（车辆工程专业论文）基于磁流变阻尼器的车辆半主动控制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 悬架是影响车辆性能的关键部件，采用能够根据路面情况和车辆运行状 态进行实时控制的智能悬架是提高车辆的平顺性和安全性的一条重要途径。 磁流变半主动悬架利用磁流变技术实现了阻尼实时控制，具有优良的可控性、 很宽的动态范围、较高的响应速度、很低的功耗、相对简单的结构，已成为 目前智能悬架领域的研究热点，备受青睐。 本文应用理论分析、数值仿真的方法，对磁流变阻尼器的动态特性、车 辆磁流变半主动悬架的动力学特性、半主动悬架控制策略以及控制系统设计 进行了研究。具体工作包括以下几方面： ( 1 ) 阐述了智能悬架研究的重要意义，回顾了智能悬架研究的历史和进 展，综述了磁流变液、磁流变阻尼器和车辆磁流变半主动悬架的研究现状和 存在的问题，针对车辆磁流变半主动悬架目前存在的问题提出了本文将要开 展的主要工作。 ( 2 ) 针对车辆悬架系统的非线性，本论文以车辆半主动悬架智能控制为 研究对象，基于磁流变阻尼器模型和二自由度四分之一车辆悬架模型，建立 了磁流变半主动悬架模型，设计了用于车辆半主动悬架的微分几何控制器和 模糊控制器，并利用m a t l a b 软件及相应的工具箱建立了磁流变半主动悬架仿 真系统，通过数值仿真分析了采用以上控制策略后磁流变半主动悬架时域响 应，最后根据控制效果对两种控制策略进行了比较和评价。 ( 3 ) 通过与开关型阻尼控制的仿真结果进行的比较，表明这两种针对具 有非线性特征的半主动悬架的非线性控制方法是可行的。通过功率谱分析， 控制后系统的能量比开关型半主动悬架更趋于平均，悬架动态性能更稳定。 ( 4 ) 将两种非线性控制方法的仿真结果进行分析比较表明：经模糊控制 控制的悬架冲击响应小、振动强度低，比微分几何控制能获得更优异的性能。 关键词：磁流液阻尼器车辆悬架半主动控制微分几何理论模糊 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t t h es u s p e n s i o n s y s t e m i sac r i t i c a lc o m p o n e n tt h a tc a ni n f l u e n c et h e v e h i c u l a rp e r f o r m a n c e t h ei n t e l l i g e n ts u s p e n s i o ns y s t e mh a sr e a l t i m ec o n t r o l a c c o r d i n gt ot h er o a ds u r f a c ec o n d i t i o n sa n dt h es t a t eo fv e h i c l e sm o t i o n i t s a d o p t i o n i s a n i m p o r t a n ta p p r o a c h t o i m p r o v i n g c o m f o r ta n d s e c u r i t y m a g n e t o r h e o l o g i c a l ( m r ) s e m i a c t i v es u s p e n s i o na p p l i e sm rt e c h n o l o g yt o c a r r yo u tt h er e a l - t i m ec o n t r o lo fi t sd a m p d u et oi t sg o o dc o n t r o l l a b i l i t y , w i d e d y n a m i cr a n g e ，r a p i dr e s p o n s es p e e d ，l o wo p e r a t i n gp o w e rr e q u i r e m e n t a n d c o m p a r a t i v e l ys i m p l es t r u c t u r e ，m rs e m i - a c t i v es u s p e n s i o nh a sb e c o m eo n eo f t h ec e n t r a lr e s e a r c h s u b j e c t s i n i n t e l l i g e n ts u s p e n s i o n f i e l d ， a n d h a sa l s or e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n i nt h i sp a p e r ，t h em e t h o d sa n dd y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fm rd a m p e ra r e a p p l i e dt os t u d yt h es u s p e n s i o n ，t h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa n dt h ec o n t r o ls y s