牛志勇，梁依經(jīng)，糜莉萍，張遂心，梁云龍，于海

(中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們對(duì)汽車(chē)性能的要求除動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性方面之外，在車(chē)輛的NVH(Noise, Vibration, Harshness)特性方面也提出了更高的要求。良好的駕駛操作性能和舒適的駕乘環(huán)境漸漸成為現(xiàn)代汽車(chē)的重要標(biāo)志，汽車(chē)也成為眾多科技產(chǎn)品的承載平臺(tái)。

1 半主動(dòng)懸架及磁流變減振器

懸架是改善車(chē)輛行車(chē)操作性和乘坐舒適性的關(guān)鍵部件之一。懸架系統(tǒng)主要由三部分組成，包括彈性元件、減振器以及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。其中減振器能迅速衰減車(chē)身振動(dòng)，有效降低對(duì)部件的沖擊載荷，保證車(chē)身在制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、加速時(shí)的穩(wěn)定性。

目前生產(chǎn)的汽車(chē)減振器主流產(chǎn)品仍是傳統(tǒng)的被動(dòng)式減振器，這種減振器的缺陷是其彈簧剛度和減振阻尼系數(shù)不能隨行駛工況條件的變化而變化，導(dǎo)致車(chē)輛的舒適性和操作性調(diào)校只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)折衷處理[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，車(chē)輛的運(yùn)行速率不斷提高，人們對(duì)車(chē)輛性能和駕乘感受的要求也在不斷提高，傳統(tǒng)的被動(dòng)式減振器已經(jīng)越來(lái)越難以滿足現(xiàn)代人類的活動(dòng)需求，這使得智能懸架系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。

汽車(chē)智能懸架的研究至今已有半個(gè)世紀(jì)，其中空氣彈簧是剛度可調(diào)彈性元件的代表，自身的剛度和高度可以通過(guò)改變充氣量來(lái)調(diào)節(jié)，聲吶技術(shù)也引入到了懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中，懸架可以根據(jù)聲吶反饋的信息來(lái)適時(shí)調(diào)整減振裝置的不同工作狀態(tài)。然而，基于磁流變減振器的半主動(dòng)懸架以其控制效果接近主動(dòng)懸架，而成本、功耗、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、可靠性等優(yōu)于主動(dòng)懸架等特點(diǎn)[2]，逐漸成為現(xiàn)代汽車(chē)懸架系統(tǒng)的最佳解決方案，將半主動(dòng)懸架技術(shù)推向了新的高度。

半主動(dòng)懸架分為剛度可調(diào)合、阻尼可調(diào)兩類[3]。目前，改變彈簧剛度比改變阻尼困難得多，因此半主動(dòng)懸架研究主要集中在調(diào)節(jié)減振器的阻尼系數(shù)方面。筒式減振器阻尼產(chǎn)生機(jī)理分為兩種：一是調(diào)節(jié)減振器油液的黏度，二是調(diào)節(jié)節(jié)流口的開(kāi)度。磁流變減振器采用的是第一種手段，通過(guò)控制外部電流強(qiáng)度來(lái)控制阻尼通道間隙處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，最終改變磁流變液的黏度，繼而達(dá)到控制阻尼力的目的。

在磁流變減振器中，將電磁線圈纏繞于阻尼器活塞上，主要的工作介質(zhì)是磁流變液。控制電磁線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小是通過(guò)改變流經(jīng)線圈的電流大小來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于電流是連續(xù)變化的，所以磁流變減振器中施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度也是連續(xù)可調(diào)的，故而磁流變減振器產(chǎn)生的阻尼力也是呈連續(xù)性變化。當(dāng)外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度不斷增大時(shí)，磁流變液的黏度也不斷增大，并逐步固化，二者呈正相關(guān)性；如果磁場(chǎng)消失，其對(duì)磁流變液的影響也將不復(fù)存在，這個(gè)過(guò)程非?？?，幾乎和磁場(chǎng)消失是同時(shí)進(jìn)行的[4]。工作原理如圖1所示。

圖1 磁流變減振器的工作原理

2 磁流變液

磁流變液(Magnetorheological Fluids，MRF)主要是由載液(分散介質(zhì))、磁性顆粒(分散質(zhì))、添加劑(穩(wěn)定劑)等組成的穩(wěn)定懸浮液(如圖2)，是智能材料研究的一個(gè)重要分支。磁流變液兼具固體的磁性和液體的流動(dòng)性，表現(xiàn)出獨(dú)特的物理性能和力學(xué)行為，引起了研究者的廣泛關(guān)注。

