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1、Electromagnetic control of elastomer ferromagnet composite components for automotive vibration damping用于汽车减震中铁磁合成弹性体复合构件 的电磁控制摘要：汽车中的半主动磁流变弹性体轴衬是诸多减少车辆因结构噪声而产生的震动的方法之一。然而，很多实际的工程挑战在磁流变轴衬引入汽车之前有待解决。本文主要做了以下两方面工作，以此解决磁流变轴衬实际应用中牵涉到的一些问题。第一个就是研究铁磁弹性体（一种可实现电磁控制的磁流变材料）的动态减震的幅度。铁磁合成弹性体阻尼器动态减震幅值是通过改变振动台上包含铁
2、磁弹性体构件和一对现成的工业磁极共振频率而得到的。第二方面的工作主要介绍汽车中磁流变轴衬需要与一个能量放大器来激励，以此产生耦合效果。关键字：磁流变弹性体，铁磁合成弹性体，电磁铁能量放大器，滑移模式控制1用磁流变构件减震1.1简介近年来人们重新关注燃油的效率，也驱使汽车制造商生产更轻量化的汽车。依靠应用更轻质的底盘和车身材料，比如铝和碳纤维。汽车制造商们在提高燃油效率的同时却没有降低汽车的操控性能。然而，这些创新也有缺点，尤其是使用轻质底盘材料特别容易产生频率在0.550Hz的结构噪音。震动能被车体的吸震材料减弱，然而，被动减震需要大量的车体吸震材料。因此，车体内的结构噪音要靠主动或者半主动感
3、应减震系统来减弱。作为21世纪汽车合作启动会议的参与者，我们的研究主要注重于铁磁合成弹性体材料和磁流变弹性体材料在汽车结半主动减震系统中的应用，从而来实现结构的降噪。我们先前检验了永磁体控制的磁流变弹性体元件，这篇文章主要检测电控铁磁合成弹性体的减震能力。1.2结构噪音的降低就像通常所说的路面噪音一样，产生结构噪音的直接原因是汽车的轮胎与地面接触。这种噪音由轮胎通过汽车的感应系统传入车体。夹杂着其他扰动，比如引擎噪音，结构噪音很容易让驾驶者产生疲劳和不适。吸震材料的应用显然不切实际，因为吸震材料的物理尺寸必须与结构噪音的波长成比率。举列来说，如果要屏蔽掉频率为200Hz的结构噪音，吸震材料必须
4、要达到2.5米。因此，结构噪音的减弱必须车体中应用主动降噪技术。1.2.1主动避震系统大多数汽车的避震系统是由弹簧和阻尼元件组成，很好的折中了路面舒适性与操控性，一个被动避震的模拟图如下：一套硬性的减震系统能提供良好的操控性，但是对车体结构噪音减弱不好。但是一套柔性的减震震降噪系统又必然要牺牲汽车的操控性。依靠在弹簧和阻尼器的减震系统中增加一个激励装置，恰好可以在操控性与降噪上达到一和很好的中和。依靠构造与元件，主动减震系统具有更大的调节范围，示意图如下：由上图可知，高带宽的主动减震系统包括一个激振器和并联的弹簧阻尼器；反之，低带宽减震系统以激振器代替了阻尼器。既然两种主动减震系统都需要感应器
5、和控制器来恰当的控制激振器。从简化安装来说，低带宽更适合汽车，因为高带宽需要极其复杂航空技术。尽管主动减震系统解决了被动减震系统的一些缺点，但是它们也有一些问题。比如系统复杂，能量消耗等问题必须在应用到汽车上之前得到解决。还有，如果没有恰当的设计方案，主动减震系统会变得很不稳定。1.2.2半主动减震系统与主动减震系统类似，是靠一系列阻尼元件替代半主动减震系统中的阻尼器，比如一个阻尼系数可调的阻尼器。半主动减震系统同样具有主动减震系统的优点，而且还不需要过多的能量消耗，它们通常都很稳定，它们不像主动减震系统需要能量的注入才能工作。过去对一个电力流变液阻尼器的研究论证了减震系统减震能力的特点。Ra
6、lcheja et al也做了大量的研究，用一个可调阻尼器代替弹簧-阻尼器系统中的阻尼器，当阻尼力与弹簧力方向相同时，阻尼力会明显增加。1.3半主动轴衬减小汽车经过减震系统传播的结构噪音，如图1.3所示：是一项极其困难的工作。结构噪音频谱可有频率响应来分析，如图1.4所示，是一个四分之一的汽车实验模型，置于振动台上振动。影响因素有轮胎的疲劳、减震弹簧和阻尼器、支架避震组的增加以及减震支架以及结构噪音之间的耦合。因为其中任何一个因素都是一个单独的研究领域，作为21世纪汽车俱乐部会员，我们缩小我们的研究，主要集中在轴衬与车架之间配合的震动。车架轴衬与减震系统的配合也影响结构噪音的耦合。商用汽车中大