t e m s d e s i g n t h em a i n c o n t r i b u t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d et h ef o l l o w i n g ： 1 t h ep a p e re x p o u n d st h es i g n i f i c a n c eo ft h ei n t e l l i g e n ts u s p e n s i o n r e s e a r c hr e v i e w si t sh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n t ，s u m m a r i z e st h ep r e s e n ts i t u a t i o n a n de x i s t i n g p r o b l e m s o fm rf l u i d s ，m r d a m p e r sa n dm rs e m i - a c t i v e s u s p e n s i o na n dp u t sf o r w a r dt h em a i nw o r ka i m e da tt h ep r e s e n tp r o b l e m so f v e h i c u l a rm rs e m i - a c t i v es u s p e n s i o n 2 b a s e do nt h ea n a l y s i so f n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c u l a rs u s p e n s i o n s y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e a l sw i t ht h es e m i - a c t i v es u s p e n s i o nc o n t r o lo i lb a s i so f p r o p o s e dm a g n e t o r h e o l o g i c a l ( m r ) d a m p e rm o d e l a n dt h e t w o d e g r e eo f f r e e d o m ( 2 一d o f ) 1 4 q u a r t e r - v e h i c l em o d e l t h em rs e m i - a c t i v es u s p e n s i o n m o d e li se s t a b l i s h e d t h em e t h o do fc o n t r o ls t r a t e g yo nd i f f e r e n t i a lg e o m e t r y t h e o r y a n df u z z yc o n t r o ls t r a t e g yi s e x p o u n d e d t h ed i f f e r e n t i a lg e o m e t r y c o n t r o l l e ra n dt h ef u z z yc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e d m rs e m i - a c t i v es u s p e n s i o n s i m u l a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e db yu s i n gm a t l a bs o f t w a r ea n di t sc o r r e s p o n d i n g t o o l b o x e s a f t e ra d o p t i n gt h ea b o v ec o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h et i m ed o m a i nr e s p o n s e o fs e m i a c t i v e s u s p e n s i o n a r ea n a l y z e db yu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 c o m p a r i s o na n de v a l u a t i o nb e t w e e nt h et w od i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s a r e c a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h ec o n t r o le f f e c t s 3 c o m p a r e dw i t ht w os e m i a c t i v es u s p e n s i o n sb a s e do nm r d a n do n o f f c o n t r o ld a m p e