劉 萍，張 宏

(1.宿遷學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇宿遷 223800;2.中石油西南管道公司蘭州輸油氣分公司，甘肅蘭州 730000)

磁流變彈性體在汽車座椅減振中的應(yīng)用*

劉 萍1，張 宏2

(1.宿遷學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇宿遷 223800;2.中石油西南管道公司蘭州輸油氣分公司，甘肅蘭州 730000)

外部環(huán)境是造成道路事故的一個(gè)主要因素。采用了一種新型智能材料，磁流變彈性體(MRE)作為汽車座椅減振的核心材料，并相應(yīng)建立了實(shí)驗(yàn)裝置，通過計(jì)算獲得了該系統(tǒng)模型在不同磁場下的等效阻尼和等效剛度，運(yùn)用Simulink軟件對汽車座椅減振系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。研究結(jié)果表明，磁流變彈性體低頻階段具有較好的移頻和減幅特性;磁流變彈性體中的金屬磁性顆粒在磁場作用下的耦合力成非線性關(guān)系，造成磁流變彈性體減振效果在不同勵(lì)磁電流下呈現(xiàn)非線性;減振效果與外激勵(lì)的形式有關(guān)。

磁流變彈性體;汽車座椅減振;仿真

1 引言

磁流變彈性體 (Magnetorheological Elastomer，縮寫為MRE)是將微米級的軟磁性顆粒散布在高分子聚合物集體中，固化后形成的新型智能材料。在磁場作用下，磁流變彈性體內(nèi)部的金屬顆粒被磁化，產(chǎn)生相互作用力，以抵抗磁流變彈性體的變形，增加材料抵抗變形能力。因此，磁流變彈性體在外部磁場下會(huì)產(chǎn)生磁致模量和磁致阻尼，被統(tǒng)稱為磁致效應(yīng)。同時(shí)，磁流變彈性體以其響應(yīng)速度快、能耗低和可控可逆性好著稱，且與磁流變變液不同，磁流變彈性體不存在顆粒沉降性和團(tuán)聚性問題，不需要任何密封裝置，被廣泛用于于汽車懸架［1］、設(shè)備的沖擊防護(hù)［2－3］、減振降噪［4－8］、傳感器元件［9］等領(lǐng)域。

2 磁流變彈性體制備與性能測試

2.1 制備

在室溫下，選擇硅膠與硅油作為基體，基體中硅膠與硅油的體積比為1∶1。羥基鐵粉的平均直徑為5 μm。先將羥基鐵粉分散于硅油中，再將其與硅膠混合。去除混合物內(nèi)部的氣泡，然后把混合物放入定型模具中，在室溫下固化24 h。在固化過程中要將模具放入磁場下，使顆粒形成有序結(jié)構(gòu)，即可制備出磁流變彈性體。

2.2 磁流變彈性體的性能測試

磁流變彈性體的動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)由直流電源、磁流變彈性體、位移傳感器、力傳感器、振動(dòng)器、功率放大器和計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。直流電源給磁流變彈性體提供外部電流，以產(chǎn)生磁場，改變磁流變彈性體性能;計(jì)算機(jī)通過功率放大器驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器給磁流變彈性體施加外部激勵(lì);力傳感器和位移傳感器采集到的信號反饋給計(jì)算機(jī)處理。

圖1 磁流變彈性體隔振器動(dòng)態(tài)性能測試

通過動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)得到磁流變彈性體在不同外加電流作用下，力與位移的磁致回線如圖2所示。磁流變彈性體隔振器的合成力為:

式中:FMRE為磁流變彈性體隔振器的合成力，keff為等效剛度，ceff為阻尼常量，χb為基體位移。

keff和ceff由力－位移磁滯回線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到，keff是磁滯回線峰值到峰值的斜率，ceff由以下公式求得:

式中:Eloop為每個(gè)磁滯回線的能量損耗;A為位移振幅;ω為頻率。

圖2 不同電流下力與位移封閉環(huán)

