详解汽车电磁悬架(上)

摘要：

从汽车发明之日起，人们对于汽车平稳行驶的追求步伐就不曾停止过。充气轮胎的发明让车辆能够更加平稳舒适的行驶，承载式车身以及加厚的底盘则进一步提高了汽车的舒适性。随着科技的发展与生活水平的提高，人们对汽车的舒适性，操纵性和安全性要求也逐渐提高。悬架系统是车辆的重要系统之一，直接影响汽车在行驶过程中的平顺性、操纵稳定性、舒适性等性能，对车辆的行驶平顺性和操纵稳定性有着至关重要的作用。车辆行驶工况复杂多变，对悬架系统的要求越来越高，传统被动悬架已经难以实现满意的车辆性能，为提高车辆平顺性与舒适性，人们不断对悬架结构进行研究，各类新型悬架得到了飞快的发展。从早前的非独立悬架到后来的独立悬架，从整体式悬架到主动悬架的出现，让汽车的行驶稳定性发生了质的飞越。相比不可控的被动/ 半主动悬架难以适应各类路面的状况及驾驶环境的变化，主动悬架根据汽车的运动状态和路面状况的变化产生主动控制力，保证悬架系统总是处于最佳减振状态。主动悬架技术领域的发展走在了时代的前沿，从初期的空气可变阻尼悬架到现今领先全球的MRC主动式电磁悬架技术。

一 前言

从汽车发明之日起，人们对于汽车平稳行驶的追求步伐就不曾停止过。充气轮胎的发明让车辆能够更加平稳舒适的行驶，承载式车身以及加厚的底盘则进一步提高了汽车的舒适性。随着科技的发展与生活水平的提高，人们对汽车的舒适性，操纵性和安全性要求也逐渐提高。悬架系统是车辆的重要系统之一，直接影响汽车在行驶过程中的平顺性、操纵稳定性、舒适性等性能，对车辆的行驶平顺性和操纵稳定性有着至关重要的作用。车辆行驶工况复杂多变，对悬架系统的要求越来越高，传统被动悬架已经难以实现满意的车辆性能，为提高车辆平顺性与舒适性，人们不断对悬架结构进行研究，各类新型悬架得到了飞快的发展。从早前的非独立悬架到后来的独立悬架，从整体式悬架到主动悬架的出现，让汽车的行驶稳定性发生了质的飞越。相比不可控的被动/ 半主动悬架难以适应各类路面的状况及驾驶环境的变化，主动悬架根据汽车的运动状态和路面状况的变化产生主动控制力，保证悬架系统总是处于最佳减振状态。主动悬架技术领域的发展走在了时代的前沿，从初期的空气可变阻尼悬架到现今领先全球的MRC主动式电磁悬架技术。

近年来，电磁悬挂在汽车行业的应用越来越广泛，特别是主打操控性的运动车型，电磁悬挂的加持让它们如鱼得水，虽然电磁悬架目前只有某些品牌旗舰车型上才能见得到，但未来解决成本问题后，会明显扩大电磁悬架的市场应用范围，会从只在高端品牌市场应用逐步走向中低端市场，将在更多的车型上见到它的踪影。随着市场竞争激烈程度的不断加大，相信在不久的将来电磁悬架可以低廉的市场价格被广泛应用，让车主可以在实惠的享受到更加舒适、安全的汽车。

现在科技踏上发展的快车道，悬架也能在安全性上给驾乘者以足够的保障，人类追求稳定性安全性舒适性的步伐并没有就此停止，时至今日，如何让汽车变得更加智能，如何主动改善汽车舒适性能已经成为未来发展的新方向。

二 概述

1.回顾了汽车电磁式悬架技术的研究和应用现状，基于近年对国内外对电磁主动悬架的研究，对各类车辆电磁主动悬架结构进行了分析与综述，对电磁主动悬架目前的关键问题进行了总结，并对其应用前景进行展望以及今后可能的发展趋势进行分析。对悬架系统目前馈能研究现状和电磁主动悬架的能耗及能量回收的研究进行了总结分析，探讨了悬架馈能的发展状况及趋势。