r , r e s p e c t i v e l y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h en o n l i n e a r c o n t r o ls t r a t e g i e sb a s e do nm r da r em o r ef e a s i b l ei na l l u s i o nt ot h ee x i s t i n g e l e m e n t so fs e m i a c t i v es u s p e n s i o n sw i t hn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s s ot h e s e c o n t r o ls t r a t e g i e sc a nn o to n l ya t t a i na ne x c e l l e n te f f e c to nw e a k e n i n gv e h i c l e v i b r a t i o na n dd i s t u r b a n c e ，b u ta l s oc o i n c i d ew i t ht h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n 4 f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t sf r o mt h et w on o n l i n e a rc o n t r o lm e t h o d s w e r ec o m p a r e d ，w h i c hs h o w e dt h a tt h es u s p e n s i o nc o n t r o l l e db yt h ef u z z yl o g i c m e t h o dh a dl e s si m p a c tr e s p o n s ea n dl o w e rv i b r a t i o ni n t e n s i t yt h a nt h a tb yt h e d i f f e r e n t i a lg e o m e t r yt h e o r ys t r a t e g y , a n dh a ds u p e r i o rp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：m a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e r s ；v e h i c l es u s p e n s i o n ；s e m i - a c t i v e c o n t r o l ；d i f f e r e n t i a lg e o m e t r yt h e o r y ；f u z z yl o g i c 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 在基于磁流变阻尼器的悬架中，引入了非线性弹簧，并对此非线性 系统进行分析，其分析结果更具实际意义。 2 针对悬架系统的非线性特点，采用微分几何和模糊的控制方法，并 把控制效果与开关阻尼型半主动悬架的效果进行对比。 声明人：丁海涛 2 0 0 8 年6 月1 5 日 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密融使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：j 易i 易、 指导老师签名：易饧i ， e t 期：尹诱、6 、j r f t 期：矽。孑、易 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 车辆悬挂系统振动控制的机理研究和产品开发是车辆动力学和自动控制 领域的国际性前沿课题。近年来，随着相关学科和高新技术的迅猛发展，特 别是高速、廉价的微处理系统的普及，使得研究实用的主动和半主动悬挂系 统成为可能。在我国，有必要加快对此领域的研究，以适应我国铁路高速化 战略的需要。 1 1 选题背景 1 1 1 车辆悬架系统概述 随着我国铁路旅客列车的提速和高速列车的研究，改善机车车辆运行品 质的要求不断提高。改善机车车辆的运行品质，即高速机车车辆的运行平稳 性主要是借助于转向架结构参数和悬挂系统参数的设计优化来实现。悬挂系 统参数对机车车辆性能的影响常常是相互矛盾的，因此悬挂系统的设计是综 合了多方面因素的折中结果l l j 。 机车车辆的悬挂系统与两个主要性能即平稳性和稳定性密切相关。目前 应用的悬挂系统主要有三种：被动悬挂，全主动悬挂和半主动悬挂。传统的 被动悬挂系统由于其弹性元件和阻尼元件的参数不能实时调节，因而不能使 机车车辆的乘坐平稳性和操作舒适性同时达到最优1 2 , 3 j 。全主动悬挂系统结构 复杂，成本高，难以应用；阻尼可调的半主动悬挂系统与全主动悬挂系统相 比，虽然对振动控制的性能略差，但其结构相对简单，价格低廉。同时，在 控制品质上又能接近于主动悬挂，因而有着广阔的应用前景。