用于车内减振降噪的智能材料和结构的研究

用于车内减振降噪的智能材料和结构的研究用于车内减振降噪的智能材料和结构的研究 材料 工艺 设备煎蒂搴l崤I瓣褥簿曝舒霉憋jl Ilf瓣蓥鞠翻 舞同济大学汽车系易明靳晓雄 Abstract With increasingstudy0n intelligent material and its structureh in domestic andabroad the highand new technology hasits wideapplicat ionprospect inautomotive industry The paperanalyes the nmechanism p e duee din theinside of motor vehicle considers thenoise controlfor insideof motorvehicle byusing intellisentstraeture shallbe conductedbv t tee ways1Elimination ofnoise source 2 1solalion ofvibrat iontransfer relationshipb etween vibrationSOlll and vehlclebody interrupting thesolid transfer 3Active controlof bodyvibration to eliminatenoise byreducing vibrationThe appliea tions ofintelligentmaterialanditsstructure inthe field ofautomot ivevibration andno se reduction are studied andforecasted 摘要1随着国内外对智能材料和结构研究的目益深 这一高新技术在汽车工业中的应用前景显得越来越广阔分析了汽 车车内噪声产生的机理 认为利用智能结构进行车内噪声控制主要 从三个方面 手一是消除噪声祸 二是膈绝振源与车身之间的振动 传递关系 阻断固体传播 三是进行车身振动的主动控制 通过减 少振动来消除噪声 对智能材料和结构在汽车减振降噪领域的应用作了探讨和展望 T0p ic wordsMaterial Structure Vibration reduction Noise control主题词材料结构减振噪声控制U465A1000 3703 xx 07 0026 031前言现代汽车的噪声特性是衡量汽车质量的重要标志之一汽车噪 声不仅造成周围环境的污染 影响人们的生活和工作 而且车内的 噪声与振动 温度 湿度等环境因素相比是降低车辆舒适性的主要 因素之一 为了提高车辆的舒适性 世界各大汽车公司都对车内噪声水平制定 了严格的控制标准 将车内噪声的控制作为重要的研究方向 特别是轿车 车内噪声状况更是衡量轿车档次的标准之一传统的噪 声控制方法 多采用较大阻尼比的材料 利用隔声 隔振技术 甚 至重新进行结构设计来控制噪声 结果往往与汽车轻量化的目标相 矛盾 而且一些车身结构的振动及其辐射的噪声仍无法得到有效控 制 智能材料结构的出现以及主动控制技术的发展 为振动和噪声的控 制开辟了新的途径2车内噪声产生机理车辆内部噪声的十分复杂 但 可从两个传播途径加以分类 即固体传播和空气传播 如图1所示具 体来讲 产生车内噪声的主要振动源和声源有a 发动机燃烧和惯性 力引起的振动 通过发动机悬置和副车架传到车身上 引起车身结 构的振动 并进一步向车内辐射中频噪声 伴随发动机运 26 行产生的排气噪声 进气噪声 风扇噪声 结构噪声等则由空 气通过车身的孔 洞 缝隙传至车内或通过车身板壁透声至车内 b 传动系由于质量不平衡及齿轮啮合产生的振动 传到车身引起车 身振动并进而辐射中频噪声至车内 运转发出的噪声则由空气传播 至车内 C 