2.随着汽车电子技术的快速发展和新能源汽车、电控系统以及悬架减振技术的发展，基于电磁原理的主动悬架作动器（电磁式作动器）在汽车悬架系统上的应用开始受到关注，因此对各类车辆电磁主动悬架作动器研究现状进行了分析与综述。

三 定义

电磁式主动悬架Electromagentic Active Suspension/电磁油可变阻尼减震器悬架系统Magnetorheological Damper/磁流体变阻尼控制减振器悬架(Magneto-rheoloicaldamper，MRD/主动式电磁感应悬挂MRC (Magnetic Ride Control)/电磁式可调悬挂/磁流变减震器悬架Magnetorheological Fluid(MR Fluid)，简称电磁悬架，隶属于可变阻尼减震器悬架。电磁悬挂有个非常具有科技感的昵称，那就是磁流变悬挂，这源于电磁悬挂所使用的核心技术磁流变液（Magneto-Rheological Fluid），因此也被称为MR悬挂。

MRC/MR主动式电磁悬架已经成为目前量产车可变阻尼悬架技术的代表之一，是利用电磁反应来改变阻尼的一种悬架方式，是一种新型独立悬挂系统，电磁悬挂的控制只需要改变电流就能够达到控制阻尼系数的目的，电磁场的强度只需要改变电流即可控制。它可以针对路面情况，可以在极短的时间（1毫秒）内作出反应，来抑制振动，保持车身稳定，特别是在一些相对极端的环境下，比如高速行车中突然遇到颠簸，电磁悬架的优势就会非常明显，它的反应速度可以比传统悬架快5倍，远超传统悬挂。车速高且突遇障碍时能够最大发挥自己的优势，在颠簸路面也能保持车身平稳行驶。

研制成功的动力-发电减震器，完全由线性电动机电磁系统组成电磁减振器。不仅进一步简化了系统的结构，而且可在正常行驶工况下具有发电功能，每个减振器可产生至少25W的功率可以为电动车锂电池充电，这对于完全依靠电力驱动的电动车来说是非常有利的，可以较大幅度地增加锂电池的电力，延长电动车的续驶里程。它的独特之处就是不但可以为电机提供电流，还可以由电机发电产生电流，这就形成了一套电力补偿机制。

而它最重要的减震效果，可以说比魔毯悬架减震系统有过之而无不及！

“魔毯”悬架

随着永磁电机电磁材料和电控技术的快速发展，以及在智能汽车开发趋势的影响下，车辆电磁式主动悬架技术引起了学术界和工业界的关注，成为国内外研究热点。汽车电磁式主动悬架技术的理论研究逐渐深入，并得到了一些商业化应用，出现了装备于高档乘用车的市场产品。不过高科技的最大缺点就是贵，这样一套避震悬架因为太重而且造价高，使得许多汽车制造商暂时不会考虑使用。

四 组成

电磁悬架属于主动式悬架，较为复杂，电磁悬挂系统是由车载控制单元系统、车轮位移传感器、MRC减震器（电磁液压杆和直筒减振器）组成。

在每个车轮和车身连接处都有一个车轮位移传感器，传感器与车载控制单元相连，控制单元与电磁液压杆和直筒减振器相连。是由磁流变减震器、滚珠丝杠、EHA电动静液压、空气式弹簧组成，而电磁悬架的阻尼则是由电磁作动器提供。电磁悬挂的秘密主要都集中在减震筒当中，位于前轴的减震筒虽然在细节上和后轴减震筒有细微差别，但是活塞中间都留有电控装置和相应的电缆。

