汽车动力总成磁流变悬置研究综述_付江华.pdf

（）年 第 卷 第 期 收稿日期：基金项目：重庆市自然科学基金项目（）作者简介：付江华，男，博士，副教授，主要从事汽车 开发、测试设备开发研究，：；通信作者 尹亚坤，男，硕士研究生，主要从事汽车动力总成磁流变悬置研究，：。本文引用格式：付江华，尹亚坤，苏锦涛，等 汽车动力总成磁流变悬置研究综述 重庆理工大学学报（自然科学），（）：，（），（）：（）汽车动力总成磁流变悬置研究综述付江华，尹亚坤，苏锦涛，陈 明，陈哲明，陈 宝，（重庆理工大学 车辆工程学院，重庆；重庆理工大学 车辆 技术研究所，重庆；吉林大学 博士后流动站，长春；重庆赛宝工业技术研究院有限公司，重庆）摘 要：磁流变悬置作为一种半主动悬置，被应用在汽车动力总成隔振系统中，其性能直接影响乘车的舒适性。从磁流变悬置的结构设计、控制算法和性能仿真分析方法 个方面进行阐述，介绍了不同结构下磁流变悬置的性能特点，并重点突出了结构设计与优化对其隔振性能的影响；对比分析了几种常用控制算法在控制效果上的优劣，指出了 算法联合其他算法控制的磁流变悬置具有更好的隔振性能；比较了键合图理论分析法和有限元仿真分析法各自的优缺点；针对磁流变悬置研究现状进行归纳总结，指出单一模式结构与单一算法控制存在的不足以及性能仿真分析时遇到的几点问题，并结合当前研究现状对磁流变悬置的发展前景进行了展望。关 键 词：磁流变悬置；结构设计；控制算法；分析方法中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言磁流变液作为一种智能材料，由磁性颗粒和绝缘载液构成，其流变特性可通过外加磁场实现急剧改变，且连续可逆。由于磁流变液的流变特性，使磁流变液器件在汽车、军事、建筑和医疗等领域的振动控制中得到应用。用于汽车动力总成的磁流变悬置是较为流行的磁流变器件之一。一般来说，汽车动力总成悬置系统可分为 类：被动悬置系统、半主动悬置系统和主动悬置系统。被动悬置在工作中无法改变刚度和阻尼，由于结构简单、制造成本低、便于维修，是目前车辆中应用最为广泛的悬置，但其隔振性能有一定的不足，其中被动液压悬置和橡胶悬置是 种最为常见的被动悬置。半主动悬置与被动悬置相比，刚度和阻尼可控，应用于现代中高级轿车上，可以较好地满足乘车舒适性的要求。与主动悬置相比，半主动悬置隔振思路是根据车辆工作状况，实时调节自身刚度和阻尼来达到最佳的隔振效果；主动悬置通过作动器主动产生动态力，与激振源产生的振动相抵消，从而消除振源振动向车内的传递。半主动悬置按结构和性能分为电磁可调式半主动悬置、真空可调式半主动悬置、磁流变半主动悬置、电流变半主动悬置。主动悬置一般由被动悬置、传感器、控制器和作动器组成，但因结构复杂、制造成本高，目前只在少数高档轿车上使用，其类型按作动器可以分为压电式主动悬置、电磁式主动悬置、电致伸缩式主动悬置和气动式主动悬置。磁流变悬置作为一种半主动悬置，其刚度和阻尼可调控、响应迅速、所需能耗低，能够很大程度上实现宽频隔振，减少高速行驶时车内的振动、降低车辆噪声、提高车辆乘坐的舒适性，是汽车动力总成系统主动隔振的重要发展方向之一。因此，为保证磁流变悬置发挥最大的隔振性能，诸多专家学者对其结构和控制算法进行了设计优化。其中，等设计了一种可控多通道磁流变悬置，其可调的动态刚度和阻尼能够满足宽频隔振要求。等提出一种基于整车隔振控制的磁流变悬置多目标优化方法，优化后悬置在启停和匀速工况下隔振性能得到提高。等设计了一种磁流变悬置的 控制器，运用该控制器的悬置在共振处和宽频处的振动传递率都下降 左右。等针对磁流变减振器的工作原理、结构设计、模型分析、工程运用和实验分析进行了详细介绍，并对比论证了旁路式减振器在阻尼力和可控性上更具有独特的优势。本文中综述了近年来磁流变悬置在结构、控制算法、仿真分析方法 个方面的研究进展，指出了当前研究所存在的不足。