汽车高速行驶时 空气紊流对车身的激励造成车身高频振动 并 在车内产生高频噪声 由后视镜产生的高频空气噪声则由空气传至 车内d 悬架系统由路面不平激起振动 这种振动通过悬架与车身的 支点传至车身引起车身的振动 进一步造成车内低频噪声 作为悬 架系统组成部分的减振器 轮胎等在工作过程中所产生的噪声则通 过车身的缝隙 由空气传至车内 图1车内噪声产生机制由此可见 固体传播振动通过结构件传播至车 身 引起车身的振动 再由车身板壁振动辐射噪声至车内 形成车 内噪声空气传播则将各种噪声源所辐射的噪声通过空气 由车身的 缝隙或孔洞传播至车内 形成车内噪声 而对于车身而言 它也不是汽车技术材料 工艺 设备完全被动地 接收外界的影响 车身结构的固有频率 振型 阻尼等模态参数 对车内噪声的形成 有着重要的作用 当外界激励与车身固有频率一致时 车身发生共振 可使噪声放大 同时 车身上外界振动输入点的动刚度对振动能量的输入也有很 大影响 在一定程度上影响着车内噪声水平 空气 固体传播噪声能量的比例因车型结构和噪声频率的变化有所 差别 实践表明 中低频车内噪声 30Hz 400Hz 主要由固体传播这一途径 造成 而高频车内噪声则以空气传播为主 如果能够削弱或者消除固体传播 则可使车内噪声大大降低 因此 利用智能结构进行车内噪声控制主要从3个方面人手一是消除 噪声源 二是隔绝振源与车身之间的振动传递关系 阻断固体传播 三是进行车身振动的主动控制 通过减小振动来消除噪声 3智能材料和结构智能结构是结构的高级形式 实现智能结构的基本 逻辑构思就是将驱动元件和传感元件紧密融合在结构中 同时也将 逻辑控制电路 信号处理器 功率放大器 信息处理和人工智能环 节以及数据传递总线等集成在结构中 通过机械 热 电 磁等激 励和控制 使智能结构不仅具有承受载荷的能力 还具有识别 分 析 处理及控制等多种功能 从原理上讲任何一种存在机械量与非机械量 电 热 磁 光 耦合 的物理材料都可称之为智能材料 可用于智能结构中驱动和传感元 件的设计 智能结构中的驱动器将电量 电场强度 磁通量等非机械量转变为 应变 位移等机械量 以实现结构的应变或位移驱动的目的 智能结构中的传感器则正好与驱动器的功能相反 它将机械量转变 为非机械信号作为控制器的信号输入 目前用于智能结构驱动器设计的材料有利用机电耦合现象的压电材 料和电流变流体 利用磁场与应变场耦合的磁流变流体 利用温度 场与应变场强烈耦合的形状记忆合金等用于智能结构传感器设计的 材料有压电材料 光导纤维 电阻应变丝和疲劳寿命丝等 汽车车身结构作为一种可能的智能结构形式是一种以板 壳 梁为 代表的分布式结构 在这种结构中 传感器和驱动器通常分别由两组功能元件组成 它们可分布粘贴于车身主体结构表面或嵌埋入结构内部 有机地与 主体结构集成在一起 以下具体介绍几种智能材料和结构在汽车减2091年第7期振降噪方面 的应用 4可控制智能流体的应用可控制智能流体包括电流变流体和磁流变流 体两种 它们一般由基础流体 固体颗粒添加剂和表面活化添加剂组成 基础流体一般采用导电性较差的矿物油 煤油 硅油等 在无外加 电 磁场时基础流体的粘度应尽量低以使粘度调节范围较宽 表面 活化添加剂是用来稳定可控制流体的化学和物理性能 并使其易于 活化产生电 磁粘性 固体颗粒添加剂是获得流变效应的主要成分 包括氧化硅粉末 铝硅酸盐陶瓷晶粒 淀粉 纤维等不导电的有 机或无机材料 要求有较高的电磁极化特性 能长时间稳定地均匀 分散在基础流体中 有在电 磁场作用下产生抗剪切应力的能力 可控制智能流体有以下特点在无电 磁场作用下是一般的流体 在 外加电 磁场的作用下 其流变性能随电 磁场强度的变化而发生 快速连续的变化 直至固化成粘弹性固体 而且这种变化是瞬时可 逆的 即外加电 磁场被撤除后 固化的流体又能恢复原来的性质 可见 仅需电压信号就可实现对电 磁流变流体的控制 电场可用来 控制电磁感应回路中产生的磁场 利用可控制智能流体的特性 