四个减震器是分开独立工作的，即使有时看上去是同一个状态，但每一个都会根据实时的路面信息进行调整的，这样就可以让车辆在任何路面上行驶时都能保持很好的乘坐舒适性。再配上加速度传感器、控制器及配件等，便构成了完整的一套专有的MRC(MagneticRideControl)系统，一种半/全主动式悬架系统。

电磁悬架包括车轮连接件、传动机构、电机、车身连接件和控制装置。车身连接件与电机连接；控制装置与电机电连接，用于获取电机的当前转动参数，根据当前转动参数得到目标转动参数，控制电机以目标转动参数运行；车轮连接件通过传动机构与电机传动连接，以将车轮连接件上的作用力转换为对电机的转动驱动力，将电机以目标转动参数运行时的作用力转换为对车轮连接件的阻尼力。

1.一种主动悬架电磁作动器智能控制器的构造方法，将d-q轴电流解耦控制模块、限流控制模块、磁场定向控制模块、电压2/3变换模块、PWM调节模块、电压源逆变器、交流直线电机依次串接，与电流3/2标变换模块、扰动检测模块作为一个整体组成主动悬架电磁作动器，将支持向量机控制器参数优化模块、支持向量机控制器、优化控制器、鲁棒控制器和鲁棒控制器参数优化模块并联之后与速度给定模块和滤波跟踪误差模型共同构成抗干扰智能控制器，将外部扰动、电磁作动器的参数时变特性等效为电磁作动器的扰动变量，并采用支持向量机回归该控制器的非线性模型，有效提高了智能控制器的鲁棒性和实时性。

 

2.与传统的减振系统不同，磁流变减振器中没有细小的阀门结构，也不是通过液体的流动阻力达到减振效果。其实就是用磁流变液代替普通减震液，将传统的避震器普通的液压机油更换成带有弱磁性避震器油。电磁悬挂在结构上保留了传统的弹簧装置，仍使用弹簧提供支撑力，而在减震筒加注磁流变液。

相比其它电调减震系统，汽车电磁悬架系统更加独特。电磁悬挂的核心部件是内部充满磁流变液体的电磁悬挂吸震筒，电磁悬架减震器从外观上看与传统的液压单管减震器相似，它的大体结构与传统的悬挂吸震筒相似，但内部却截然不同，电磁减震器包含一套简单的电磁铁组件和一种特殊的液体，又称为磁流变液，不采用传统液压油。在避震筒芯内装有一个电磁铁（磁铁线圈）组，使用精密设计的电磁线圈作为活塞，即在减震筒内部的活塞上设有线圈。当活塞杆向下运动时，腔内磁流变液受到挤压后通过活塞的环形阻尼通道、常通孔和环形间隙由压缩腔流动到拉伸腔，反之类似。

电磁悬挂也是目前众多车企在高性能车上使用得最多的阻尼可调式避震

该装置结构简洁，功耗极低，控制应力范围大，并可实现对阻尼力的瞬间精确控制。且对杂质不敏感，工作温度范围宽，可在-50℃~140℃内工作。其优点是阻尼力更平滑连贯、内部结构复杂性更低、随着时间的推移内部运动部件的磨损减少且噪音更小。电磁悬架可以直接通过普通低伏电源（一般的蓄电池）供电，避免高伏电压带来的危险和不便。最大的优点就是能够以每秒上千次的速度进行监测，随时适应路面状况，特别是走在碎石路上，细碎的震动基本能够隔绝。可以实时调节阻尼力，能够兼顾到汽车的操控性和舒适性。

与传统的阀芯减震系统相比，电磁悬

架的优点与缺点并存：

与传统的汽车减震器相比，其运动部件大为减少，几乎无碰撞，故噪声低。电磁悬架减震器的一个主要特点就是能够在所有情况下快速调整，由于阻尼力的调整是通过磁化流体来控制的，因此可实现瞬时调整，而不会因阀门的打开和关闭而产生任何延迟。此外需要注意的是阻尼力的调节速度与流体流速无关，该特性是磁流变减震器所特有的。

