汽車碰撞磁流變緩沖器性能研究

(重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院 重慶 400074)

磁流變緩沖器是依據(jù)磁流變材料的磁流變效應(yīng)制成的半主動(dòng)可控緩沖器，通過改變激勵(lì)電流，從而實(shí)現(xiàn)對緩沖器內(nèi)部磁場控制，使通道內(nèi)介質(zhì)的流變特性發(fā)生變化，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)緩沖力的目的[1]。它具有阻尼連續(xù)可調(diào)、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍廣、功耗低等特點(diǎn)，在建筑防震、汽車減震等方面得到了實(shí)際應(yīng)用。

但磁流變緩沖器緩沖性能涉及各方面，且受結(jié)構(gòu)、磁流變材料特性、控制策略、工況及工作條件影響較大[2]?，F(xiàn)有研究主要基于理論模型、軟件仿真以及試驗(yàn)相結(jié)合等方法，對其阻尼特性、響應(yīng)速度、吸能量及控制策略等方面進(jìn)行分析。但現(xiàn)有的緩沖器緩沖性研究也沒有形成一套客觀、準(zhǔn)確且適用于評價(jià)各類磁流變緩沖器緩沖性能的表征參數(shù)及試驗(yàn)測試方法。

一、磁流變緩沖器緩沖性能研究現(xiàn)狀

(一)阻尼特性

緩沖器的阻尼特性通常從示功特性和速度特性兩個(gè)方面進(jìn)行綜合評估，以判定其性能優(yōu)劣。磁流變緩沖器以具有磁流變效應(yīng)的磁流變材料為介質(zhì)，通過外加電流來改變緩沖器的阻尼特性。國內(nèi)外許多學(xué)者基于試驗(yàn)或軟件仿真，對各類磁流變緩沖的阻尼特性做了大量研究。簡曉春[3]等人基于Bingham模型建立了緩沖器力學(xué)模型，并深入研究了緩沖器結(jié)構(gòu)參數(shù)對緩沖器阻尼特性的影響，為緩沖器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。美國弗吉尼亞理工大學(xué)Mehdi Ahmadian[4]，研究了磁流變液在火炮沖擊下的載荷特性，研究結(jié)果表明在沖擊過程中磁流變液出現(xiàn)了自鎖現(xiàn)象，區(qū)別于低速下，阻尼力并不隨著磁場變化。

(二)響應(yīng)速度

磁流變緩沖器通過外加電流改變其阻尼特性，且碰撞沖擊所持續(xù)時(shí)間極其短，往往只有幾百毫秒，為了有效地調(diào)控緩沖器的阻尼特性，就要求緩沖器具有極快的響應(yīng)速度。國外學(xué)者通過磁流變減振器的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了響應(yīng)時(shí)間的定義，研究了控制電流、速度對響應(yīng)時(shí)間的影響。在國內(nèi)有學(xué)者認(rèn)為影響磁流變阻尼器響應(yīng)時(shí)間的主要因素是流體的動(dòng)力粘度和平板間隙，而流變液的剪切屈服強(qiáng)度和平板兩端壓差不影響磁流變減振驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間。周玉豐[5]以電磁場、電路理論為基礎(chǔ)，分析影響磁流變阻尼器響應(yīng)時(shí)間的各種因素，提出了從磁路設(shè)計(jì)方向來改善阻尼器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的措施。

(三)控制策略

由于磁流變緩沖器具有強(qiáng)非線性特性，為了充分利用其緩沖性能，需要緩沖器依據(jù)不同的工況實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲得理想的控制電壓或電流，則對磁流變緩沖器控制策略有較高的要求。Wahed[6]等較早研究了將磁流變技術(shù)應(yīng)用于自適應(yīng)防爆裝置中，研究結(jié)果表明磁流變技術(shù)有較好的可控性。目前用于磁流變緩沖器的控制方法主要有Skyhook控制、滑?？刂坪妥赃m應(yīng)模糊控制方法等，其中Skyhook控制策略只能實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制且會產(chǎn)生自激現(xiàn)象；滑?？刂埔獪y量減振器的力；自適應(yīng)模糊控制計(jì)算量大。在控制過程中使用的參數(shù)化模型有些擬合效果較差，有些非線性較強(qiáng)難以處理；非參數(shù)化模型普遍計(jì)算量大，在實(shí)際應(yīng)用中難以獲得滿意的效果。

二、磁流變緩沖器緩沖性能評價(jià)指標(biāo)

(一)加速度特性

汽車碰撞過程中，車內(nèi)乘員各部位傷害指標(biāo)與碰撞加速度息息相關(guān)，尤其是碰撞加速度波形、峰值加速度大小及其持續(xù)時(shí)間等因素將對乘員傷亡情況有直接影響。因此，加速度特性是評價(jià)磁流變緩沖器緩沖性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

加速度波動(dòng)特性直接影響乘員的沖擊響應(yīng)，加速度波動(dòng)越劇烈，出現(xiàn)二次碰撞的可能性越大。將碰撞加速度實(shí)際曲線進(jìn)行一系列變化，轉(zhuǎn)化為基本加速度波形(如圖1)。

圖1 加速度與時(shí)間關(guān)系圖

上升階段。緩沖器波紋管發(fā)生變形，擠壓通道內(nèi)流體流通，流體流動(dòng)過程中產(chǎn)生剪切現(xiàn)象。膠泥本身的粘性摩擦及與通道的避免摩擦阻礙會阻礙膠泥流動(dòng)，導(dǎo)致緩沖器變形受阻，近似增加緩沖的剛度，引起碰撞沖擊力的急劇增加，進(jìn)而錘頭會受到較大的沖擊加速度。