特别是磁流变 减振器的出现，加快了半主动悬挂产业化的进程。在目前机车车辆营运速度 迅速提高的情况下，采用阻尼调节的半主动悬挂系统应用前景广阔1 4 刮1 1 1 2 车辆悬架系统的分类与特性 车辆振动是影响车辆平顺性的重要因素。衰减振动，设计合理的悬挂系 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 统是提高平顺性的途径之一。通常，悬挂系统的阻尼与刚度一般是按经验设 计或优化设计方法确定的，一经选定，在车辆行驶过程中无法进行调节，这 就限制了悬挂性能的进一步提高，这种在运行中无法干预的传统悬挂系统也 被称为被动悬挂。 针对被动悬挂的缺陷，国外在6 0 年代提出主动悬挂【7 j 。主动悬挂采用有 源可控元件组成闭环系统，根据车辆状态和当前激励主动做出反应，给出适 当的悬挂力，抑制车体振动，使悬挂系统始终处于最佳减振状态。主动悬挂 具有理想的减振性能，但需要成本较高的力发生器( 作动器) ，还要由外部提 供较大的控制能量。根据力( 力矩) 发生器的响应带宽，主动悬架又可以分 为全主动悬架和慢主动悬架。如果控制信号是基于车身和车轮两方面减振， 控制信号的带宽至少应该覆盖车轮的共振频率，一般为1 0 1 5 h z ，这样执行 器响应带宽应该大于1 5 h z ，由于主动悬架大多采用电液伺服系统，所以要使 其达到这样的带宽很困难，需要相当高的制造水平，同时高带宽的执行器对 能量的消耗也是巨大的。慢主动悬架采用一个与力发生器并联的弹簧来支撑 车辆载荷，减轻力发生器负担和降低能量消耗。如果只考虑减振车身的话， 慢主动悬架的响应频率只需要覆盖车身的共振频率，一般达到4 h z 就可以了 【8 】 o 半主动悬挂是1 9 7 4 年由美国加州大学戴维斯分校机械工程系 ( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a ，d a v i s ，c a l i l ) d e k a m o p p 教授等提出的一种半主 动隔振方案在车辆上的实现，采用无源但可控的阻尼器，根据预定的阻尼控 制规律，及时调节阻尼力。半主动悬挂的提出虽晚于主动悬挂，但比主动悬 挂结构简单、成本低，而且性能接近于主动悬挂1 9 , 1 0 j ，另外由于不要专用能 源装置，这对各种运载工具来说是一个突出的优点，因而受到重视，有较好 的发展前景，但仍需要进一步研究阻尼控制规律、改善性能。半主动悬架可 以在一定范围内对执行元件的阻尼系数或者刚度系数进行调节。一般地，车 辆悬架弹性元件需要承担车身的静载荷，因而在半主动悬架中实施刚度控制 比阻尼控制困难得多，目前，半主动悬架的研究基本上局限于阻尼控制的研 究。半主动悬架可以根据阻尼系数的调节调节方式分为连续可控的半主动悬 架和分级可控的半主动悬架。 以下是车辆悬架系统的分类与特性比较【1 1 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 表1 - 1 车辆悬架系统的特性比较 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外半主动悬架的应用情况 在2 0 世纪8 0 年代中、后期，日本的三菱汽车公司和n i s s a n 汽车公司分 别在本公司生产的某些车型的轿车上采用了电子控制半主动悬架系统。 l e x u s l 5 4 0 0 型轿车的电子控制悬架系统是一种较典型的半主动悬架系统。 该系统采用了充有压缩空气的空气弹簧，弹簧的弹性可在“软与“硬 之 间切换，减振器则有三种不同的阻尼特性可供选择。轿车行驶过程中，电子 控制单元能够根据各种传感器的输入信号，选择最佳的空气弹簧的弹性与减 振器阻尼特性的组合，从而获得良好的乘坐舒适性和操纵性能l l 引。 1 9 8 8 年，n i s s a n 公司研制开发了一种所谓声纳半主动悬架装置，并首先 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 选装在m a x i m a 型轿车上。其原理就是通过发出的声纳信号进行路面搜索， 同时将来自路面的反射波信号进行接收识别i l 引。 2 0 0 2 年德国采埃孚萨克斯公司宣布，该公司最近与另一家名为兰齐亚 的汽车公司合作，开发出了一种能自动识别道路状况的半主动悬架系统自动 连续调节阻尼控制系统( c d c ) 。据称，这一系统不仅可以装配在诸如法拉 利等赛车上，还可以安装在其他高级轿车上i l 引。 日本5 0 0 系为了以提高舒适性为目标，在两头车厢( 1 ，1 6 号车厢) 安 装主动悬挂系统，而在安装受电弓的车厢上( 5 ，1 3 号车厢) 和绿色车厢( 8 ， 9 ，1 0 号车厢) 上安装半主动悬挂系统。装用半主动悬挂装置后，列车的乘 坐舒适性从“普通区域提高到“良好 一“普通区域。装用半主动悬挂 系统的5 0 0 系列新干线动车无论运行在明线或隧道内，都有改善乘坐舒适性 的效果。可以确认，这种列车在3 0 0 k m h 速度运行时的乘坐舒适性与以往 2 7 0 k m h 速度运行时的一样或者更好。今后将以进一步改善乘坐舒适性为目 标，继续研究改进半主动悬挂系统的结构和性能【”】。 日本7 0 0 系新干线采用了半有源悬挂系统。不仅在车体发生摇动时需要 使减振器向抑制振动的方向动作，且在由于轨道的影响使转向架发生振动时， 为使振动不向车体传递，也要求横向减振器具有相应的动力衰减能力。