20世紀(jì)40年代，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)署工程師Jacob Rabinow首次發(fā)現(xiàn)了磁流變現(xiàn)象，他設(shè)計(jì)了一臺(tái)磁流變液演示裝置用于評(píng)估所研制的磁流變液，并將一位體重117磅的女孩成功吊起(如圖3)。由于顆粒的沉降穩(wěn)定性、磁流變材料化學(xué)和物理穩(wěn)定性、密封技術(shù)、磨損等問(wèn)題難以解決，以及勵(lì)磁裝置設(shè)計(jì)復(fù)雜等原因，磁流變液的研究和應(yīng)用一直處于停滯狀態(tài)。直到上世紀(jì)90年代，大量磁流變液研究成果開(kāi)始涌現(xiàn)，磁流變液因其優(yōu)秀的力學(xué)性能，重新引起了研究者們的興趣。美國(guó)Lord公司、德國(guó)Basf公司都致力于該領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)。清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、重慶大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、重慶儀表材料研究所等高校和科研單位都開(kāi)展了磁流變液的研究，并取得很大進(jìn)展。

圖2 磁流變液樣品

圖3 Rabinow的磁流變液演示

2.1磁流變液的組成[5]

2.1.1 磁性顆粒

制備磁流變液一般選取具有高飽和磁化強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、低矯頑力、強(qiáng)抗氧化能力的微米級(jí)順磁或軟磁性球形顆粒。常用的磁性顆粒是Fe、Co、Ni單質(zhì)或它們的合金材料，典型的磁性顆粒是具有高飽和磁化強(qiáng)度的羰基鐵粉，這種材料成本較低且應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)上容易買(mǎi)到。目前磁性顆粒的研究有以下幾個(gè)方面：

(1)表面改性的磁性顆粒。磁性顆粒進(jìn)行表面修飾主要是為了提高分散穩(wěn)定性和沉降穩(wěn)定性，增強(qiáng)長(zhǎng)期的化學(xué)和物理穩(wěn)定性，降低顆粒表面磨損。典型的方法是用有機(jī)聚合物包覆磁性顆粒，如天然明膠、聚酯、聚氨基甲酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯等。

(2)合金顆粒。鐵合金顆粒能賦予磁流變液以更高的屈服應(yīng)力。目前工藝成熟的鐵合金顆粒是Fe-Co合金和Fe-Ni合金，美國(guó)Lord公司已有這兩種合金顆粒為基礎(chǔ)的磁流變液產(chǎn)品。

(3)軟鐵、硬鐵顆?；旌?。軟鐵材料是多疇顆粒，具有較高飽和磁化強(qiáng)度，剩磁較少，尺寸采用微米級(jí)。硬鐵顆粒由細(xì)小的單疇顆粒組成，剩磁較大，尺寸較小，可采用納米級(jí)。此法制備的磁流變液具有較高的耐久穩(wěn)定性。

2.1.2 載液

選擇載液時(shí)需要綜合考察它們的流變性能、黏溫性能、摩擦學(xué)性能，載液還應(yīng)具備高閃點(diǎn)、低傾點(diǎn)、黏度適宜、強(qiáng)抗氧化性、低毒無(wú)害、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。載液一般采用礦物油、硅油、合成油、二醇—水混合液等。

2.1.3 添加劑

磁流變液中的顆粒密度通常比載液大，因此克服因密度差造成的沉降和團(tuán)聚問(wèn)題，提高磁流變液的使用穩(wěn)定性尤為重要。磁流變液中的核心添加劑主要作用是確保磁性顆粒均勻穩(wěn)定地分散于載液中，這種穩(wěn)定性包括兩個(gè)方面：團(tuán)聚穩(wěn)定性和沉降穩(wěn)定性，前者阻止顆粒黏結(jié)在一起，后者避免顆粒因密度差而下沉。

表面活性劑是一種高效的分散穩(wěn)定劑，它一般同時(shí)具有親水基和親油基這兩種不同性質(zhì)的結(jié)構(gòu)，以降低不相容兩相間的界面能。親水性基團(tuán)可以吸附于磁性顆粒表面，親油性基團(tuán)則像“鞭梢”一樣伸展在載液之中，“鞭梢”可接觸纏繞亦可相互排斥，一方面會(huì)增加磁性顆粒的體積，減少它們相互吸引碰撞的機(jī)會(huì)，另一方面會(huì)在載液內(nèi)部形成空間位組，形成一個(gè)相互作用的三維骨架結(jié)構(gòu)，從而降低由于磁性顆粒與載液間的密度差而引起的顆粒沉降。常用的表面活性劑如下：偶聯(lián)劑、羧酸有機(jī)胺鹽、烷基胺磷酸酯、烷氧基硫代磷酸鹽等。

