摘 要

汽车悬架系统在汽车中发挥着十分重要的作用，而减震器的性能很大程度上影响着悬架系统的性能。传统减震器虽然目前仍处于主导地位，但是其性能表现有时候不太尽如人意，而磁流变减震器的发明改善了悬架的性能。它不仅在结构、响应速度等方面优于传统减震器，而且能随着路面的实际状况对相关参数进行相应的调节。

本文参考了国内外许多关于磁流变减震器的文献之后，设计了一款伸张行程与压缩行程阻尼通道不一致的减震器，并学习运用Matlab/Simulink设计了半主动悬架系统的PID控制器，建立了半主动悬架模型和被动悬架模型，并对它们分别进行仿真，以均方根值和最大值的衰减率为评价指标，将仿真结果进行对比分析来验证磁流变减震器和控制器设计的有效性。本文主要研究了以下内容：

首先，介绍了磁流变减震器国内外的一些研究的情况，讨论了基于磁流变液体的工作模式，对三种工作模式分别对应的三种阻尼力力学模型进行了分析，再结合本次所设计的减震器的活塞组件的相关结构，分别分析伸张与拉伸行程的阻尼力，建立了该次所设计的减震器的阻尼力的力学模型。

其次，通过相关查阅文献，确定了磁流变减震器活塞组件的内部结构，参考减震器的设计公式与步骤确定了缸筒的内外径、活塞杆直径、阻尼通道间隙等结构参数。

接着，对本次设计的减震器进行了外特性仿真，说明了设计的磁流变减震器的有效性。

最后，建立了二自由度的车辆悬架仿真模型，并在其中加入了PID控制模块，同时也建立了与之对比的被动悬架的仿真模型，将二者放在同等条件下进行仿真，分别绘制出车身垂直加速度对比曲线，悬架动挠度对比曲线以及轮胎动载荷的对比曲线，并计算出它们均方根值的衰减率和最大值的衰减率，分析比较二者在性能上面的表现，验证设计的有效性。

关键词：半主动悬架；磁流变减震器；PID控制；仿真

Abstract

The car suspension system plays an important role in the car, and the performance of the shock absorber affects the performance of the suspension system to a large extent. Although the traditional shock absorber is still in the leading position, but its performance is sometimes not so satisfactory, and the invention of magnetorheological damper to improve the performance of the suspension. It is not only in the structure, the response speed is superior to the traditional shock absorber, but also with the actual situation of the road to the relevant parameters of the corresponding adjustment.
After a lot of references on the magnetorheological damper are introduced in this paper, a shock absorber is designed, which is inconsistent with the compression stroke damping channel, and the PID control of the semi-active suspension system is designed by using Matlab / Simulink. The semi-active suspension model and the passive suspension model are established, and the simulation results are carried out. The simulation results are compared with the decay rate of the root mean square and the maximum value to verify the magnetorheological damping The effectiveness of the design of the controller and the controller. This paper mainly studies the following:
Firstly, some researches on magnetorheological damper are introduced. At the same time, the mechanical model of three kinds of damping forces is analyzed, and then the mechanical model of magneto-rheological fluid is analyzed. The damping force of the shock and the tensile stroke is analyzed, and the mechanical model of the damping force of the designed shock absorber is established.
Secondly, through the relevant literature, the internal structure of the piston component of the magnetorheological shock absorber is determined. The structural parameters such as the inner and outer diameter of the cylinder, the diameter of the piston rod and the clearance of the damping channel are determined by referring to the design formula and steps of the shock absorber.
Then, the external characteristics of the shock absorber were simulated, and the effectiveness of the designed magnetorheological damper was explained.
Finally, a two-degree-of-freedom vehicle suspension simulation model is established, and the PID control module is added. At the same time, the simulation model of the passive suspension is established, and the simulation is carried out under the same conditions. The contrast curves of the vertical acceleration curve, the contrast curve of the suspension and the dynamic load of the tire are plotted, and the decay rate of the RMS value and the decay rate of the maximum value are calculated. The performance of the two is analyzed and compared.，and it verify the validity of the design.