为此， 需要测出车辆的横向运动加速度，控制衰减系数可变的横向减振器的动作， 从而提高乘坐舒适性。与5 0 0 系客车一样，本系统安装于两个头车( 1 号、 1 6 号车) 、装有受电弓的车厢( 5 号、1 2 号车) 以及头等车厢，这对于实现 “提供舒适性更好的客车 这一目标，具有明显的效果1 1 6 】。 1 2 2 国内半主动悬挂在铁道车辆的研究与应用 西南交通大学的王月明博士研究了阻尼控制策略的两种实现方式：一是 开关型阻尼控制规律，二是连续型阻尼控制规律。通过对采用无摇枕转向架 的高速客车悬挂系统横向模型的仿真实验，研究了半主动阻尼控制改善车辆 运行平稳性的有效性。结果数据表明，与阻尼最优的被动悬挂相比，采用连 续型阻尼控制策略，车体横向加速度响应的均方根值能降低2 0 2 5 ，加速度 最大值能降低4 0 5 0 ，横向平稳性指标降低约1 0 1 5 【1 u j 。 铁道科学研究院的姚建伟等对铁道机车车辆半主动控制减振器进行了模 糊控制理论研究和产品研制，完成了半主动控制减振器的理论分析、仿真计 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 算、作动器研制、示意图和阻尼特性试验、控制策略的研究、控制器软硬件 的研制等工作【1 7 l 。 清华大学丁问司博士后针对国内的实际情况，研究了我国高速列车横向 半主动悬挂系统控制策略、高速开关阀控制的横向半主动减振器【1 8 , 1 9 】。 西南交通大学的曾京、戴焕云教授等对开关阻尼控制的铁道客车系统的 动力学性能进行了研究，主要包括半主动减振器的阻尼参数和半主动悬挂系 统的时滞对客车系统临界速度和随机响应的影响。计算表明，尽管半主动悬 挂使客车系统的临界速度低于被动悬挂，构架的横向加速度和轮轨横向力也 要大于被动悬挂，但它能够大大减小车体的横向振动加速度，改善旅客的乘 坐舒适性【2 0 1 。 1 2 3 磁流变阻尼器在车辆半悬架中的研究与应用 磁流变液具有优良的可控性、很宽的动态范围、较高的响应速度，很低 的功耗，相对简单的控制方式，因此它在结构振动控制、车辆工程中具有广 阔的应用前景，尤其是在汽车半主动悬架领域，它已经成为竞相研究的热点， 世界发达国家的研究机构和企业投入大量人力物力利用磁流变液开发阻尼器 件及相关技术。 美国l o r d 公司是世界上最大的磁流变液供应商，也是磁流变技术商业开 发的先驱，拥有磁流变阻尼器、制动器、离合器及其控制系统的多项专利， 其中p i n k o s 等【2 1 】设计了转盘式磁流变主动悬架系统，并完成了汽车半主动悬 架的控制实验，这种悬架系统大大地提高了汽车的安全性和舒适性。 世界最大汽车零部件制造和系统集成商美国德尔夫( d e l p h i ) 公司 与l o r d 公司合作开发了汽车磁流变半主动悬架系统1 2 2 ，并获得了1 9 9 9 年度 世界一百大科技成果奖，该项目的研制成功对汽车减振系统而言是革命性的 进步。 美国维吉尼业工学院车辆动力学高级实验室( a 、，d l ) 也在汽车磁流变 半主动悬架研究中做了大量工作【2 3 1 。他们利用h r d 公司提供的磁流变阻尼 器设计了半主动悬架控制系统，并在v o l v ov n 重型卡车和f u t u r ec a r 轿车的 悬架上进行道路试验，试验结果说明该系统对汽车俯仰和侧倾运动有明显抑 制，而对车身振动没有明显效果，因此阻尼器和控制算法有待进一步提高。 在国内，磁流变半主动悬架的研究已经起步，其中香港中文大学、西安 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 交通大学和重庆大学等高校的工作比较有代表性。香港中文大学智能材料与 结构实验室的c y l a i 和w h l a i o 【2 4 j 利用l o r d 公司开发的磁流变阻尼器研究 了单自由度悬架系统的振动控制，其控制算法为滑模控制，与传统的被动悬 架相比，采用磁流变阻尼器可控悬架的簧载质量的垂直加速度得到大幅度降 低。西安交通大学在磁流变阻尼器和通用振动控制器设计、磁流变阻尼器控 制方法等方面取得了一些成果。重庆大学对磁流变阻尼器的流变理论和设计 方法进行了深入的研究【2 5 , 2 6 j ，解决了磁流变阻尼器磁路设计和结构设计中的 相关技术问题，研制出了微型汽车磁流变阻尼器，并在国家客车质量监测中 心进行了测试，为汽车磁流变阻尼器的开发和应用奠定了理论和技术基础。 1 2 4 半主动悬架研究方面目前存在的主要问题 目前，半主动悬挂的研究已经得到了进一步的发展，但是研究的主要方 向还是停留在开关阻尼型半主动悬架上： ( 1 ) 在适应车辆行驶路况及其道路条件变化方面有一定局限性； ( 2 ) 由于要求可调阻尼器的带宽要宽，要求时间滞后小，能够快速开关控 制( 高精度的节流阀) 的阻尼器较难实现。 磁流液( m r f ) 是一类随着磁场变化而改变其流变特性的新型智能材料。 m r f 在外加电磁场作用下，其流变材料性能，如剪切强度、表观粘度等会 发生显着的变化。由该类特殊液体构成的阻尼器，当外界电磁场发生变化时， 液体的粘度随之发生变化，从而实现阻尼力的连续调节。该类阻尼器，不需 要高精度的节流阀，因此结构简单，而且制造成本低，且无液压阀的振动、 冲击与噪声。