其缺点大多与磁流变液相关：磁流变液因其复杂性而造价非常昂贵；此外由于含有铁微粒，磁流变液具有很强的磨蚀性，这就需要在减震器内部零件上应用昂贵的优质表面涂层；此外磁流变液还需要相当复杂的密封系统，从而导致额外增加成本。磁流变液的磨蚀性也会对悬架系统产生负面影响，因此与传统的可调减震器相比，电磁悬架减震器的内部摩擦略高，而略高的摩擦会导致车辆在平滑路面上行驶时平顺性稍差。早期的磁流变减震器设计中，由于流体中可能存在残余磁性，从而导致行驶平顺性变差的可能性更高。然而随着时间的推移，这两个问题在很大程度上通过设计上的改进最终均得以解决。最后由于流体的磨蚀性，电磁悬架减震器更容易发生基础油泄漏。基础油的缺失会使剩余的磁流变液变得更粘稠，从而导致减震更硬、行驶平顺性更差。

（1）磁流变液(Magnetorheological Fluid， 简称MR Fluid)是一种新型智能材料。它可用于智能阻尼器(即磁流变液减震器)，制成阻尼力连续顺逆可调的新一代高性能、智能化减振装置。磁流变液减震器可以直接通过普通低伏电源(一般的蓄电池) 供电，避免高伏电压带来的危险和不便。

1）磁流变液主要由磁性微粒悬浮体(高磁导率、低矫顽力的微小磁性微粒)、母液(磁性微粒悬浮的载体，低粘度、高沸点、低凝固点和较高密度)、表面活性剂三部分组成。磁流变液由3部分组成，第一种是载液，比如矿物油、硅油等；第二种是可磁化分散悬浮颗粒，通常由具有确定粒度分布的单质Fe、Fe3O4粉体构成，其表面经过化学方法处理，以提高工作时的耐久性；第三种就是分散剂，分散剂可以对悬浮颗粒、载液进行结构化处理，解决悬浮颗粒在载液中的分散稳定性问题。磁流变液有一种显著的特性，就是在外加磁场下，可在短时间内(10ms)由低粘度的牛顿流体变为粘度较高的Bingham半固体，外界称其为磁流变效应。

电磁悬架减震器中使用的磁流变液是由基础油、铁微粒和其它几种可使铁微粒悬浮的成分组成。磁流变液就是包含非常微小（3～10微米）的磁性颗粒的液体，是一种称作电磁液的特殊液体，它是由合成的碳氢化物和3到10微米大小的细微的磁性铁粒组成。这液压油十分不简单不是普通油，是一种被称为电磁液的特殊液体材料，它是特殊阻尼液和磁力零件的液压混合物，是由合成的碳氢化物和细微的铁粒组成，当这种液体被磁化时，它会从液体变成泥灰状的粘稠物质。

2）电磁悬架MRC其实很好理解，电磁减震器的奥秘就是在减震器的油液中加入了电磁油液（磁流变液），在其内充当阻尼介质的，其技术核心便是代替传统油液的新材料——“磁流变液”（Magneto-rheological Fluids），术语“磁流变液”是指当暴露于磁场中时，其性质会发生变化的一种流体。磁流变减振器内部的油液是经过磁化的，每一个避震器内都装满了带有磁性的高分子聚合液体，实现了材料层级的突破，不再使用传统油液，即在减震筒内使用的充当阻尼介质的是电磁油液，这一可控流体能在磁场作用下进行瞬间的、可逆的流变；它是一种特殊的“颗粒”，通过磁场的变化改变“颗粒”排布，从而对内部液体形态进行控制。磁流变液也可以被理解成为一种“液态铁”，这种“液态铁”会在外界磁场的作用下发生磁化，并重新排列组合成各种结构，由“液态”转变为“固态”。当然一旦失去磁场的作用，这些“液态铁”又会重新恢复“液态”，恢复流动状态。