此外，為了保證磁流變液的使用性能，在體系內(nèi)還可引入功能添加劑，例如減摩劑、極壓劑、抗磨劑、抗氧化劑、腐蝕抑制劑等。

2.2磁流變液的制備

磁流變液是固液兩相的懸浮液，顆粒的體積小、比表面積大、表面能高，這些小尺寸效應(yīng)使得固相的分散成為了磁流變液制備的難點(diǎn)。目前磁流變液的分散方法有超聲分散、機(jī)械攪拌分散、高速乳化分散、研磨分散，其中效率最高的是研磨分散，強(qiáng)力的剪切不但有利于顆粒的分散，還可以促進(jìn)表面活性劑與顆粒的結(jié)合。

2.3磁流變液的工作模式

磁流變液主要有三種工作模式[6](如圖4所示)。

圖4 磁流變液的三種工作模式

2.3.1 流動(dòng)模式

磁流變液填充于上下極板之間，極板位置相對(duì)靜止，磁場(chǎng)作用方向垂直于極板，可根據(jù)外部振動(dòng)的不同自行調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化時(shí)會(huì)引起活塞受力發(fā)生改變，從而改變阻尼力。

2.3.2 剪切模式

此種模式下，上下極板水平方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，磁流變液的剪切應(yīng)力發(fā)生改變，從而改變阻尼力。

2.3.3 擠壓模式

此種模式下，上下極板垂直方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相互靠近擠壓磁流變液，引起活塞受力發(fā)生改變，從而改變阻尼力。

2.4磁流變液的主要性能要求

要使磁流變減振器在汽車(chē)工程上得到應(yīng)用，磁流變液應(yīng)滿足下列性能要求：

(1)較好的沉降穩(wěn)定性。磁流變液的沉降性是否穩(wěn)定是阻礙磁流變體工程應(yīng)用的關(guān)鍵因素，這也是開(kāi)發(fā)磁流變液需首要解決的問(wèn)題，磁流變液具備較好的沉降穩(wěn)定性是其具備優(yōu)異性能的前提。

(2)適宜的零場(chǎng)黏度。應(yīng)用于汽車(chē)減震器中的磁流變液，同樣應(yīng)滿足減震器油對(duì)黏度的基本要求，保證油品具有良好的流動(dòng)性和低溫適應(yīng)性。

(3)較寬的工作溫度。減震器裝置暴露于所處的環(huán)境中，作為汽車(chē)減震器應(yīng)不受地理位置環(huán)境因素等限制，適應(yīng)全天候全季節(jié)工況條件。

(4)極短的響應(yīng)時(shí)間。磁流變液響應(yīng)時(shí)間短為毫秒級(jí)，才能保證磁流變減振器與其控制系統(tǒng)的同步性。

(5)較好的密封適應(yīng)性。磁流變液在發(fā)展之初最棘手的問(wèn)題之一就是密封技術(shù)的落后，因此要求磁流變液必須具備較好的密封適應(yīng)性，以杜絕泄漏和嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

3 磁流變液技術(shù)在汽車(chē)減振器上的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

磁流變效應(yīng)的研究可以追溯到上世紀(jì)40年代，但是由于磁性顆粒沉降和團(tuán)聚穩(wěn)定性、密封技術(shù)、磨損等問(wèn)題難以解決，磁流變液的研究應(yīng)用一直處于停滯狀態(tài)。磁流變液實(shí)現(xiàn)應(yīng)用已經(jīng)接近20世紀(jì)末，美國(guó)處于絕對(duì)領(lǐng)先水平[7-9]。

美國(guó)Lord公司在研制磁流變液及其相關(guān)產(chǎn)品方面一直為世界所矚目，其磁流變液年產(chǎn)量達(dá)數(shù)百噸。其制造的磁流變懸架系統(tǒng)已成功植入法拉利、奧迪、通用、路虎等多家汽車(chē)OEM的涵蓋高性能跑車(chē)到SUV的100多萬(wàn)輛汽車(chē)上，該阻尼器使用5×106次無(wú)故障發(fā)生，證實(shí)了其產(chǎn)品的可靠性和耐久性，彰顯了Lord公司在磁流變行業(yè)的龍頭地位。

美國(guó)Delphi公司與Lord公司合作打造了 Magneride車(chē)輛半主動(dòng)懸架系統(tǒng)，之后Delphi公司投身于研究具有快速響應(yīng)的減振裝置，并且凱迪拉克、法拉利和保時(shí)捷等眾多跑車(chē)品牌都已經(jīng)裝配上 Delphi公司的快速響應(yīng)減振器(響應(yīng)時(shí)間在1 ms之內(nèi))，可根據(jù)監(jiān)測(cè)車(chē)身和車(chē)輪運(yùn)動(dòng)狀況的傳感器輸入的信號(hào)，對(duì)路況作出實(shí)時(shí)響應(yīng)，以減少車(chē)身振動(dòng)和增加車(chē)輪在各種路況的附著力，可在保證車(chē)輛運(yùn)行速度的前提下，大大提高車(chē)輛的運(yùn)行穩(wěn)定性。