同时，该智能材料可以在毫秒级实现状态的可逆变化，因此能 适应宽频带的路况要求。甚至当悬架系统控制器发生故障时，该类阻尼器依 然可以充当传统的被动阻尼器使用，大大提高了悬架系统的可靠性。由此可 见基于智能材料的可控阻尼器是作为半主动悬架执行器非常好的选择。 到目前为止，磁流变技术受到人们的极大关注仅仅只有十余年的时间， 车辆磁流变阻尼器和磁流变半主动悬架的发展还不完善，特别是在国内发展 起步较晚，有许多问题有待人们去探索： ( 1 ) 磁流变液性能离车辆磁流变减振器批量生产的要求还有差距。 ( 2 )由于车辆阻尼器的特殊性，磁流变阻尼器需要针对不同的车型单独 设计，目前还没有商业化的产品。磁流变阻尼器设计理论还不完善，由于商 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 业和军事的原因，国外文献所报道的仅限于一般原理，开发过程中的关键技 术还处于保密阶段。 ( 3 ) 车辆磁流变半主动悬架控制系统的研究刚刚起步，许多技术难题需 要攻克，国内外可实现的控制算法效果不明显。 1 3 本文的主要研究工作 1 3 1 本文的研究内容 半主动悬架能有效解决传统被动悬架存在的驾乘舒适性和操纵稳定性对 阻尼矛盾性要求的问题，并具有能量消耗小、结构简单、可靠性高以及控制 品质接近于主动悬架等优点，代表了当前智能悬架的主要发展方向。同时伴 随着新型智能材料及其可控阻尼器件的发展，有力的推动了半主动悬架的进 一步发展。鉴于此，本论文重点在以下几方面展开研究： ( 1 ) 研究了开关阻尼型半主动悬架的局限性，提出了采用磁流变阻尼器的 车辆半主动悬架； ( 2 ) 分析了磁流变阻尼器的动力学模型，对改进的b i n g h a m 粘弹塑性模 型进行了s i m u l i n k 仿真； ( 3 ) 建立了基于磁流变阻尼器的二自由度1 4 车体的动力学模型，并进行 了s i m u l i n k 仿真； ( 4 ) 针对上述模型，提出了微分几何控制方法与模糊控制方法，并把控制 效果与开关阻尼型半主动悬架的控制效果进行对比分析。 1 3 2 本文的研究方法 ( 1 ) 本文根据车辆系统动力学方法建立动力学方程，并对其进行s i m u l i n k 仿真； ( 2 ) 模型中将充分考虑非线性因素，并针对悬架的非线性特点和磁流变阻 尼器的非线性特点，采用微分几何和模糊的控制策略来设计非线性系统的控 制器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 3 3 本文的创新性 本文针对开关型半主动悬架的缺点，提出了采用磁流变阻尼器的车辆半 主动悬架，以下两点为本文的创新点： ( 1 ) 在基于磁流变阻尼器的悬架中，引入了非线性弹簧，并对此非线性系 统进行分析，其分析结果更具实际意义； ( 2 ) 针对悬架系统的非线性特点，采用微分几何和模糊的控制方法，并把 控制效果与开关阻尼型半主动悬架的效果进行对比。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章磁流变阻尼器建模与计算 磁流变液是在外加磁场作用下其粘性、塑性等流变特性发生急剧变化的 材料。其基本特征是在外磁场作用下能在瞬间( 毫秒级) 从自由流动的液体 转变为半固体，呈现可控的屈服应力，而且这种变化是可逆的。磁流变阻尼 器是基于磁流变液的磁流变效应特性研制出的一种阻尼连续可调的阻尼器， 具有能耗低、出力大、响应速度快、结构简单、阻尼力连续可调的特点，并 可方便与微机控制相结合，可作为变阻尼半主动控制器件。 2 1 磁流变液 ，2 1 1 磁流变液及其研究概况 磁流变液是一种可控液体，是由非胶体的细小颗粒分散溶于绝缘载液中 形成的随外加磁场变化而可控制其流变行为的稳定的悬浮液。当磁流变液受 到中等磁场作用时，其表观粘度增加两个数量级以上；当受到强磁场作用时 就会变成“固体 ，当磁场去掉时又变成液体。这种将磁性及固液转化的特性 统一在同一种材料中的特性，产生了许多创新的工程应用。 2 0 世纪4 0 年代r a b i n o w 在设计离合器时发现了磁流变现象【2 7 , 2 8 j 。但在 随后的几十年里，对磁流变液的研究一直处于停滞状态，很少有人注意到它 的存在。而电流变液得到了广泛的重视，并取得了很大的进展。由于电流变 液的剪切屈服应力太低以及电源电压过高等问题一直无法解决，因而自上世 纪9 0 年代人们又开始研究磁流变液的特性和应用，磁流变液研究重新焕发了 生机。 磁流变液的工程应用是从1 9 9 6 年开始才有所突破。从事这方面研究的学 者有美国s p e n c e r , d y k e ，s h i r l e yj a n e 等，英国n e i ld s i m s ，r o g e rs t a n w a y ， 韩国、日本以及自俄罗斯等国家的学者，但开始较早且较成功者主要是美国 学者。在企业界，美国l o r d 公司开始较早，不仅研究磁流变液体成份及特性， 还研究它的工程应用。l o r d 公司通过分析磁流变液的特性，指出磁流变液在 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 屈服应力、使用温度范围、物理化学稳定性、能耗等方面均优于电流变液， 由此开创了国际上磁流变液研究的新局面。