Key words：semi-active suspension; magnetorheological damper; PID control; simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景与意义 1

1.2磁流变液以及磁流变效应 2

1.2.1磁流变液的定义 2

1.2.2磁流变效应 2

1.2.3磁流变减震器 2

1.3磁流变液的工作模式 2

1.4磁流变液阻尼器国内外的研究现状 3

1.4.1国际对磁流变液的研究情况 3

1.4.2国内对磁流变液的研究情况 4

1.5本文研究的主要内容 4

1.6本章小结 5

第2章 磁流变减震器阻尼器力学模型 6

2.1阻尼力学模型 6

2.1.1流动模式下的磁流变减震器阻尼力模型 6

2.1.2剪切模式下的磁流变减震器阻尼力模型 8

2.1.3混合模式下的磁流变减震器阻尼力模型 9

2.2本减震器的阻尼力模型 9

2.3本章小结 11

第3章 磁流变阻尼器设计 12

3.1结构及参数设计 12

3.1.1缸筒的设计 12

3.1.2活塞的设计 12

3.1.3活塞杆的设计 13

3.1.4其他零部件的设计 14

3.1.5磁流变阻尼器的工作原理 16

3.1.6减震器材料的选择 17

3.2磁路设计 18

3.2.1压缩行程的磁阻 18

3.2.2伸张行程的磁阻 20

3.3本章小结 20

第4章 磁流变减震器的外特性仿真 22

4.1拉伸行程的建模与仿真 22

4.2压缩行程的建模与仿真 24

4.3外特性仿真分析 26

4.4本章小结 27

第5章 基于磁流变减震器的1/4悬架控制系统设计及仿真 29

5.1 1/4车辆悬架模型及参数 29

5.2模型仿真 30

5.2.1路面输入模型 30

5.2.2动力学模型 30

5.2.3控制仿真模型 31

5.2.4仿真结果分析 32

5.3本章小结 33

第6章 总结与展望 34

6.1总结 34

6.2展望 34

参考文献 35

附录 36

致 谢 37

第1章 绪论

1.1课题研究背景与意义

技术更迭驱动了许多产业的发展，汽车的性能也在不断提升，人们也在不断追求汽车的安全性和舒适性，而传统的被动悬架系统在操纵性和舒适性等方面还没有体现出很优越的性能，而半主动悬架系统在这些性能方面有所突破，随着半主动悬架系统研发成本的降低和技术的逐渐成熟，若干年以后终将替代被动悬架系统占据市场主导地位。

悬架根据刚度和阻尼可分为三类，分别是被动、半主动和主动悬架系统。被动悬架不仅技术已经比较成熟，而且价格也比较低廉，目前被广泛使用，但是由于它既不能调节阻尼又不能调节刚度。由汽车振动学可知它的减震效果有很大的局限性，只能在特定的路面状况时才可以表现出比较优良的减震效果。主动悬架则能很好地解决这两方面的问题，能够及时地根据路况的变化给予相应的参数反馈，包括刚度和阻尼的变化。能够兼顾被动悬架系统所不能兼顾的操纵性和舒适性，但是主动悬架系统制造结构相对比较繁杂，而且需要消耗的能量比较大，制造成本也较高，目前还不能普及。半主动悬架能根据需要调节刚度或阻尼^[1]。而且在操纵性和舒适性方面也由于被动悬架系统，考虑到半主动悬架与主动悬架能够实现的控制效果差不多，但是半主动悬架系统不论是在结构、制造成本还是控制方面都要略胜一筹。一经对比不难发现，最具有发展潜力的悬架莫过于半主动悬架。

半主动悬架系统可以通过以下几种方法来改变车辆的操纵性和稳定性：一是通过设计合理的结构实现阻尼通道有效面积的改变，主要是改变节流阀孔的流通面积来实现减震器的阻尼力的调节，但是节流阀的结构比较复杂，面临的问题也比较多。二是选用流动特性合适的减震液，目前应用的较多的是电流变液和磁流变液，它们的流变特性可以随外部电场或者磁场的变化而发生变化，从而调节减震器的阻尼力，能够很好地调节汽车的舒适性和操纵性。从材料特性来看，它们电流变液体和磁流变液体都可以满足人们对于汽车性能的需要。但是电流变液只能在一定的温度环境内工作，局限性比较大，所产生的屈服强度也一直得不到突破，而磁流变液能够工作于相对比较宽的温度环境之内，磁场变化所产生的屈服强度可以达到电流变液的几十倍，而且不容易发生沉降，相对于电流变液比较稳定，因此是半主动悬架系统减震器新的发展方向。

1.2磁流变液以及磁流变效应

1.2.1磁流变液的定义

磁流变液简称为MR(Magnetorheological Fluid)流体，一直是许多材料中心的研究重点。它由低磁滞、高磁导率的细小颗粒、基液和无磁性的液体混合而成^[2]。