其中，在结构方面，单一模式磁流变悬置的隔振性能远不如混合模式，但在目前的研究中仍以单一为主，缺少实车验证；在控制算法方面，由于国内相关研究起步较晚，其效果还存在一定的不足，多种算法联合控制才刚刚起步，虽控制效果较好，但研究相对较少；在仿真分析方面，键合图理论和有限元仿真应用较多，前者需建造复杂的数学模型，后者分析虽简单直观，但耗时较长，且缺少温度场的影响。最后，根据目前研究中存在的不足，展望了磁流变悬置研究的未来发展方向。磁流变悬置结构设计及其优化相关专家学者在研究动力总成悬置系统时，针对磁流变悬置的结构设计及其优化进行了深入研究。从结构类型、结构设计和结构优化 个方面概述了当前磁流变悬置的研究现状，并对比分析了不同结构下磁流变悬置的性能特点，及其结构优化对隔振性能的影响。磁流变悬置结构类型磁流变悬置隔振性能主要通过刚度和阻尼的调节来实现，其原理是改变外加电流的大小，使悬置内部磁场发生变化，磁流变液受其磁场的作用，内部磁极粒子沿磁场方向运动，逐渐形成链状结构，如图 所示，在链化过程中，体积形态发生了由液体到固体的转变，从而改变磁流变液的粘度，增大内部阻尼力，最终达到动刚度调节的目的。图 磁流变效应 目前常见的磁流变悬置工作模式分为单一模式和混合模式，其中单一模式可分为流动、挤压和剪切，不同模式下的磁流变悬置优缺点不尽相同。在工程应用时选择结构合适的悬置，以达到理想的减振效果。其中，流动模式具有结构简单、可靠性高、输出阻尼大等优点，但阻尼通道结构会使磁感应强度过早饱和，导致磁流变性能无法得到充分利用。挤压模式具有结构紧凑、压力差高、阻尼力大、可移植、能耗低等特点，适用于高频小振幅的工况，在较大的激振力下，仍保持较好的隔振效果。剪切模式可以在磁感应强度较小的情况下对动刚度进行小范围调控，在小范围激振情况下较为实用，因而多应用在离合器和制动器上。图 为常见的单一模式磁流变液的工作类型。图 磁流变液工作模式 混合模式综合了 种单一模式，并发挥 种工作模式的优点。常见的混合模式有流动剪切混合式、流动挤压混合式、挤压剪切混合式等。图 为挤压剪切混合模式磁流变悬置磁路结构。图 挤压剪切混合模式磁流变悬置磁路结构 磁流变悬置结构设计研究磁流变悬置根据工作模式可以划分为流动、挤压、剪切和混合模式，不同工作模式的磁流变悬置内部结构也不相同。为了更有效地隔离车身与动力总成的振动传递，诸多专家学者对磁流变悬置的结构类型进行了发明设计。等从理论上分析了转盘式磁流变减振器（如图 所示），并将其与线性结构和转鼓式结构进行了对比，论证了本构模型对剪切型 减振器的影响。廖昌荣等设计了一种基于圆盘挤压式的磁流变液阻尼器，对该阻尼器性能进行了理论推导和实验验证。图 盘式磁流变减振器 等设计了一种梯度箍缩结构的磁流变液阀（如图 所示），该阀不仅可以提高磁流变液在通道中粘性流量利用率，还可以在同等电流激励下产生更大的磁场强度。蔡强等设计了一种与梯形结构相似的锥形阻尼通道结构的磁流变悬置。该结构与传统径向阻尼通道相比，其通道内磁感应强度饱和点有所提升。图 梯度箍缩结构磁芯示意图 等提出了一种混合模式的磁流变悬置。该悬置综合了流动和挤压 种悬置的结构特点，其动态刚度具有很宽的变化范围。等设计了一种带倾斜角度的磁流变悬置（如图 所示）。该结构能够减少“液锁”现象，同时可以提高悬置的阻尼力和力比。图 具有倾斜角度的磁流变悬置结构示意图 通过对磁流变悬置结构设计研究可知，单一模式的磁流变悬置在可控性和阻尼力上存在不足，而混合模式的磁流变悬置可控性和阻尼力比较完善，但因结构复杂，导致耗能和制造成本升高。因此，还需在悬置结构上进行设计优化，来弥补磁流变悬置现有不足。结构优化研究磁流变悬置的结构优化设计常基于某种特定的模式，从磁流变液流向、惯性通道数量、阻尼通道结构和磁路结构着手，以已掌握的悬置类型为基础，确定优化目标参数，并根据力学理论等确定设计参数。等对一种流动模式下的磁流变悬置进行结构优化，通过有限元分析对优化后悬置进行性能评价。结果表明，优化后的悬置阻尼力得到了提高。等提出一种基于磁流变弹性体的变刚度差动安装件，采用响应面法对磁流变弹性体的几何结构进行优化，以达到目标刚度付江华，等：汽车动力总成磁流变悬置研究综述水平。