MRC的核心是减震器内的一种被称为"磁流变液"的可控流体，这种材料在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的，在零磁场时会呈现出液态，而在强磁场时会呈现出固态，因此只要改变磁场就可以改变磁流变液的状态，继而改变减震器内活塞的阻力。

模拟磁流变液试验：磁铁越靠近，推动针管阻力越大

↑磁流变效应工作原理

汽车的减震杆是靠油液来支撑的（空气悬挂除外），那么这个油液的粘稠度（流动性）就直接影响了减震的软硬程度。避震器内的高分子聚合液体密度可以在瞬间改变，最硬的时候的状态就像塑料或橡胶一样。当然在密度降低时，感觉就像踏在毯子上一样。当减震器被压缩和拉伸时，上述电磁铁组件允许磁流变液流过磁芯。减振器活塞杆中带有电磁线圈，产生的可变磁流穿过磁体。未通电时，流体很容易流过磁铁组件。如果电控装置通电施加磁场，当磁流变液流经活塞中的电控装置时，磁流变液中的磁性颗粒就会被磁化并规则排列，此时粘度就增加了。

MR材料流变模拟

↑电磁悬挂磁流变工作原理

3）在正常普通状态下，当线圈电流关闭或没有电磁场的环境下无磁场作用时，这些金属粒子会杂乱无章的分布在液体中，磁流变液体没有磁化，软铁颗粒随机地分散在液体中，其原始未磁化状态为自由游离态，悬浮相粒子悬浮于母液中呈随机分布，油液中的磁性粒子随机分布，表现为线黏性牛顿流体，粘度较低，此时的减震器的阻尼强度是恒定不变的，悬浮液的性能和普通的减震器油液一样，与普通的减震器普通液压悬挂没有区别。

一旦控制单元发出脉冲信号，电流接通线圈内便产生电压，随着通电产生磁场及磁通量的改变，从而形成一个磁场，在流体中的铁微粒之间产生磁力，改变金属粒子的排列方向，使铁颗粒沿流体方向形成纤维结构排列，磁流变液内部处于分散状态的粒子便会重新排列成有序矩阵，沿着特定方向排列组合，马上会垂直于压力方向按队形排列成一定结构，按序排列的磁性粒子会使磁流变液粘度变得黏稠起来，将流体变稠成泥灰状，并增加其流动阻力，粘滞系数也随之改变，悬浮液的流动性因此产生变化，从而提高阻尼系数，致使阻尼增加，这些磁性粒子会形成阻力来降低油液的流动能力，阻碍油液在活塞通道内流动的效果，增加流动阻力，加大减震器的阻尼强度，让悬架的阻力增大，瞬时调整减振器的阻尼力调整悬架的减震效果。

在通电的工作状态下，通过电流施加外磁场作用后，粒子表面出现极化现象，形成磁偶极子，受电磁感应的影响使处于分散状态的磁性体进行重新排列，磁偶极子沿外磁场方向结成链状、簇状结构，具有一定的抗剪切屈服应力。同一条极化链中各相邻粒子之间的抗剪切屈服应力会随外加磁场强度的增强而增加。当磁场增大至一定程度时，磁偶极子相互作用增强，此时磁流变液便呈现类固体特性，进而影响减震器内部的液体形态发生变化，从而增加减震器的阻尼，也就是阻尼大幅增加，使悬架整体的弹力变“硬”，与之相对应的当电流变弱时减震器则变“软”。

4）对线圈通电能够产生磁场改变位于节流孔中的磁流变液体的属性，就是以电流控制减震内液体的黏度，油液的粘稠度与磁场强度成正比，电磁铁上的电流越大，磁性粒子排列越紧密，流体越粘稠，流动阻力越大，阻尼力就会越高，所以改变电流就改变阻尼性能；当磁流变液在活塞中阻尼通道中流动时，通过让磁铁组通电或断电来控制避震器油的流动速度，电磁场的强度只需要改变电流即可控制，通过改变活塞电磁线圈磁场的大小，可以控制其流动特性，以达到改变阻尼力大小的控制效果，也就是说这套系统通过控制电流大小，阻尼可随着磁场强弱进行无级变化，且变化范围很宽，只需要改变电流就能够达到控制阻尼系数的目的，就可以实现对阻力的精准调节和控制。