7、量应用橡胶轴衬，同样也想被动减震机理一样。比如，硬性的轴衬能提供较好的操控性，但是对车体结构噪音的减少很不利；然而软性的轴衬能很好的减少车体的结构噪音，但是要牺牲操控性。尽管汽车被装上主动或半主动减震系统，轴衬都仍然会将结构噪音传进车体。我们不是直接解决结构噪音问题，而是研究结构噪音产生的机理并侧重于利用半主动材料减震。我们的最终目的主要是言之一个半主动轴衬与汽车减震系统耦合来减少结构噪音。我们研究的初始阶段由Mr. Michael Sjoerdsma指导。1.4磁流变弹性体器件减震磁流变弹性体通常是由橡胶基体中掺杂铁或者铁合金微粒。因为磁流变弹性体的硬度可以可逆的控制。一个具有磁流变弹性体器
8、件的机械系统的自振频率可以动态变化。Lokander以及其他人用实验证明了丁晴橡胶基发生最大的磁流变效应的时候铁微粒体积含量为30%。在外加磁场的条件下增加铁微粒体积分数到超过30%弹性体的硬度变到最大。1.4.1磁流变弹性体的制作机理在基体固化过程中施加一个外部磁场，此时基体尚未固化而呈液态或粘塑性体状态，铁磁性颗粒还可以移动，所以能利用磁流变效应(即铁磁性颗粒在磁场方向形成链或柱状聚集结构)，使颗粒在高分子聚合物基体中形成有序结构，混合物固化后，这种有序结构就保留在基体中。因此有场制备的磁流变弹性体是一种各向异性的弹性体材料；而无场制备的磁流变弹性体的特点在于基体固化过程中，不施加外磁场，
9、这时颗粒在基体中的朝向将呈随机分布，故无场制备的磁流变弹性体是一种各向同性的弹性体材料。1.4.2磁流变弹性体实验设置磁流变弹性体轴衬最初的应用是设置两块弹性体，分别为M,N，其中M块放置在与振动方向垂直的磁场中，N块区域则没有磁场。没有磁场的弹性体块归类为铁磁合成弹性体。两块弹性体都使用硅橡胶和00736铁粉组成，图形如下在弹性体的上下加入螺杆是为了将其固定在实验夹具装置上，夹具装置再固定在振动台上。MRE块底部被固定在振动台的支架上，顶部再固定在另一个支架上，MRE块上部有并排放置的永久磁铁，实验示意图如下：实验步骤为用频率为15-215Hz，振幅为140的正弦波来控制振动台。用频率扫描仪
10、分别对顶部负载的质量分别为0.375kg、0.575kg、0.675kg,进行试验。每次扫描都重复两遍，一次加磁场，一次不加磁场。1.4.3磁流变弹性体振动试验结果顶部质量的加速度除以振动台的加速度得出不同频率下的加速度传递率。谐振频率随着磁场大小而变化。加速度传递率与激振频率的关系如下图：从上表我们可以看出，M块比N块的谐振频率改变更明显。1.5论文的焦点我论文的焦点在于解决磁流变轴衬在汽车中的实际应用中的工程问题。其中的一个挑战就是在汽车中实现磁流变材料的电磁控制。过去对磁流变器件的控制主要依靠巨大笨重的电磁铁。然而，我的焦点在于应用容易买到的更小巧的电磁铁。因为汽车里面空间和能量提供都有
11、限，任何汽车悬挂系统中的磁流变轴衬必须结合小尺寸低能耗的电磁铁。尽管论文中并没有直接解决结构噪音的问题，但是还是解释了结构噪音产生的机理。这篇文章中应用的技术和器件，一定会在将来应用于解决结构噪音的问题。2.电磁控制的铁磁合成弹性体减震器2.1铁磁合成弹性体阻尼器实验设计我们对通过用电磁控制的磁流变装置来减小振动传播非常感兴趣。我们在电磁控制磁流变材料的研究中第一步就是设计一个合适的装置，依靠磁流变阻尼器使振动耦合。这个装置同时包含一对不仅仅与铁磁合成弹性体物理接触，而且还要提供一个贯穿EFC阻尼器的规则的磁场。为了达到以上的目的，我们设计了以下的装置：我们的装置包含两个极性相反的电磁铁以及夹
12、在两个电磁铁之间的EFC阻尼器，这种电磁极能产生贯穿EFC的磁场，同事，这样的设计使得磁漏最小化。整个装置再被安装到振动台上，以此测试EFC阻尼器。2.1.1 EFC阻尼器振动试验器材2.1.2 EFC阻尼器实验步骤最初，我们打算在一系列弹簧阻尼器的背景下来描述EFC阻尼器。然而，EFC阻尼器顶部的电磁铁起着顶部质量的作用，底部电磁铁以及固定台起着振动输入的作用。我们的目标就是要验证EFC阻尼器通过改变磁场大小能达到弹簧-阻尼器系统目的。振动台输入必要的正弦波来扰动EFC阻尼器，频率区间在10-800Hz。我们把实验分成两个不同的阶段。第一个阶段的振动台加速度为0.5g，g为9.8，我们把电磁
