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1、减振降噪的智能材料 李卓 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
2、振动和噪声的控制开辟了新的途径 车辆内部噪声的来源十分复杂 但可以从两个传播途径加以分类 即固体传播和空气传播 具体来讲 产生车内噪声的主要振动源和声源有 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 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 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
3、生的高频空气噪声则由空气传至车内 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 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
4、 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 以下具体介绍几种智能材料和结构在汽车减振降噪方面的应用 可控制智能流体的应用可控离合器和
5、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 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
6、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 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 当电极两侧不加电压时 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
7、大 这样的悬置具有高的静态刚度 以及在20 40hz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 压电智能材料的应用 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 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 聚偏二氟乙烯和压电复合材料 其中 压电复合材料是20世纪80年代兴起研究的一种新材料 它是将
8、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 形状记忆合金的应用 普通金属材料 当其内部应力超过其
9、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 它的应力与应变之间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
