磁流变弹性体在汽车座椅减振中的应用*

刘 萍，张 宏

(1.宿迁学院机电工程系，江苏宿迁 223800;2.中石油西南管道公司兰州输油气分公司，甘肃兰州 730000)

磁流变弹性体在汽车座椅减振中的应用*

刘 萍1，张 宏2

(1.宿迁学院机电工程系，江苏宿迁 223800;2.中石油西南管道公司兰州输油气分公司，甘肃兰州 730000)

外部环境是造成道路事故的一个主要因素。采用了一种新型智能材料，磁流变弹性体(MRE)作为汽车座椅减振的核心材料，并相应建立了实验装置，通过计算获得了该系统模型在不同磁场下的等效阻尼和等效刚度，运用Simulink软件对汽车座椅减振系统进行了仿真分析。研究结果表明，磁流变弹性体低频阶段具有较好的移频和减幅特性;磁流变弹性体中的金属磁性颗粒在磁场作用下的耦合力成非线性关系，造成磁流变弹性体减振效果在不同励磁电流下呈现非线性;减振效果与外激励的形式有关。

磁流变弹性体;汽车座椅减振;仿真

1 引言

磁流变弹性体 (Magnetorheological Elastomer，缩写为MRE)是将微米级的软磁性颗粒散布在高分子聚合物集体中，固化后形成的新型智能材料。在磁场作用下，磁流变弹性体内部的金属颗粒被磁化，产生相互作用力，以抵抗磁流变弹性体的变形，增加材料抵抗变形能力。因此，磁流变弹性体在外部磁场下会产生磁致模量和磁致阻尼，被统称为磁致效应。同时，磁流变弹性体以其响应速度快、能耗低和可控可逆性好著称，且与磁流变变液不同，磁流变弹性体不存在颗粒沉降性和团聚性问题，不需要任何密封装置，被广泛用于于汽车悬架［1］、设备的冲击防护［2－3］、减振降噪［4－8］、传感器元件［9］等领域。

2 磁流变弹性体制备与性能测试

2.1 制备

在室温下，选择硅胶与硅油作为基体，基体中硅胶与硅油的体积比为1∶1。羟基铁粉的平均直径为5 μm。先将羟基铁粉分散于硅油中，再将其与硅胶混合。去除混合物内部的气泡，然后把混合物放入定型模具中，在室温下固化24 h。在固化过程中要将模具放入磁场下，使颗粒形成有序结构，即可制备出磁流变弹性体。

2.2 磁流变弹性体的性能测试

磁流变弹性体的动态测试系统由直流电源、磁流变弹性体、位移传感器、力传感器、振动器、功率放大器和计算机组成，如图1所示。直流电源给磁流变弹性体提供外部电流，以产生磁场，改变磁流变弹性体性能;计算机通过功率放大器驱动振动器给磁流变弹性体施加外部激励;力传感器和位移传感器采集到的信号反馈给计算机处理。

图1 磁流变弹性体隔振器动态性能测试

通过动态测试系统得到磁流变弹性体在不同外加电流作用下，力与位移的磁致回线如图2所示。磁流变弹性体隔振器的合成力为:

式中:FMRE为磁流变弹性体隔振器的合成力，keff为等效刚度，ceff为阻尼常量，χb为基体位移。

keff和ceff由力－位移磁滞回线的实验结果分析得到，keff是磁滞回线峰值到峰值的斜率，ceff由以下公式求得:

式中:Eloop为每个磁滞回线的能量损耗;A为位移振幅;ω为频率。

图2 不同电流下力与位移封闭环

由试验求得在不同电流下，磁流变弹性体的等效刚度和阻尼，如图3所示。从图中可看出等效刚度随着电流的增加而增加，并且在最大外加电流作用下的等效刚度是无外加磁场下的3倍，体现了较好的调节特性。但等效阻尼变化无规律可循，随着电流的增加，等效阻尼时而减小，时而稳定，时而增加。

图3 等效刚度和阻尼

3 汽车座椅力学模型

汽车座椅模型由半主动磁流变弹性体悬挂系统和人体组成，如图4所示。激励信号来自于地面，为了简化系统模型，假设汽车只有垂直的振动。系统的动力学数学模型如式(1)所示。