13、铁的电压从0-16V（4V为一幅度）重复试验，所有实验结果都用图表表示，证实了EFC材料的性质；第二个阶段振动台的加速度定为1g，电磁铁的电压从0-16V（2V为一幅度），第二阶段的数据用数学软件进行分析。作为我们实验的一部分，我们还计算不同电压情况下EM-R2电磁铁的磁场强度。电磁铁的完整描述见附件B。因为EFC阻尼器的厚度与电磁铁直径大小相比并不重要，我们假设贯穿EFC阻尼器的磁场是均匀的并且可以根据线圈匝数和单个线圈产生的磁场强度来估算。EFC阻尼器磁场强度与电压大小的关系如下表：2.2 EFC阻尼器实验结果有第一个试验阶段和第二个实验阶段得出的数据在2.2.1节和2.2.2节中列出。两
14、个试验阶段中，振动台在不同输入电压的情况下不同的频率重复测试。因此简化了不同电压情况下的加载频率情况。比如，我们给在0V电压的情况下的加载频率贴上一个0V的标签。2.2.1 EFC阻尼器第一阶段试验结果在我们第一阶段的试验中，我们有振动台，安装台以及上部电磁铁对应的频率输出。振动加速度和频率都用用对数的形式输出，所有第一阶段的数据输出见表2.72.11在我们的频率扫描中，我们注意到在60Hz这个点，随后的60Hz频率谐振，振动台的振动输出特别嘈杂，因为振动台中的能量放大器受到交流电的干扰。初步的结果显示EFC测试中共振频率由于磁场强度的存在而减小。更明显的是上部电磁铁的震动由于磁场强的的存在而
15、增加。这些结果表明，EFC的阻尼和刚度都因为磁场的存在而增加。根据Zhou 等人的研究，跟磁流变弹性体阻尼器不一样，铁磁合成弹性体阻尼器实际上能根据磁场强度的不同而硬度也不同。因此，在我们质量-弹簧阻尼器模型背景下，系统的弹性系数和阻尼系数会因为磁场的存在而减弱。我们证实EFC阻尼器在电磁铁16V电压的情况下应力的改变。EFC应力的测量过程见附件C。在最后，试验仪取得了我们预期的结果，也为实验二的设计框架提供了思路。2.2.2 EFC阻尼器第二阶段的实验结果我们第二阶段的实验跟第一阶段试验相似，不同的是振动台的频率扫描幅度是在加速度为1g的情况下，将电磁铁的电压由016V（2V为一个递增步），
16、以此取得振动的数值形式，即振动频率（单位为Hz）与加速度（单位为g）的对应关系（主要是从连接振动台控制器和数据采集系统的电脑获得）。振动台数据采集系统在每个频率扫描段内采集1024个数据点。因为我们分析九个频率扫描段，每个频率段产生三个与振动台频率响应的数据集合，EFC阻尼器测试夹具底盘频率响应，EFC阻尼器夹具顶部电磁铁频率响应，我们有27个频率响应数据集合。所有的数据集合都在附录D中列出来。0V电压时候振动台的频率响应如下图：为了很清楚的阐述EFC阻尼器的测试夹具频率响应的改变与磁场强度的关系，图2.14显示了一个顶部不规则的电磁铁在对应电压为0V，8V，16V时的频率响应。振动台能量放大
17、器中60Hz交流电作为60Hz的外加干扰以及随后敲击振动台的谐波噪音，底座以及上部电磁铁的频率响应。上部电磁铁的频率响应显示了随着EFC阻尼器中磁场强度增加，阻尼器实验夹具频率响应的减小。此外，很清楚的看出，根据磁场强度的增加，上部电磁铁的频率响应曲线幅值也随之加大。下一个章节我们讨论描述EFC阻尼器实验夹具振动状况的数学模型以及物理性质。5. 结论5.1 MR材料构件将来的工作 磁场的生成是我们继续在MR材料上研究的最重要因素。因为能量密度与电磁铁有关，更多的研究将集中于加大电磁铁的效率。同时，在能量效率及大小方面，我们的兴趣偏向于谨慎的研究将稀土元素磁体作为磁场来源。通过将稀土元素磁体拉近
18、或远离MR材料轴衬，经由力学组合，各种磁场强度通过耦合产生一个总的磁场强度贯穿MR材料轴衬。 另外，我们将制作一个MRE阻尼器，并且将用一对现成电磁铁对其进行与EFC阻尼器相同的实验。最终，我们对MR材料的研究将以其在解决汽车结构噪音的工具和技术上的应用而结束。5.2 能量放大模型将来的工作 因为我们侧重于MR材料轴衬和构件，电磁铁能量放大模型的工作必须作为MR材料研究项目的一部分同时进行。在不久的将来，必会谨慎的研究其他能量电子拓扑结构，不管是DC-DC转化器还是发动机控制等各方面的著作。同时，我们必须研究其他大型信号的反馈控制技术，就像要更深入的研究滑移模型反馈控制技术一样。此外，在能量放大模型的研究情况下，电路还有很多理想的地方，比如时间的延滞以及能量放大模型中必须包含一些派生参数。因此，我们对能量放大器的研究最终会涉及到解决汽车结构噪音的器件上来。
111用于汽车减震中铁磁合成弹性体复合构件的电磁控制