由試驗(yàn)求得在不同電流下，磁流變彈性體的等效剛度和阻尼，如圖3所示。從圖中可看出等效剛度隨著電流的增加而增加，并且在最大外加電流作用下的等效剛度是無外加磁場下的3倍，體現(xiàn)了較好的調(diào)節(jié)特性。但等效阻尼變化無規(guī)律可循，隨著電流的增加，等效阻尼時(shí)而減小，時(shí)而穩(wěn)定，時(shí)而增加。

圖3 等效剛度和阻尼

3 汽車座椅力學(xué)模型

汽車座椅模型由半主動(dòng)磁流變彈性體懸掛系統(tǒng)和人體組成，如圖4所示。激勵(lì)信號來自于地面，為了簡化系統(tǒng)模型，假設(shè)汽車只有垂直的振動(dòng)。系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型如式(1)所示。

式中:m3為人體質(zhì)量;m2為座椅靠背質(zhì)量;m1為座椅框架質(zhì)量;k3為人體與座椅靠背的連接剛度;k2為座椅靠背與座椅框架的連接剛度;keff為磁流變彈性體的等效剛度;c3為人體與座椅靠背之間的阻尼;c2為座椅靠背與座椅框架之間的阻尼;ceff表示磁流變彈性體的等效阻尼。

圖4 座椅模型

根據(jù)實(shí)際情況，m1、m2和m3分別為15，1，70 kg; k3和k2分別為90 000和18 000 N/m;c2和c3分別為200和2 064 Ns/m。ceff被調(diào)整為830 Ns/m，且恒定不變。keff在無電流控制下為31 000 N/m，在最大電流控制作用下，keff為93 000 N/m?？汕蟮迷撓到y(tǒng)在不同電流下的固有頻率，如表1所列。

表1 固有頻率

從表1可看出，一階固有頻率變化14.3%，二階固有頻率變化51.9%，三階固有頻率幾乎沒有變化。說明磁流變彈性體對低頻階段有較寬的移頻特性。人體共振頻率約為7.5 Hz。一階固有頻率和三階固有頻率遠(yuǎn)離人體共振頻率，因此對人體傷害不大。相反，二階固有頻率非常接近人體固有頻率，因此，當(dāng)車體共振的時(shí)候，很容易引起人體器官的共振。

4 仿真試驗(yàn)

4.1 白噪音信號輸入

根據(jù)式(1)利用Simulink建立汽車座椅的仿真模型，采用白噪音信號作為系統(tǒng)的輸入。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5所示。同時(shí)，求取不同電流下，人體振幅的的均方差(RMS)，并擬合其曲線，得到外加電流與人體振幅均方差的關(guān)系，如圖6所示。

圖5 仿真效果

圖6 人體振幅均方差與勵(lì)磁電流關(guān)系

從圖6中可看出，隨著勵(lì)磁電流增大，0～1.5 A人體振幅均方差基本上保持不變，即磁流變彈性體減振效果不明顯，說明磁流變彈性體中金屬顆粒在磁場作用下相互作用力不大;1.5～2.0 A振幅均方差迅速下降，減振效果明顯;在2.0～3.0 A之間，磁流變彈性體中金屬顆粒逐漸達(dá)到磁飽和，因此減振效果逐漸變差。從圖中可看出，磁流變彈性體中的金屬顆粒在磁場作用下的耦合力成非線性關(guān)系，造成磁流變彈性體減振效果在不同勵(lì)磁電流下呈現(xiàn)非線性。人體振幅均方差最大減少量達(dá)到91.3%，具有良好的減振效果。

4.2 階躍信號輸入

依舊采用上述Simulink建立汽車座椅的仿真模型，采用階躍信號作為系統(tǒng)的輸入。系統(tǒng)減振效果如圖7所示。同時(shí)，求取不同電流下，人體振幅的的均方差(RMS)，并擬合其曲線，得到外加電流與人體振幅均方差的關(guān)系，如圖8所示。

