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汽车电磁悬架中的磁流变液
2023年07月26日

随着科技和社会经济的发展,人们对车辆性能也提出了更高的要求。悬架是提高车辆操控性和乘坐舒适性的关键部件之一。由于基于磁流变阻尼器的半主动悬架的一些优越特性,将半主动悬架技术推向了一个新的高度,

已逐渐成为现代汽车悬架系统研究的最佳选择。磁流变液作为磁流变阻尼器的核心材料,以其响应速度快、操作简单、控制精确等优异特性,成为智能材料发展的重要分支。当磁流变流体在零场条件下时,它表现为牛顿流体并且可以自由流动。当在磁流变流体周围施加磁场时,磁流变流体的粘度瞬间增加(响应时间以毫秒为单位)并转变为类固体或固态。当外部磁场达到临界值时,磁流变流体完全变成固体,并表现出固体的剪切屈服应力特性,随外部磁场强度的变化而变化。磁流变流体的行为是连续且可逆的,一旦去除所施加的磁场,磁流变流体立即再次变成牛顿流体,可以自由流动。这种独特的性质是磁流变液成为流行的新型智能材料的原因之一。

悬架是提高车辆操控性和乘坐舒适性的关键部件之一。悬架系统由三个主要部件组成,包括弹性元件、阻尼器和导向机构。阻尼器快速衰减车身振动,有效降低路面波动对部件的冲击载荷,保证制动、转弯和加速时的车身稳定性。车辆悬架系统主要有三种类型:传统被动悬架、主动悬架和半主动悬架,图1说明了三种不同类型的悬架系统。传统的被动悬架系统,其主要部件是具有固定刚度的弹簧和具有固定阻尼力的阻尼器,只能针对具体路况和车辆工况采用优化设计方法在两者之间进行折衷,无法满足不同路况和车辆行驶工况的要求。主动悬架是用力发生器全部或部分替代被动悬架中的弹簧和减振器,通过外部能量的输入,使控制机构对悬架系统施加一定的控制力。半主动悬架由参数可变的弹簧和阻尼器组成,通过输入少量能量即可调节悬架的阻尼系数或刚度。理论研究和实验表明主动悬架可以提供优异的阻尼性能,根据路况和车辆行驶条件改变阻尼力和弹簧刚度的大小,但硬件昂贵,设备复杂,消耗大量能源。目前汽车减震器的主流仍然是传统的被动减震器,这些减震器的弹簧刚度和阻尼系数不能随行驶条件而变化,导致车辆的舒适性和操作性损失显着。



图 1 汽车悬架系统

磁流变阻尼器的结构与传统的液压阻尼器类似,其核心部件包括:外筒、气室、活塞、活塞杆等。磁流变阻尼器的工作原理如图2所示。磁流变阻尼器中,电磁线圈缠绕在阻尼器活塞上,主要工作介质是磁流变液。通过改变线圈的电流大小来改变磁场,因此施加在磁流变阻尼器上的磁场强度是连续可调的,因此磁流变阻尼器产生的阻尼力也是连续变化的。磁场增大,磁流变液的粘度也增大,它们呈正相关,




图2 磁流变阻尼器工作原理

磁流变阻尼悬架的研究重点分为三个领域,一是半主动悬架控制的设计;其次是磁流变阻尼器控制的设计,最后是磁流变液的具体性能要求。半主动悬架控制系统需要实时监控来控制车辆行驶时的运动。控制器首先计算出磁流变阻尼器需要输出的阻尼力,磁流变阻尼器输出的阻尼力,无论缺少哪一部分,都会直接影响车辆的性能。磁流变阻尼器半主动悬架是一个非线性、复杂的系统,不仅受悬架参数、车辆载荷、磁流变阻尼器的力学特性(具有显着的非线性和迟滞特性)受到道路激励和外部环境的影响,而且还受到外部磁场强度和激励频率等因素的影响,这大大增加了研究难度半主动悬架控制器。磁流变效应的研究可以追溯到20世纪40年代,但由于磁粉沉降和团聚稳定性、密封技术、装置磨损等问题难以解决,磁流变流体的应用一直停滞不前。直到20世纪20年代末,磁流变阻尼器才被应用于汽车工程,法拉利、奥迪、通用汽车和路虎配备了磁流变悬架系统,可以根据监测车身和车轮运动的传感器输入的信号实时响应路况,从而减少车身振动并增加各种路况下的车轮牵引力。这可以在保持车速恒定的同时提高车辆的稳定性。为了保证磁流变悬架系统的长期稳定性,磁流变液还需要满足以下性能要求。

1、更好的沉降稳定性。磁流变液的沉降稳定性是阻碍磁流变液工程应用的关键因素,也是磁流变液发展需要解决的首要问题。

2.合适的零场粘度。汽车减震器使用的磁流变液还应满足减震器油粘度的基本要求,以保证油具有良好的流动性和低温适应性。

3.更宽的工作温度。阻尼器单元暴露于其所在的环境中。汽车减震器不应受到地理环境因素的限制,需要适应全天候、全季节的工作条件。

4、响应时间短。磁流变液响应时间短至毫秒级,保证磁流变阻尼器与其控制系统的一致性。

5.更好的密封适应性。磁流变液发展之初最困难的问题之一是密封技术的落后,因此要求磁流变液具有良好的密封适应性,以消除泄漏和严重的腐蚀现象。

悬架是提高车辆操控性和乘坐舒适性的关键部件之一。基于磁流变阻尼半主动悬架,在半主动悬架控制、磁流变阻尼控制和磁流变流体控制的设计中进行调整并满足实际应用要求,磁流变悬架也将成为现代汽车悬架系统的最佳选择研究。

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