汽车碰撞磁流变缓冲器性能研究

(重庆交通大学交通运输学院 重庆 400074)

磁流变缓冲器是依据磁流变材料的磁流变效应制成的半主动可控缓冲器，通过改变激励电流，从而实现对缓冲器内部磁场控制，使通道内介质的流变特性发生变化，从而达到动态调节缓冲力的目的[1]。它具有阻尼连续可调、响应速度快、动态范围广、功耗低等特点，在建筑防震、汽车减震等方面得到了实际应用。

但磁流变缓冲器缓冲性能涉及各方面，且受结构、磁流变材料特性、控制策略、工况及工作条件影响较大[2]。现有研究主要基于理论模型、软件仿真以及试验相结合等方法，对其阻尼特性、响应速度、吸能量及控制策略等方面进行分析。但现有的缓冲器缓冲性研究也没有形成一套客观、准确且适用于评价各类磁流变缓冲器缓冲性能的表征参数及试验测试方法。

一、磁流变缓冲器缓冲性能研究现状

(一)阻尼特性

缓冲器的阻尼特性通常从示功特性和速度特性两个方面进行综合评估，以判定其性能优劣。磁流变缓冲器以具有磁流变效应的磁流变材料为介质，通过外加电流来改变缓冲器的阻尼特性。国内外许多学者基于试验或软件仿真，对各类磁流变缓冲的阻尼特性做了大量研究。简晓春[3]等人基于Bingham模型建立了缓冲器力学模型，并深入研究了缓冲器结构参数对缓冲器阻尼特性的影响，为缓冲器的结构优化设计提供了依据。美国弗吉尼亚理工大学Mehdi Ahmadian[4]，研究了磁流变液在火炮冲击下的载荷特性，研究结果表明在冲击过程中磁流变液出现了自锁现象，区别于低速下，阻尼力并不随着磁场变化。

(二)响应速度

磁流变缓冲器通过外加电流改变其阻尼特性，且碰撞冲击所持续时间极其短，往往只有几百毫秒，为了有效地调控缓冲器的阻尼特性，就要求缓冲器具有极快的响应速度。国外学者通过磁流变减振器的响应时间进行试验研究，提出了响应时间的定义，研究了控制电流、速度对响应时间的影响。在国内有学者认为影响磁流变阻尼器响应时间的主要因素是流体的动力粘度和平板间隙，而流变液的剪切屈服强度和平板两端压差不影响磁流变减振驱动器的响应时间。周玉丰[5]以电磁场、电路理论为基础，分析影响磁流变阻尼器响应时间的各种因素，提出了从磁路设计方向来改善阻尼器动态响应的措施。

(三)控制策略

由于磁流变缓冲器具有强非线性特性，为了充分利用其缓冲性能，需要缓冲器依据不同的工况实现实时、准确地获得理想的控制电压或电流，则对磁流变缓冲器控制策略有较高的要求。Wahed[6]等较早研究了将磁流变技术应用于自适应防爆装置中，研究结果表明磁流变技术有较好的可控性。目前用于磁流变缓冲器的控制方法主要有Skyhook控制、滑模控制和自适应模糊控制方法等，其中Skyhook控制策略只能实现开关控制且会产生自激现象；滑模控制要测量减振器的力；自适应模糊控制计算量大。在控制过程中使用的参数化模型有些拟合效果较差，有些非线性较强难以处理；非参数化模型普遍计算量大，在实际应用中难以获得满意的效果。

二、磁流变缓冲器缓冲性能评价指标

(一)加速度特性

汽车碰撞过程中，车内乘员各部位伤害指标与碰撞加速度息息相关，尤其是碰撞加速度波形、峰值加速度大小及其持续时间等因素将对乘员伤亡情况有直接影响。因此，加速度特性是评价磁流变缓冲器缓冲性能的一个重要指标。