式中:m3为人体质量;m2为座椅靠背质量;m1为座椅框架质量;k3为人体与座椅靠背的连接刚度;k2为座椅靠背与座椅框架的连接刚度;keff为磁流变弹性体的等效刚度;c3为人体与座椅靠背之间的阻尼;c2为座椅靠背与座椅框架之间的阻尼;ceff表示磁流变弹性体的等效阻尼。

图4 座椅模型

根据实际情况，m1、m2和m3分别为15，1，70 kg; k3和k2分别为90 000和18 000 N/m;c2和c3分别为200和2 064 Ns/m。ceff被调整为830 Ns/m，且恒定不变。keff在无电流控制下为31 000 N/m，在最大电流控制作用下，keff为93 000 N/m。可求得该系统在不同电流下的固有频率，如表1所列。

表1 固有频率

从表1可看出，一阶固有频率变化14.3%，二阶固有频率变化51.9%，三阶固有频率几乎没有变化。说明磁流变弹性体对低频阶段有较宽的移频特性。人体共振频率约为7.5 Hz。一阶固有频率和三阶固有频率远离人体共振频率，因此对人体伤害不大。相反，二阶固有频率非常接近人体固有频率，因此，当车体共振的时候，很容易引起人体器官的共振。

4 仿真试验

4.1 白噪音信号输入

根据式(1)利用Simulink建立汽车座椅的仿真模型，采用白噪音信号作为系统的输入。系统仿真结果如图5所示。同时，求取不同电流下，人体振幅的的均方差(RMS)，并拟合其曲线，得到外加电流与人体振幅均方差的关系，如图6所示。

图5 仿真效果

图6 人体振幅均方差与励磁电流关系

从图6中可看出，随着励磁电流增大，0～1.5 A人体振幅均方差基本上保持不变，即磁流变弹性体减振效果不明显，说明磁流变弹性体中金属颗粒在磁场作用下相互作用力不大;1.5～2.0 A振幅均方差迅速下降，减振效果明显;在2.0～3.0 A之间，磁流变弹性体中金属颗粒逐渐达到磁饱和，因此减振效果逐渐变差。从图中可看出，磁流变弹性体中的金属颗粒在磁场作用下的耦合力成非线性关系，造成磁流变弹性体减振效果在不同励磁电流下呈现非线性。人体振幅均方差最大减少量达到91.3%，具有良好的减振效果。

4.2 阶跃信号输入

依旧采用上述Simulink建立汽车座椅的仿真模型，采用阶跃信号作为系统的输入。系统减振效果如图7所示。同时，求取不同电流下，人体振幅的的均方差(RMS)，并拟合其曲线，得到外加电流与人体振幅均方差的关系，如图8所示。

图7 仿真效果

图8 人体振幅均方差与励磁电流关系

从图8中看出，与白噪声激励不同，在0～1.0 A与2.0～3.0 A附近，人体振幅均方差缓慢变小，表明减振效果不明显，但是励磁电流在在2.0～3.0 A之间，仍存在磁流变弹性体中金属颗粒逐渐达到磁饱和，导致减振效果变差。与白噪声信号相比，阶跃信号减振拥有更宽最佳调节范围，最佳的电流为1.0～2.0 A。人体振幅均方差最大减少量达到201%，减振效果非常好，因此，减振效果与外激励的形式有关。

5 结论

(1)磁流变弹性体低频阶段具有较宽的移频特性。可有效远离人体共振频率，避免对人身造成伤害。

(2)磁流变弹性体中的金属磁性颗粒在磁场作用下的耦合力成非线性关系，造成磁流变弹性体减振效果在不同励磁电流下呈现非线性。

(3)与白噪声信号相比，磁流变弹性体对于阶跃信号减振拥有更宽最佳调节范围，因此，减振效果与外激励的形式有关。

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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

宿迁学院科研项目(No.2012KY49)

刘 萍(1980－)，女，江苏常州人，硕士，讲师，研究方向:数控、机电。