薛兵　杜永昌　劉源　王巖　危銀濤

摘要：為了發(fā)展一種新的、簡(jiǎn)單通用的磁流變減震器模型，以適用于半主動(dòng)懸架的動(dòng)力學(xué)分析與控制。通過(guò)對(duì)磁流變減震器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和流變學(xué)分析，將減震器的作用力分為剪切項(xiàng)、黏性項(xiàng)、摩擦項(xiàng)、彈性項(xiàng)和慣性項(xiàng)。對(duì)于其中表征磁流變液特性的剪切項(xiàng)，使用魔術(shù)公式進(jìn)行描述，變化魔術(shù)公式中的系數(shù)可以適應(yīng)不同使用工況，達(dá)到精度和適應(yīng)性的統(tǒng)一。以魔術(shù)公式描述剪切項(xiàng)是該文的特色，因此將所提出的模型稱(chēng)為魔術(shù)公式模型。通過(guò)參數(shù)辨識(shí)獲得各項(xiàng)參數(shù)與施加電流的關(guān)系，建立起磁流變減震器滯回特性魔術(shù)公式模型。該模型形式簡(jiǎn)單、參數(shù)一致且參數(shù)物理意義明確，方便用于半主動(dòng)懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析與控制器開(kāi)發(fā)。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比，證明模型有較好的精度和適用性。

關(guān)鍵詞：減震器；磁流變液；滯回特性；參數(shù)辨識(shí)；半主動(dòng)懸架

引言

本文的目的是發(fā)展一種新的、簡(jiǎn)單通用的磁流變減震器模型，以適用于半主動(dòng)懸架的動(dòng)力學(xué)分析與控制。磁流變液（Magneto Rheological Fluids，MRF）是一種主要由載液、高導(dǎo)磁低磁滯的磁性顆粒和添加劑等構(gòu)成的新型可控流體，是當(dāng)前智能材料研究的一個(gè)重要分支。在磁場(chǎng)作用下，磁流變液在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)可連續(xù)、可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈唣ざ?、低流?dòng)性Bingham流體，表觀黏度能增加2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，具有類(lèi)似固體的力學(xué)性質(zhì)，表現(xiàn)出Bingham塑性流體行為，有著明顯的屈服應(yīng)力，此效應(yīng)被稱(chēng)為磁流變效應(yīng)（MR Effect）。20世紀(jì)40年代，瑞士Rabinow最早發(fā)明了磁流變液，并開(kāi)發(fā)出磁流變離合器應(yīng)用裝置。Pinkos等于1994年使用了電流變液和磁流變液作為減震器的工作介質(zhì)，研究了新型半主動(dòng)懸架系統(tǒng)。磁流變減震器以其優(yōu)越的阻尼調(diào)節(jié)作用、可靠性好、耗能小等特點(diǎn)，在振動(dòng)控制領(lǐng)域，特別在半主動(dòng)懸架中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。磁流變減震器可以以較小的耗能快速調(diào)節(jié)半主動(dòng)懸架的阻尼特性，因此可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)平順性、操縱穩(wěn)定性和抓地力等性能的最佳平衡。而準(zhǔn)確且方便用于控制系統(tǒng)的磁流變減震器模型是實(shí)現(xiàn)上述功能的關(guān)鍵。

描述磁流變液的上述特性的磁流變減震器模型可分為兩類(lèi)：唯像模型和物理模型。唯像模型通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定模型參數(shù)。唯像模型又分為兩類(lèi)：參數(shù)模型和非參數(shù)模型。參數(shù)模型中，各模型參數(shù)有一定的物理意義，如彈簧、阻尼和摩擦等。參數(shù)模型包括Bone-Wen模型、Bingham模型、Dahl模型、LuGre模型等，參數(shù)模型中如Bone-wen模型，廣泛用于表征磁流變減震器的滯回特性，但模型參數(shù)不是施加電流和激勵(lì)頻率的函數(shù)，只在單一工況可以較好地表征磁流變減震器的滯回特性，因此在不同的工況下，需要重新計(jì)算模型參數(shù)，難以預(yù)測(cè)多工況下減震器的作用力，且在參數(shù)辨識(shí)過(guò)程中參數(shù)的解通常不唯一。非參數(shù)模型中，各參數(shù)不必有明確的物理意義，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、模糊邏輯模型等。與唯像模型相對(duì)應(yīng)，物理模型通過(guò)減震器的幾何參數(shù)和磁流變液的材料特性確定減震器的阻尼力。物理模型包含解析模型和數(shù)值模型。物理模型較為復(fù)雜，一般用于減震器幾何等參數(shù)的設(shè)計(jì)，難以應(yīng)用于控制系統(tǒng)。

本文假設(shè)磁流變液在特定磁場(chǎng)強(qiáng)度下行程的鏈狀磁偶極子的剪應(yīng)變正比于磁流變減震器活塞運(yùn)動(dòng)速度，在剪應(yīng)變超過(guò)特定值時(shí)屈服，并采用魔術(shù)公式描述該非線(xiàn)性特征。基于此，提出一種形式簡(jiǎn)單、模型參數(shù)物理意義明確、各電流下參數(shù)統(tǒng)一、適用于控制系統(tǒng)的磁流變減震器滯回特性魔術(shù)公式模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證模型的有效性。