其特别强调磁流变液可用于汽车 减振器、离合器和制动装置等，并开始研发磁流变液减振器【2 9 1 。 我国对磁流变材料的研究始于上世纪9 0 年代，目前已经在磁流变材料制 备、流变学机理和工程应用方面取得了一定成就。较早从事这方面研究的单 位有：复旦大学1 3 0 l 、中国科技大学【3 1 1 、哈尔滨工业大学【3 2 1 、重庆大学【3 3 , 3 4 】 等单位。 2 1 2 磁流变效应 在未加磁场时，磁流变液表现为牛顿流体特性，其剪切应力等于粘度与 剪切率的乘积；在外加磁场作用下，磁流变液表现为b i n g h a m 流体的特性， 其剪切应力由液体的粘滞力和屈应力两部分组成，其流变特性的改变表现为 屈服应力随磁场强度的增加而单调增加，而液体的粘度上升，当外加磁场达 到某一临界值时，磁流变液停止流动而固化，当去掉外加磁场时，它又恢复 到原来的状态，其响应时间仅为几毫秒。 磁流变液这种随外加磁场强度变化而改变其流变特性的现象被称为磁流 变效应。磁流变效应是磁流变液走向工程应用的基础，它具有如下特点： ( 1 ) 连续性：它能够随磁场强度的变化而连续变化，因而磁流变器件的阻 尼力可以通过控制磁场大小而连续调节； ( 2 ) 可逆性：即施加磁场后，磁流变液随磁场强度的增加硬化为具有一定 剪切应力的粘塑性体，撤去磁场后，又恢复为自由流动的液体； ( 3 ) 实时性：流变性能的转化通常在毫秒级的时间内就可以完成； ( 4 ) 可控性：可采用低电压、大电流的信号来控制磁场强度的强弱，从而 控制磁流变效应，这种控制是安全且容易实现的； ( 5 ) 低功耗：产生磁流变效应所需能耗较低。 2 1 3 磁流变液的流变机理 到目前为止，磁流变效应产生的机理还没有完全明确、完全被人接受的 物理解释，但从显微镜的观察下可以明显地看到，在零磁场下，磁流变液的 颗粒分布是杂乱的，而在磁场作用下，却是有规则的，且沿磁场方向成链束 西南交通大学硕士研究生学位论文第ll 页 状排列，其原理示意图如图2 - 1 所示。这样就限制了液体的流动，使原来的 流体向半固体发展，剪切屈服应力也随之而生，并随着磁场强度的增大而变 大。流变过程是可逆的，并可以在毫秒内实现。重庆大学司鹄等对磁流变材 料的流变性能作了进一步研究。研究表明，磁流变的流变特性，不仅受到外 部磁场强度的影响，而且受到磁介质的体积百分率、磁介质微粒尺寸的影响 3 5 10 坚惑0 o 0 露o , 1g 亨 o uo voo 一 o o 。o 口oooo o0 do o 图2 1 磁场作用下m r f 颗粒的分布变化 关于颗粒在磁场下成链或链束的原因，也存在很多假说1 3 6 】。目前被广为 接受的解释是，当无磁场作用时，粒子悬浮于母液中呈随机分布，当施加磁 场作用后，粒子表现出极化现象，形成磁偶极子。磁偶极子克服热运动作用 而沿磁场方向结成链状结构。一条极化链中各相邻粒子间的吸引力随外加磁 场强度的增强而增加。当磁场强度增至临界值时，磁偶极子相互作用超过热 运动，使粒子热运动受到束缚，此时磁流变液便呈现出固体特性。磁流变液 的屈服应力值随外加磁场强度的增加而增加。但当达到某个饱和值后，如果 再增加磁场强度，磁流变液的力学性质便会基本上保持不变，即达到了饱和 磁场下的动态屈服应力。 2 1 4 磁流变液性能 磁流变液具有如下优良性能【3 7 l ： ( 1 ) 屈服应力 与电流变液相似，磁流变液存在塑性特性。然而，磁流变液的屈服应力 明显大于电流变液，磁流变液通过作用一个磁场很容易获得8 0 k p a 以上的屈 竺 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 服应力。而最好的电流变液只有3 k p a 范围的屈服应力。 ( 2 ) 温度范围 磁流变液能在4 0 5 0 的范围内正常工作，这是与高屈服应力同等重要 的问题。在这个温度范围内由于载体介质的扩张与收缩引起粒子体积百分率 的变化而使屈服应力略有变化。 ( 3 ) 粘度 当没有磁场作用时，磁流变液可以自由流动。在表观粘度与剪切速率的 函数图上，磁流变液显示出剪应力下降之势。表观粘度定义为测得剪应力除 以剪切速率。按b i n g h a m 塑变模型，粘度被定义为根据测得的剪应力与剪切 速率数据得出的一条线性回归曲线的斜率。对于磁流变液，塑性粘度通常在 o 1 0 一o 7 0 帕秒的范围内。 ( 4 ) 响应时间 磁流变液对作用磁场的响应时间为毫秒数量级。例如一个磁流变液模型 减振器，作用磁场后，可在6 5 毫秒内可以达到流变平衡。 ( 5 ) 稳定性 磁流变液不受在制造和应用中通常存在的化学杂质所影响。另外，其原 材料无毒，环境安全，与多数设备兼容。通常流动情况下，磁流变液会发生 微粒子和载体溶剂之间的分离。低剪切搅拌即可很容易地使粒子重新分散， 消除分层。 2 1 5 磁流变液的组成成分 磁流变液由磁性微粒、基液、稳定剂三部分组成1 3 2 j ： ( 1 ) 磁性微粒 ，通常磁性微粒粒径在1 1 0 微米范围内，通常采用铁、钴、镍等磁性材料， 它是使液体获得磁流变效应的主要成分。由于磁流变液的极限剪切屈服应力 与磁性微粒的饱和磁化强度的平方成正比，因此，高饱和磁化强度是磁性微 粒的最主要的性能指标之一。除此之外，磁性微粒还应该具有高磁导率、低 磁矫顽力和合理的粒径大小及分布。， ( 2 ) 基液 作为连续介质的载液，要求具有低粘度、高沸点、低凝固点、良好的温 度稳定性和阻燃性，还应保证不会发生污染和腐蚀作用。