此外，Virginia工學(xué)院設(shè)計(jì)了一套半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng),并在Volvo VN重型卡車(chē)和Future Car轎車(chē)的懸架上進(jìn)行道路試驗(yàn)。Nevada大學(xué)為悍馬軍用越野車(chē)研制了磁流變減振器磁流變阻尼器，經(jīng)實(shí)車(chē)路試得出結(jié)論，車(chē)輛配備磁流變液半主動(dòng)懸架系統(tǒng)后，駕駛員的行車(chē)疲勞感減少了，乘坐舒適性有所提高，與此同時(shí)車(chē)輛的操控穩(wěn)定性以及整車(chē)的振動(dòng)也有明顯改善，整車(chē)在顛簸路面上行駛的速度可以提升40%以上，油耗也相應(yīng)降低。

國(guó)內(nèi)對(duì)磁流變材料的研究起步較晚,目前主要集中在磁流變材料實(shí)驗(yàn)室研究和流變學(xué)機(jī)理研究方面，磁流變液的應(yīng)用研究剛剛起步。重慶大學(xué)自主研制了汽車(chē)磁流變阻尼器及半主動(dòng)控制系統(tǒng)，并在某型轎車(chē)上進(jìn)行了實(shí)車(chē)路試。裝甲兵工程學(xué)院某課題小組為某型軍用車(chē)輛設(shè)計(jì)了磁流變減振器，實(shí)現(xiàn)了磁流變技術(shù)在國(guó)防科技上的零突破。

4 建議與展望

磁流變液獨(dú)特的物理特性和力學(xué)行為使其在汽車(chē)減振器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展起步較晚，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用還有許多問(wèn)題亟待解決。結(jié)合現(xiàn)有研發(fā)技術(shù)和未來(lái)需求，建議應(yīng)用于汽車(chē)減振器的磁流變液在以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

(1)適宜的零場(chǎng)黏度。磁流變液的抗沉降性和流動(dòng)性是矛盾體，研究過(guò)程中應(yīng)在不影響其流變學(xué)性能的前提下，盡可能地提高其沉降穩(wěn)定性，這也有利于增強(qiáng)磁流變液的低溫適應(yīng)性。

(2)提高密封適應(yīng)性。磁流變液的研究在最初的幾十年內(nèi)一直停滯不前，其中一個(gè)限制因素是密封技術(shù)的落后，這就要求在磁流變液的開(kāi)發(fā)中必須提高其密封適應(yīng)性，以杜絕泄漏和嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)降低磨損。磁流變液中的磁性顆粒鐵含量很高，由于鐵屬于體心立方結(jié)構(gòu)，是強(qiáng)黏附材料，摩擦系數(shù)較高，因而磁性粒子在減振器內(nèi)來(lái)回蠕動(dòng)過(guò)程中，自磨損和對(duì)減振器壁面的磨損是相當(dāng)嚴(yán)重的。需要研究者們綜合考慮磁性顆粒、載液和功能添加劑的選用和配比，以提高磁流變減振器的可靠性和耐久性。

參考文獻(xiàn)：

[1] Thomas D Gillespie.車(chē)輛動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].趙六奇,金達(dá)鋒,譯.北京：清華大學(xué)出版社,2006.

[2] Lieh J. The Effect of Bandwidth of Semiactive Dampers on Vehicle Ride[J]. Journal of Dynamic Systems Measurement & Control, 1993, 115 (3):571-575.

[3] Soria L, Peeters B, Anthonis J. Operational Modal Analusis and the Performance Assessment of Vehicle Suspension Systems[J]. Shock & Vibration, 2015,19(5):1099-1113.

[4] 王冰, 韓冰源, 王巖,等. 汽車(chē)磁流變減振器研究綜述[J]. 森林工程, 2008, 24(4):39-43.

[5] 易成建. 磁流變液:制備、性能測(cè)試與本構(gòu)模型[M]. 重慶: 重慶大學(xué), 2011.

[6] 王鴻云, 鄭惠強(qiáng), 李泳鮮,等. 磁流變液的研究與應(yīng)用[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2008, 25(5): 1-4.

[7] 廖昌榮. 汽車(chē)懸架系統(tǒng)磁流變阻尼器研究[M]. 重慶: 重慶大學(xué), 2001.

[8] 張進(jìn)秋, 張建, 孔亞男,等. 磁流變液及其應(yīng)用研究綜述[J]. 裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 24(2): 5-10.

[9] 唐龍, 盧利平, 岳恩,等. 磁流變液的研究與應(yīng)用[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2013(12): 44-48.