可设计出以下零部件以消除汽车噪声 源 或隔绝振源与车身之问的固体传播a 可控离合器和制动器可控 离合器和制动器是根据电 磁流变效应设计出来的一种新型装置 它是靠主 被动件之间的工作介质即电 磁流变流体的剪切力作用 来传递动力或产生阻力的 它与普通离合器和制动器的不同之处在于 它是通过外加电 磁场 的变化来改变工作介质的抗剪切应力或表面粘度 从而达到输出转 矩或产生阻力矩的目的 其优点是不依靠摩擦副传递扭矩 从而可以避免传统离合器和制动 器主 从动件之间啮合时产生的冲击和噪声 工作平稳可靠 无磨 损 b 电 磁流变减振器电 磁流变减振器属于主动减振器 其阻尼力 仍然是通过孔道的节流阻力来实现的不加电 磁场时 减振器的阻 尼力较小 在外加电 磁场后 作为减振器工作液的电 磁流变流 体的粘性流动阻力增大 其孔道节流阻尼力也增大 减振器的性能 随之改变 由于电 磁流变流体的响应速度很快 故可根据汽车的行驶状态通 过外加的电 磁场控制减 材料 工艺 设备振器的性能参数 从 而达到主动减振的目的 减振器的响应能力主要取决于控制系统的速度 目前电子技术及集 成电路技术的发展水平是完全可以满足电 磁流变减振器控制系统 的要求的 c 发动机电流变隔振悬置与传统的发动机液压隔振悬置的结构类似 其顶部和底部为缓冲橡胶 内腔中带有许多平行间隙的电极把电 流变流体分成上下两个部分 每个间隙相当于一个阀门 起着惯性导向作用 当电极两倒不加电压时 电流变流体可以在间隙中自由流动 悬置 的刚度较小 外加电压时 间隙中电流变流体的粘度增加 悬置的 刚度变大 这样的悬置具有高的静态刚度 以及在20Hz一4OHz的频率范围内产 生低的动态刚度 故可有效地减少发动机产生的振动 起到隔振降 噪的作用 5压电智能材料的应用用压电智能材料制成的元件即压电元件 当对压电元件施加机械变形时 就会引起其内部正负电荷中心发生 相对移动而产生电的极化 从而导致元件两个表面上出现符号相反 的束缚电荷 而且电荷密度与外力成比例 这种现象称为正压电效 应 正压电效应反映了压电材料具有将机械能转变为电能的能力 检测出压电元件上的电荷变化 即可得知元件或元件嵌入处结构的 变形量 因此利用正压电效应 可以将压电材料制成传感元件 如果在压电元件两表面上加以电压 由于电场的作用 造成压电元 件内部正负场荷中心产生相对位移 导致压电元件的变形 这种现 象称为逆压电效应 逆压电效应反映了压电材料具有将电能转变成机械能的能力 利用 逆压电效应 可以将压电材料制成动作元件 将压电元件嵌入结构 中 可以使结构变形或改变应力状态 常用的压电材料有石英晶体 压电陶瓷 聚偏二氟乙烯 PVDF 和压 电复合材料 其中 压电复合材料是2O世纪8O年代兴起研究的一种新材料 它是 将压电陶瓷相和聚合物相按一定连通方式 一定体积 或质量 比例 和一定的空间几何分布复合制成的 它可以成倍地提高材料的某些压电性能 并具有常用压电陶瓷所没 有的优良性能 利用压电智能材料降低车内噪声是通过对车身振动的主动控制来实 现的 其基本原理是把分别作为传感器和驱动器的压电元件粘贴或嵌入车 身结构 如板 壳 梁 中 传感器感受车身结构振动 产生相应的 振动信号并反馈给电子控制单元 ECU 经相应的控制算法进行处理 后生成相应的控制信号 控制信号再经功率放大后 驱动驱动器使 车身结构产生应变以改变结构的动态阻尼 实现对振动的主动控制 从而抑制和衰减结构对车内辐射的噪声 其原理见图2 图2压电智能材料振动控制系统原理图6形状记忆合金的应用普通金 属材料 当其内部应力超过其弹性极限时将产生塑性变形 由于塑 性变形不可逆转 卸载之后材料的变形不可恢复到原始状态 形状记忆合金的形状记忆效应是指材料能够记住它在高温状态下的 形状 即处于低温下的形状记忆合金在外力作用下产生变形后 如 果将其加热超过材料的相变点 它就会恢复到原来高温状态下的形 状 此外形状记忆合金还具有超弹性性能 它的应力与应变之问呈现出 迟滞循环效应 