目前，在制备磁流 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 变液的过程中，最为常用的基液是硅油，它是有机硅聚合物中的重要产品， 是无色、无味、无毒、不易挥发、不易燃烧的透明油状液体，具有良好的热 稳定性和抗“磁击穿特性。另外，一些高沸点的合成油也可以作为磁流变 液的基液。除了硅油和合成油外，水和优质煤油等性能稳定的液体也可以作 为磁流变液的基液。 ( 3 ) 稳定剂 稳定剂的作用是改善磁流变液的沉降稳定性和凝聚稳定性。通常稳定剂 具有特殊的分子结构：一端对磁性颗粒界面能够产生高度的亲和力，吸附于 磁性颗粒表面；另一端为极易分散于载液中的具有适当长度的弹性基团。一 般采用氧化硅胶添加剂或其它表面活化剂。 2 2 磁流变阻尼器( m r d ) 2 2 1 磁流变阻尼器的工作模式与分类 磁流变阻尼器是基于磁流变液的可控特性的一种新型阻尼器，其工作原 理是在外加磁场的作用下，磁流变液中随机分布的磁极化粒子沿磁场方向运 动，磁化运动使粒子首尾相联，形成链状或网状结构，从而使磁流变液的流 动特性发生变化，进而使阻尼器阻尼通道两端的压力差发生变化，达到改变 阻尼力的目的。目前，直线运动的磁流变阻尼器都是基于下列三种工作模式 进行设计的l 弘】： ( 1 ) 流动模式( p o i s e u i l l e 流动) ，如图2 2 ( a ) 所示，在两固定不动的 极板之间充满磁流变液，外加磁场经过极板垂直作用于两极板之间的磁流变 液，使磁流变液的流动性能发生变化，从而使推动磁流变液流动的活塞所受 的阻力发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。利用这种工作模式可以 设计开发流体控制阀、阻尼器等磁流变器件。 ( 2 ) 剪切模式( c o u e t t e 流动) ，如图2 2 ( b ) 所示，在两相对运动的极板 之间充满磁流变液，外加磁场经过极板垂直作用于两极板之间的磁流变液， 使磁流变液的流动性能发生变化，从而使推动极板运动的活塞所受阻力发生 变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。利用这种工作模式可以设计开发流 体离合器、制动器、机床夹具和阻尼器等磁流变器件。 西南交通大学硕士研究生学位论文7第14 页 ( 3 ) 挤压模式，如图2 2 ( c ) 所示，两极板之间充满磁流变液，磁流变 液受极板的挤压向四周流动，外加磁场经过极板作用于两极板之间的磁流变 液，极板的运动方向平行于外加磁场方向，使磁流变液的流动性能发生变化， 从而使推动极板运动的活塞所受阻力发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的 目的。利用这种工作模式可以设计开发行程较小的阻尼器等磁流变器件。 忡9 o t i cr i g i d y ，o rc 碴p l oc p r t c o 靠动板式 l b l 霄仍较式 c 拚庄壤文 图2 2 磁流变阻尼器工作模式 由于车辆悬架阻尼器的行程较大，且在结构尺寸和结构强度上有严格要 求，因此车辆磁流变阻尼器设计不能采用挤压模式，而通常采用剪切模式和 流动模式共同作用，即混合工作模式，其工作原理如图2 3 所示，磁流变阳 尼器的活塞在工作缸内作往复直线运动，利用线圈产生的磁场来控制磁流变 液在阻尼通道中的流动特性，改变活塞左右腔之间的压力差，从而实现阻尼 力的调节。 ， 1 活塞f f - 2 活塞外套3 活罐内奁4l ：作缸5 磁漉馊液 图2 3 汽车悬挂磁流变阻尼器的原理 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 图2 4 所示为一种根据上述磁流液工作原理研制成的m r 阻尼器的内、 外部结构示意图【3 9 1 ，由l o r d 公司专门为车辆座椅减振系统而设计，型号是 r d 1 0 0 5 3 。内部由一个蓄压室和两个被活塞分开的储液室组成。蓄压室中 储藏了高压氮气，在活塞作上下运动时起缓冲作用，保证储液室不产生局部 真空，蓄压室和下储液室之间有塑料隔板分开，起到对阻尼器缸底的保护作 用；缸体顶部有密封圈密封；储液室充有大约5 0 毫升的磁流液；在活塞作上 下运动时，储液室通过活塞中环状节流孔而产生阻尼作用，通过引出到外部 的信号端给活塞中线圈施加控制电流，在节流孔周围产生磁场，从而使得阻 尼力得以可控，控制电流的最大值为2 a 。 图2 4l o r d 公司r d 1 0 0 5 3 型磁流变减振器 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 2 2 磁流变阻尼器的性能特点4 1 1 同普通的液压阻尼器一样，m r 阻尼器的特性也可用阻尼力对活塞相对 运动速度( f v ) 来描述。文献通过实验研究表明，f v 特性不仅受外加磁场 的控制，还受到激励信号的性质及活塞运动冲程的影响，并表现出严重的非 线性特性，且在周期性工作状态下还表现为严重的滞环特性。 通过实验分析，可以得出可控m r 阻尼器具有如下稳态性能特点： ( 1 ) 具有非线性对称特性：只要活塞的压缩和延伸运动性质对称，所产生 阻尼力的性质也对称，而且是非线性对称。 ( 2 ) 具有粘弹塑性特性：无论是在有磁场还是