圖7 仿真效果

圖8 人體振幅均方差與勵(lì)磁電流關(guān)系

從圖8中看出，與白噪聲激勵(lì)不同，在0～1.0 A與2.0～3.0 A附近，人體振幅均方差緩慢變小，表明減振效果不明顯，但是勵(lì)磁電流在在2.0～3.0 A之間，仍存在磁流變彈性體中金屬顆粒逐漸達(dá)到磁飽和，導(dǎo)致減振效果變差。與白噪聲信號相比，階躍信號減振擁有更寬最佳調(diào)節(jié)范圍，最佳的電流為1.0～2.0 A。人體振幅均方差最大減少量達(dá)到201%，減振效果非常好，因此，減振效果與外激勵(lì)的形式有關(guān)。

5 結(jié)論

(1)磁流變彈性體低頻階段具有較寬的移頻特性?？捎行нh(yuǎn)離人體共振頻率，避免對人身造成傷害。

(2)磁流變彈性體中的金屬磁性顆粒在磁場作用下的耦合力成非線性關(guān)系，造成磁流變彈性體減振效果在不同勵(lì)磁電流下呈現(xiàn)非線性。

(3)與白噪聲信號相比，磁流變彈性體對于階躍信號減振擁有更寬最佳調(diào)節(jié)范圍，因此，減振效果與外激勵(lì)的形式有關(guān)。

［1］ Jon R.Watson，Canton，Mich.Method and apparatus for varying the stiffness of a suspension bushing［P］.U.S.Patent 5，609，353.March 11，1997.

［2］ Faramarz Gordaninejad.Tunable shock and vibration isolation system［R］.US Navy Proposal Submission，NAVSEA，2006.

［3］ Bogdanov V，Borin D，Stepanov G，Andruszkiewicz A.Usage of magneto－active elastomers in a bumper of a vehicle for front impact protection［A］.11thInternational conference on electrorheological fluids and magnetorheological suspensions，Dresden，2009.

［4］ Ginder J M，Schlotter W F，Nichols M E.Magnetorheological elastomers in tunable Vibration absorbers［A］.Pro.of SPIE，2001，4331:103－110.

［5］ 鄧華夏，龔興龍，張陪強(qiáng).磁流變彈性體調(diào)頻吸振器的研制［J］.功能材料，2006，37(5):790－792.

［6］ Mehdi Farshad，Magali Le Roux.A new active noise abatement barrier system［J］.Polymer testing，2004(23):855－860.

［7］ 汪建曉，王世旺.擠壓式磁流變阻尼器力學(xué)性能測試與分析［J］.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，26(2):12－15.

［8］ 丁志華，游世輝.磁流變彈性體橡膠空氣彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008(10):17－18.

［9］ Li Weihua，Kostidis Kosta，Zhang Xianzhou，Yang Zhou.Development of a force sensor working with MR elastomers［A］.2009 IEEE/ASME Internationalconference on advanced intelligent mechatronics，suntec convention and exhibition center，Singapore，2009.

Application of a Magnetorheological Elastomer for Seat Vibration Reduction

LIU Ping1，ZHANG Hong2
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Suqian College，Suqian Jiangsu 223800，China;
2.Lanzhou Oil and Gas Branch Company，Petro China Southwest Pipeline Company，Lanzhou Gansu 730000，China)

Environmental stress is a key factor to cause traffic accident.a new smart material namely magnetorheological elastomer(MRE)is applied to the automotive vibration reduction system.The experiment is designed to calculate the equivalent stiffness and damping properties of the system under different magnetic field strength and Simulink is used to analyze the effect of vehicle seat vibration reduction.The result shows that the MRE has the adaptive ability of shifting its natural frequency and decreasing the vibration amplitudes.The effect of vehicle seat vibration reduction was nonlinear when saturation of the particle magnetization is happened and is related to the environmental stress.

MRE;vehicle seat vibration;simulation

TH12

A

1007－4414(2013)05－0091－03

2013－08－11

宿遷學(xué)院科研項(xiàng)目(No.2012KY49)

劉 萍(1980－)，女，江蘇常州人，碩士，講師，研究方向:數(shù)控、機(jī)電。