磁流变液技术在载重汽车上的应用研究

磁流变液技术在载重汽车上的应用研究
王慧;杨臻;张康
【摘要】介绍了磁流变液的基本组成和工作原理,以及磁流变液技术国内外的应用现状,分析了磁流变液减振系统,设计了磁流变液减振器的结构,阐述了磁流变液技术在载重汽车上的应用前景、应用现状及现阶段的不足.
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2010(000)007
【总页数】2页(P12-13)
【关键词】磁流变液;减振器;应用前景;应用现状;不足
【作者】王慧;杨臻;张康
【作者单位】中北大学,机电工程学院,太原,030051;中北大学,机电工程学院,太原,030051;中北大学,机电工程学院,太原,030051
【正文语种】中文
【中图分类】TB381
磁流变液（Magne Torhelogical Fluids，简称 MRF）是一种在外加磁场作用下其流变特性发生显著变化的液体，由软磁性颗粒分散溶于载液中及一定量的稳定剂组成，可以通过外加磁场的变化改变其流变特性而控制屈服应力的大小，使其在各个领域有它独特的优点。

1 磁流变液及磁流变液技术研究状况
磁流变液的主要组成分为软磁性颗粒、载液、稳定剂。

根据组成和性能的不同，可将磁流变液分为微米磁性颗粒-非磁性载液型，纳米磁性颗粒-非磁性载液型、非磁性颗粒-磁性载液型、磁性颗粒-磁性载液型磁流变液［1］。

软磁性颗粒主要有铁
钴合金、铁镍合金、羟基铁等，使用最多的是羟基铁粉。

它们具有高饱和磁化强度、高磁导率、低磁矫顽力、体积小、内聚力小等特点。

可用来作为载液的液体有硅油、矿物油、合成油、水和乙二醇等，载液应该具有温度稳定性好、化学稳定性好、挥发低、不会造成污染等特点。

稳定剂一般是添加表面活性剂（油酸）或保护性胶体物质（如硅胶、硅氧化物等），它的作用是防止磁性颗粒沉淀及不可逆转的海绵状絮凝。

1.1 国外在磁流变液及应用上的研究
美国对磁流变液的研究较早，在技术上也较为成熟和全面。

美国LORD公司在磁
流变液性能研究和应用开发方面有很多成果，并将磁流变液商品化，该公司开发的磁流变液MRX-126PD，已用于大型载货汽车半主动悬架减振系统的磁流变减振
器中［2］；德国BASF公司的Kormann等人已研制出了稳定的纳米级磁流变液［3］。

1.2 国内对磁流变液的研究现状
国内对磁流变液的研究还处于初级阶段，但也取得了很多成果。

如曹真等人采用水热法以简单原料一步合成出Fe_3O_4/PMMA纳米复合材料，并由合成的复合粒
子制备得到具有较高剪切屈服应力和储能模型的磁流变液［4］；李金海等人对磁流变液的配制及其流变模型的研究，其配制的磁流变液与美国商品化磁流变液性能相当［5］；装甲兵工程学院技术保障工程系的张进秋等人根据履带车辆的使用环境，分析了履带车辆专用MRF的特定要求，配制了悬浮稳定的履带车用磁流变液［6］。

武汉理工大学与江苏天匀新材料有限公司合作，程海斌等人研制了一种稳定的水基磁流变液，该磁流变液由磁性粒子60～90份，水基复配载液10～40份，
添加剂1～10份组成，可用于磁流变抛光、土木工程和汽车的磁流变液减振器等［7］。

2 磁流变液减振系统
图1 三种减振悬架系统结构示意m1-车桥、车轮等簧下质量；m2-车身、货物等
簧上质量；k1-轮胎等效刚度；k2-悬架弹簧刚度；c2-悬架减振器阻尼系数；h-路面不平度；z1-簧下质量位移；z2-簧上质量位移
在车辆悬架中根据作动力的不同可以将悬架分为被动悬架、主动悬架和半主动悬架。

被动悬架是传统悬架，它的结构简单，应用广泛，但总不能同时满足乘坐舒适性和操作稳定性，只能进行折衷；主动悬架可以实现阻尼控制但需要消耗大量的能量，结构复杂；半主动悬架是一种处于二者之间的性能比较好的减振系统，它可以以接近被动悬架的成本，达到接近于主动悬架的性能，其耗能远少于主动悬架系统，并且具有一定的失效保护性。