等运用 对所设计的磁流变悬置进行磁路结构优化，使悬置的隔振效果达到最优。为了较好地控制外加磁场，等对磁场强度进行了分析，运用仿真软件对磁路结构进行优化。优化后的结构如图 所示。验证结果表明，该悬置在高频振动和低频振动时的控制性能得到改善。图 优化设计后磁流变悬置结构示意图 邓召学等对磁流变悬置橡胶主簧、流动阻尼通道进行初步的结构设计，建立了多目标优化数学模型，将所设计悬置的磁路优化流程用框图表示，并基于模糊集合理论对多目标优化的 集进行选优。基于 和 联合仿真优化平台，等对磁流变液压阀的结构进行了优化。实验验证，优化后的液压阀能产生更大的阻尼力。通过对比分析，结构优化后的悬置在阻尼力和隔振性能方面都得到了大幅度的提升，但目前针对结构优化设计，以磁流变悬置单体结构优化为主的较多，优化目标比较单一，不太符合实际情况。未来针对磁流变悬置结构优化设计可以重点放在基于整车隔振控制方面进行研究，从而提升整车的隔振性能。磁流变悬置控制算法及其优化动力总成悬置控制算法直接关系到悬置系统的响应速度和隔振性能，因此，在设计悬置系统时往往要考虑控制算法。磁流变悬置具有不确定性和非线性，所以在控制算法使用及优化上，需进一步深入研究。磁流变悬置控制算法研究磁流变悬置作为一种半主动悬置，可以实时调节阻尼和刚度，通过电子控制单元实时监测动力总成系统的工作状态及激振强度，把相关数据传给处理器，计算最佳刚度和阻尼，以此来调节磁流变悬置的刚度和阻尼，而磁流变悬置控制算法的使用就是这一流程中的关键技术。图 为磁流变悬置控制系统示意图，其中应用较多的控制算法有天棚、模糊、最优、自适应、神经网络等。图 磁流变悬置控制系统示意图 天棚控制是由美国学者 提出的，是（半）主动悬架的经典控制方法。其原理简单，易于实现，根据悬置相对运动速度的方向，便可对悬置实施阻尼力的调节与控制。等在对发动机悬置控制上，提出了一种单自由度天棚控制器。模糊控制不用对被控对象建立精准的数学模型，便可实现较好的控制。刘会兵等基于磁流变悬置提出了一种模糊控制系统，并进行了实验验证。针对发动机半主动悬置控制系统，高乐提出了一种模糊控制器，并验证了该控制器有提高悬置隔振性能的能力。最优控制是在给定约束条件下，从众多满足约束条件的控制策略中，选择一种最佳的控制策略。郝志勇等通过研究发动机振动控制系统，推导出全状态最优控制规律和部分状态次最优控制规律。薛兵设计了一种能够提高磁流变减振器隔振性能的 最优控制器。自适应控制主要应用在不确定受控制对象结构参数的隔振系统，将期望值与实际值进行比较，不断调节控制器参数，以达到最优控制。马宝山等对自适应 算法应用到悬架的隔振系统做了相关研究。神经网络控制是目前应用较为广泛的控制算法，其鲁棒性和自适应能力强，所以常用来描述复杂的非线性系统。等设计了一种可以主动隔离发动机振动的神经网络控制器。根据神经网络原理，段伟建基于磁流变悬置设计了一种神经网络 控制器。与传统 控制器相比，其控制效果更优。通过研究对比，每个控制算法都有各自的特点，但在多目标控制上，单一控制算法仍存在不足。为了达到更好的控制效果，可以采用多种算法联合控制或在原有控制算法上进行优化改进。其中，回学文设计了一种天棚 联合控制算法，此控制算法弥补了天棚控制的不足。孟建军等提出了一种模糊 复合控制方法，采用该方法的磁流变减振器能有效提高乘客的乘坐舒适性。范伟设计了一种 最优控制器，该控制器可以实现不同频率间的高效隔振。磁流变悬置控制算法优化研究随着人们对控制效果的要求不断提高，传统控制算法已经无法满足人们的需求，所以国内外专家学者对控制算法进行优化研究成为了当下研究热点。磁流变悬置的阻尼和刚度连续可调，而 控制算法（如图 所示）具有鲁棒性强、适应性广、可靠性高等优点，更适合磁流变悬置控制策略设计，但是单一 控制也有一定的不足之处，对此，国内外学者对应用于磁流变悬置的 算法展开了一系列优化研究。图 磁流变悬置 控制原理示意图 在磁