和驗證，試驗結果表明，阻尼器的剛度取決于自供電元件所能產生的電流。

雖然自供電的研究為供能問題提供了解決思路，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、結構復雜等問題。同時磁流變減振器還需要持續(xù)而穩(wěn)定的電流，這也沒有得到很好的解決。當然，磁流變減振器除了要保證車輛的平順性和舒適性外，還要掌握將機械能轉化為電能的技術，如果磁流變減震技術都不能滿足，只在乎單純的電能的轉變，那么只會持續(xù)推遲自供電式磁流變減振器的問世時間。

3 未來發(fā)展趨勢

對于磁流變減振器本身而言，可以從以下三個方面看出未來的研究發(fā)展趨勢。首先，雖然磁流變液具有應力場強、工作溫度范圍廣、無場時粘度低、穩(wěn)定性好、器件的結構簡單、可靠性高且對現(xiàn)有液壓系統(tǒng)的兼容性好等優(yōu)點，但仍存在密封要求嚴格、鐵磁介質容易沉淀或固化等缺點，這些缺點易引起磁流變減振器性能衰減，由此可見，保證系統(tǒng)的可靠性是未來的研究發(fā)展趨勢之一。其次，長時間連續(xù)工作所造成的溫升現(xiàn)象會影響減振器的力學性能及穩(wěn)定性，所以預防溫升現(xiàn)象的發(fā)生，由此輸出穩(wěn)定的阻尼力也是一個重要的課題之一?；诖帕髯儨p振器的半主動懸架決定了運用磁流變減振器的車輛的舒適性，這也是今后的一個重要的研究方向。

同時，針對磁流變減振器存在的問題可以推斷，未來的主要研究發(fā)展方向就是對其材料進行優(yōu)化以及對其結構進行改進設計，以此實現(xiàn)三方面的目的：（1）在盡量減少降低屈服應力和磁化強度的前提下，提高磁流變液的沉降穩(wěn)定性；（2）提高結構的集成化、小型化，降低結構的復雜程度，提高磁流變減振器的實用性、車輛使用的實際性，為磁流變減振器大規(guī)模投入市場做準備；（3）磁流變減振器實現(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 結語

文章介紹了磁流變減振器的研究發(fā)展現(xiàn)狀，通過對磁流變減振器的關鍵技術和存在的問題進行討論，得出了以下結論：

（1）通過綜述國內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，需要進一步研發(fā)重量更輕、精度更高和實時性更強的檢測裝置；進一步完善溫度補償功能可以使得溫升特性更加穩(wěn)定；增強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懸架運行得更加平順、舒適。另外，磁性粒子的沉降穩(wěn)定性和能源供給問題是制約磁流變減振器發(fā)展的關鍵。

（2）復合型和阻尼可調型減振器在近段時間仍舊是技術前沿的減振器。但長遠來看，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，研究方向為磁流變減振技術，E-mail:1289239994@qq.com。

李彥峰（1987—），男，博士，講師，研究方向為機器視覺與模式識別、焊接自動化，E-mail:18820958550 @163.com。

校級人才引進科研啟動項目（991641218）；廣州市科技計劃項目（202201011405）。