三种悬架减振系统的机构如图1，半主动悬架减振系统工作原理图如图2所示。

3 磁流变液技术在载重汽车上的应用研究
载重汽车尤其是在矿区使用的矿用载重汽车，在装载行驶过程中将受到剧烈的冲击振动，而且有时路况改变得很严重，这些对汽车悬架装置和车架都会产生很大的作用力，此时为增加其行驶的平顺性和操作的稳定性，要求对路面作用力进行缓冲，传统上采用的是钢板弹簧作为弹性元件减振，并有辅助减振器，但是其减振器阻尼或弹性元件不可进行实时调节，采用磁流变液半主动悬架系统根据传感器所提供的信息，通过控制电流的大小实现对磁流变阻尼力的控制，进一步提高操作的稳定性和行驶平顺性。

3.1 载重汽车上磁流变减振器的基本结构
载重汽车磁流变半主动悬架减振系统是通过DSP进行控制的减振系统，主要由钢
板弹簧、磁流变减振器、加速度传感器、DSP芯片等组成。

其中磁流变减振器的
基本结构如图3所示。

磁流变减振器由工作缸、活塞杆、线圈、阻尼间隙、磁流
变液等组成，活塞将工作腔分为上下两腔，电磁线圈绕在活塞内部，通过活塞杆引出，通入不同的电流产生相应的电磁场，这样磁流变液的流变特性会发生相应的变化从而实现对阻尼力大小的控制。

3.2 磁流变液技术在载重汽车上的应用与现阶段的不足
美国LORD公司开发的流动模式汽车座椅悬架减振器已用在大型载重汽车司机座
椅半主动减震系统中，大大减少卡车司机在路面状况恶劣尤其是在矿区道路上行驶时的危险性，提高了汽车行驶平顺和操作的稳定性；
图2 简化工作原理图m1-非悬架质量；m2-悬架质量；kt-轮胎刚度；ks-悬架刚度；Cs-阻尼器的阻尼系数；Fd-可控磁流变阻尼力
图3 磁流变减振器的基本结构示意图
LORD公司自制的磁流变液采用单出杆活塞缸结构，设计了一款用于大型载货汽车半主动悬架减振系统中的磁流变减振器［2］。

Delphi公司的MagneRide是一种高性能、半主动悬架控制系统，它以来自监测车身和车轮运动传感器的输入信号为基础，作出实时响应，MagneRide是汽车产业首次采用不带机电控制阀和不使用小运动部件的半主动悬架系统，由以磁流变液介质为基础的单筒减振器、传感器和车载控制器构成，可以提供快速、平顺和连续可变的阻尼力，使车辆减少车身振动和增加轮胎与各种路面的附着力，使驾驶者能获得更好的行驶性能、安全性、舒适性和可靠性［9］。

国内，在矿用载重汽车上的应用仅处于研究试验阶段，因此磁流变液减振系统在矿用载重汽车上的应用还处于初级阶段，但其良好的性价比和人们对汽车性能要求的日益提高，将会使磁流变技术在载重汽车行业中得到广泛的应用。

但是目前还存在一些技术问题需要改进：
（1）磁流变液减振器需要较高的沉降稳定性，这样才能具有较好的磁流变液性能，
但普遍存在的沉降问题严重影响减振器的性能，沉降问题有待进一步解决；
（2）磁流变液减振器在工作时易泄漏，难密封，其漏磁现象也比较严重，对于磁流变减振器的性能造成一定的影响；
（3）磁流变液减振器在工作时散热也不太理想，会增加磁流变液的工作温度，所以要求磁流变液具有较为广泛的温度适应性；
（4）将磁流变减振器安装在载重汽车上进行试验时，响应情况不理想，往往得不到相应的响应。

磁流变液技术已经成为现阶段在国内外相当成熟的技术，将磁流变液减振器应用在载重汽车中将会有一个良好的应用前景。

［参考文献］
［1］汪建晓，孟光.磁流变液研究进展［J］.航空学报，2003，23（1）：6-12. ［2］朱华.半主动悬架的研究现状与发展趋势［J］.技术与应用，2009，18（5）：33-35.
［3］Kormann C，Laun H M，Richter H J.MR fluids with nanosized magnetic parti-cles［J］.International Journal of Modern Physics B，1996（10）：3167-3172.
［4］曹真，江万权，龚兴龙，等.Fe_3O_4/PMMA纳米复合材料的制备及其磁流变性能［C］//第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集（3）.2007：1208-1210.
［5］李金海，关新春，欧进萍.磁流变液的配制及其流变模型的研究［C］//第五
届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅰ.2004：577-581.
［6］张进秋，张建，贾进峰.悬浮稳定的履带车用磁流变液的配制［C］//第六届
中国功能材料及其应用学术会议论文集（3）.2007：1242-1244.
［7］程海斌，张清杰，高为鑫，等.一种稳定的水基磁流变液及其制备方法.中国
专利：CN200610124727.6［P］.2006-10-10.
［8］阡陌.德尔福磁流变液减振器［J］.汽车与配件，2004（13）：38-39.。