通过改变避震器内液体的电荷改变磁场，来改变磁性聚合物的位置以及密度，通过改变避震器内液体的密度来改变减震筒的软硬度程度，使之根据驾驶状况的不同而改变减震回弹力的速度和大小。通过电流对磁流变液的粘稠度进行调节，通过电控的磁场来灵活调节磁流变液的粘度，从而达到实时改变从而控制减震筒的阻尼，也就是改变悬挂的软硬。通过线圈的电流越大，悬挂则越“硬”。电磁悬挂的特点正是：该软时软，该硬时硬。

由于有这些磁性粒子的存在，改变减震器阻尼强度仅需控制电流强度（磁场强度）即可实现。这个特性使得电磁悬架的阻尼控制频率可以按毫秒级别计算，在轮胎跳动的瞬间，电磁悬架可以迅速对震动程度作出判断，以最合适的阻尼强度来控制车轮的跳动和回弹力度。电磁悬架减震器就是利用磁流变液的这种特性来调节阻尼力的。正是因为通过电流控制，所以电磁悬架最大的特点就是反应迅速，有的电磁悬架反应速度可以达到每秒上千次。磁流变液受磁场控制的特性成就了电磁悬挂最大的特点—响应迅速，使得装备电磁悬挂的车型可灵活地在旅行、运动和赛道驾驶模式间进行切换。电磁悬架系统更加擅长控制因路面扰动较大而引起的车身和车轮的运动。电磁悬挂正是基于磁流变效应对减震筒的阻尼进行调节的，从而达到控制主动悬挂响应的目的，因此仅改变通过磁铁的电流量就可以将阻尼力调节到任何期望的水平。

 

↑电磁悬挂基于磁流变效应调整阻尼

4）电流变已经走向一定的成熟阶段，但磁流变还在进一步发展，其研究的深度还会加大。磁流变液是将微米尺寸的磁激化颗粒分散溶于绝缘载液中形成的特定非胶性悬浮液体， 因而其流变特性随外加磁场而变化，在无磁场作用时磁流变为牛顿流体，当受到强磁场时， 其悬浮颗粒被感应极化，彼此间相互作用形成粒子链，并在极短的时间相互作用，由流体变为具有一定剪切屈服应力的粘塑体，随着磁场的加强，其剪切屈服应力也会响应增大， 这就是磁流变效应。经大量的实验研究表明，磁流变液在磁场的作用下的剪应力与剪切速度有一定的关系。

磁流变的工作模式主要有以下 3 种：

流动模式、剪切模式和挤压模式：流动模式是在两固定不动的极板间充满磁流变液体，而剪切模式是在两相对运动的极板之 间充满磁流变液体，二者都是外加磁场经过极板垂直作用于两极板之间的磁流变液体，使磁流变体的流动性能发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。在上下两极板之间充满 磁流变体，上极板为活动板，下极板为固定板，外加磁场经过极板垂直作用于两极板之间 的磁流变体，当上极板沿磁场方向向下移动时，磁流变体向四周流动，控制外加磁场即可 控制极板所受的阻尼力。挤压模式减振器具有小位移大阻尼的特点，主要用于精密仪器的减振。汽车磁流变减振器 一般是基于流动模式或是基于流动模式和剪切模式的混合模式而设计的。

在磁流变减振器阻尼力数学模型描述方面，尽管对磁流变减振器力学性能的描述比较成熟，但应用范围有各自的局限，其中，Bouc．Wen模型在工程实际中应用较多。对于实际工程应用，建立基于台架试验数据的磁流变减振器阻尼力数学模型。