其弹性和超弹性变形量可分别达到2 和8 常用的形状记忆合金有NiTinol合金 镍钛合金 利用形状记忆合金的独特性能 可以设计出形状记忆合金减振垫片 用在变速器齿轮等传动系零部件中 当汽车运行时 传动系零部件温度逐渐升高 由于各零部件材料的 膨胀系数不同 传动系的工作状况逐渐变差 导致振动和噪声增大 记忆合金减振垫片的弹性恢复力随温度升高而增大 它的合理使用 能够增加传动系零部件热膨胀后的坚固力 从而达到稳定工作状态 和减振降噪的目的 7结束语到目前为止 智能材料和结构的研究尚处于发展阶段 距离 成熟技术和实用阶段还有一定的差距 但实现智能结构的关键硬件 基础 控制逻辑 微处理器 信号适调放大器 AD DA数字计算元 件以及实现上述电子元器件问数据传递的总线结构等硬件已经具备 集成于结构内部的技术已通过可行性研究 并取得了一定的进展 尽管其应用现在主汽车技木材料 工艺 设备 flexforming技术在 汽车工业中的应用清华大学机械系单忠德颜永年费小琛张人佶 abs tract the flexformingtechnolog y is日rapid prototyping technologyofmotorvehicle body the paperexplains indetail the formin gprinciple formin gptoe se8and processingfeatures ofthe f lexforming technology analyzes the applicationsof flexfomdng technologyin automtiveindust both indomestic andabroad provides afavourable technicalguarantee formodel design prototype vehicleproduction andsmall batchproduction ofmotor vehicles n oles thatthe technologyisnot onlyt heflexible ma n ufacturefrom thepoint0f viewo fformingtyp ebut alsotheflexiblemanufacturefromthe pointof viewof manufacturetyp e theflexible manufactureof bodystamping p f flscan berealized witha lowcost hi aauracyhi qualityand shortproduction cycle 精要 flexforming技术是一种汽车车身快速试制技术 详细论述了Flexforming技术的成形原理 成形工艺过程及工艺特点 分析了Flexformin g技术在国内外汽车工业中的应用 为汽车的车型设计 样车生产和 小批量制造提供了有利的技术保证 指出该技术不仅从成形方式上是柔性制造 而且从制造方式上也是 柔性制造 实现了车身冲压件的低成本 高精度 高质量和周期短 的柔性制造 o cwordsSheet metFormin Proceming Fexible manufacturesystem主题词板材成形工艺过程柔性制造系统中圈分类 号U463 82 06A1000 3703 xx o7 0029 031前言目前我国的绝大多数汽车厂车身开发试制手段非常落后 车 身的大型覆盖件往往以钣金 手工工艺为主 使用少量的胎具和机 械化工具 配备少量的拉延成形模具 产品的质量在很大程度上靠 手工工艺来保证 质量稳定性差车身的装配是采用修配的办法来保 证装配间隙的 焊接时 除点焊外 还大量采用气焊 电弧焊及二 氧化碳气体保护焊 在涂装工序中 为了获得平整的车身表面 需在零件表面刮腻子 挂锡和打磨 表面处理采用手工清洗和喷漆 所有工序主要靠手工工艺来完成和保证质