平穩(wěn)階段。在沖擊力作用下，緩沖器上部波紋管發(fā)生連續(xù)變形，波紋管相鄰波之間逐漸發(fā)生壁面接觸，碰撞沖擊力達(dá)到最大，并呈現(xiàn)相對平穩(wěn)狀態(tài)。

下降階段。經(jīng)過前兩個(gè)階段后，碰撞能量逐漸被耗散，沖擊力逐漸減小。同時(shí)由于部分以彈性勢能儲存的沖擊能量被逐漸釋放，緩沖器波紋管出現(xiàn)一定程度的回彈，碰撞加速度降低，此后在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，整個(gè)碰撞過程基本結(jié)束。

(二)載荷特性

1.彈性極限載荷

緩沖器在工作過程中,其載荷特性決定了乘員所受加速度大小，因此緩沖器的載荷特性非常重要。碰撞過程中緩沖器變形分三個(gè)階段：純彈性變形階段、彈塑性混合變形階段、完全塑性變形階段。彈性極限載荷主要影響緩沖器在低速碰撞工況下的緩沖性能以及使用性能。彈性極限載荷過低時(shí)，輕微的碰撞并能使緩沖器產(chǎn)生較大的變形，進(jìn)而會增加車輛的維修成本，影響緩沖器的使用性能。當(dāng)彈性極限載荷過大時(shí)，在一定碰撞沖擊下車輛的初始動(dòng)能均轉(zhuǎn)化為緩沖器結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)變能，當(dāng)緩沖器結(jié)構(gòu)達(dá)到最大彈性變形后，此彈性應(yīng)變能將以回彈的形式完全釋放出來，隨之會引起對車內(nèi)乘員和結(jié)構(gòu)的二次傷害，因此緩沖器的彈性極限載荷不易太大。

2.峰值沖擊載荷

峰值載荷為緩沖器在壓潰變形中所產(chǎn)生的最大變形抗力，主要出現(xiàn)在碰撞過程的兩個(gè)位置，一是剛開始屈曲時(shí)，即臨界狀態(tài)，主要決定于結(jié)構(gòu)的彈塑性屈曲，另一個(gè)是在整個(gè)結(jié)構(gòu)被完全壓縮時(shí)，撞擊力峰值會立刻迅速上升。撞擊力峰值Fp主要與撞擊質(zhì)量、速度以及緩沖器的材料、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，此外峰值沖擊載荷過大會造成緩沖器結(jié)構(gòu)損壞，或致使緩沖器出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，不利于緩沖吸能。綜上，峰值沖擊載荷的減小，對緩沖器結(jié)構(gòu)保護(hù)以及乘員安全保護(hù)均具有非常重要的意義。

3.平均沖擊載荷

平均沖擊載荷Fm是表征緩沖器吸能特性的重要指標(biāo)，通過緩沖器的平均沖擊載荷，可以有效地評價(jià)緩沖器的緩沖性能，其定義為式：

式中

t——碰撞持續(xù)時(shí)間(s)；

F(t)——實(shí)時(shí)沖擊載荷(N)。

平均沖擊載荷反映緩沖器的吸能水平，壓縮位移相等時(shí)，平均沖擊載荷越大，緩沖器吸能量越大。然而，由于受汽車產(chǎn)品空間限制，緩沖器壓縮位移不會太大，因此在相同壓縮位移下，平均沖擊載荷越大，緩沖器吸能量越多。

(三)沖程效率

研究表明，磁流變緩沖器的工作過程分三個(gè)階段：彈性區(qū)、平臺區(qū)及衰減區(qū)。磁流變緩沖器的沖擊載荷—變形量曲線如圖2所示。

圖2 磁流變緩沖器沖擊載荷-位移曲線

(1)彈性區(qū) 它存在于較小的應(yīng)變范圍內(nèi)，一般ε<0.05，此區(qū)間內(nèi)應(yīng)力一應(yīng)變曲線為直線，直線的斜率為緩沖器的綜合剛度。

(2)平臺區(qū) 當(dāng)沖擊超過緩沖器的極限彈性載荷時(shí)，緩沖器開始發(fā)生塑性變形。這一階段的主要特征為隨緩沖器變形量的增加，沖擊載荷在平均載荷附近持續(xù)波動(dòng)，此階段為緩沖器吸能緩沖的主要階段，對乘員的保護(hù)尤為重要。

(3)衰減區(qū) 由于大部分沖擊能量在彈性區(qū)和平臺區(qū)所耗散，阻尼器式緩沖器在此階段所承受的沖擊力較小，且不會發(fā)生壓潰變形式緩沖器的加工硬化現(xiàn)象，因此沖擊載荷持續(xù)降低。

(四)響應(yīng)時(shí)間

汽車碰撞持續(xù)時(shí)間極其短暫，一般在150ms以內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間對于緩沖裝置而言是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它直接決定了緩沖器的應(yīng)用范圍和吸能效果，是評價(jià)汽車碰撞緩沖器瞬態(tài)響應(yīng)的一個(gè)重要指標(biāo)。

三、小結(jié)

磁流變緩沖器的變阻尼、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，使得其在緩解震動(dòng)、沖擊等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。雖然各國學(xué)者都進(jìn)行了大量研究。但對于緩沖器緩沖性能的研究還主要借助仿真手段，但在性能測試試驗(yàn)方面的研究還不多因此需基于落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，從緩沖器的變形特點(diǎn)、載荷特性、加速度特性等方面研究緩沖器的緩沖性能，進(jìn)而評價(jià)磁流變緩沖器的緩沖性能，為后續(xù)緩沖器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能匹配提供一定依據(jù)。

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