加速度波动特性直接影响乘员的冲击响应，加速度波动越剧烈，出现二次碰撞的可能性越大。将碰撞加速度实际曲线进行一系列变化，转化为基本加速度波形(如图1)。

图1 加速度与时间关系图

上升阶段。缓冲器波纹管发生变形，挤压通道内流体流通，流体流动过程中产生剪切现象。胶泥本身的粘性摩擦及与通道的避免摩擦阻碍会阻碍胶泥流动，导致缓冲器变形受阻，近似增加缓冲的刚度，引起碰撞冲击力的急剧增加，进而锤头会受到较大的冲击加速度。

平稳阶段。在冲击力作用下，缓冲器上部波纹管发生连续变形，波纹管相邻波之间逐渐发生壁面接触，碰撞冲击力达到最大，并呈现相对平稳状态。

下降阶段。经过前两个阶段后，碰撞能量逐渐被耗散，冲击力逐渐减小。同时由于部分以弹性势能储存的冲击能量被逐渐释放，缓冲器波纹管出现一定程度的回弹，碰撞加速度降低，此后在较小范围内波动，整个碰撞过程基本结束。

(二)载荷特性

1.弹性极限载荷

缓冲器在工作过程中,其载荷特性决定了乘员所受加速度大小，因此缓冲器的载荷特性非常重要。碰撞过程中缓冲器变形分三个阶段：纯弹性变形阶段、弹塑性混合变形阶段、完全塑性变形阶段。弹性极限载荷主要影响缓冲器在低速碰撞工况下的缓冲性能以及使用性能。弹性极限载荷过低时，轻微的碰撞并能使缓冲器产生较大的变形，进而会增加车辆的维修成本，影响缓冲器的使用性能。当弹性极限载荷过大时，在一定碰撞冲击下车辆的初始动能均转化为缓冲器结构的弹性应变能，当缓冲器结构达到最大弹性变形后，此弹性应变能将以回弹的形式完全释放出来，随之会引起对车内乘员和结构的二次伤害，因此缓冲器的弹性极限载荷不易太大。

2.峰值冲击载荷

峰值载荷为缓冲器在压溃变形中所产生的最大变形抗力，主要出现在碰撞过程的两个位置，一是刚开始屈曲时，即临界状态，主要决定于结构的弹塑性屈曲，另一个是在整个结构被完全压缩时，撞击力峰值会立刻迅速上升。撞击力峰值Fp主要与撞击质量、速度以及缓冲器的材料、结构等因素有关，此外峰值冲击载荷过大会造成缓冲器结构损坏，或致使缓冲器出现失稳现象，不利于缓冲吸能。综上，峰值冲击载荷的减小，对缓冲器结构保护以及乘员安全保护均具有非常重要的意义。

3.平均冲击载荷

平均冲击载荷Fm是表征缓冲器吸能特性的重要指标，通过缓冲器的平均冲击载荷，可以有效地评价缓冲器的缓冲性能，其定义为式：

式中

t——碰撞持续时间(s)；

F(t)——实时冲击载荷(N)。

平均冲击载荷反映缓冲器的吸能水平，压缩位移相等时，平均冲击载荷越大，缓冲器吸能量越大。然而，由于受汽车产品空间限制，缓冲器压缩位移不会太大，因此在相同压缩位移下，平均冲击载荷越大，缓冲器吸能量越多。

(三)冲程效率

研究表明，磁流变缓冲器的工作过程分三个阶段：弹性区、平台区及衰减区。磁流变缓冲器的冲击载荷—变形量曲线如图2所示。

图2 磁流变缓冲器冲击载荷-位移曲线

(1)弹性区 它存在于较小的应变范围内，一般ε<0.05，此区间内应力一应变曲线为直线，直线的斜率为缓冲器的综合刚度。

(2)平台区 当冲击超过缓冲器的极限弹性载荷时，缓冲器开始发生塑性变形。这一阶段的主要特征为随缓冲器变形量的增加，冲击载荷在平均载荷附近持续波动，此阶段为缓冲器吸能缓冲的主要阶段，对乘员的保护尤为重要。

(3)衰减区 由于大部分冲击能量在弹性区和平台区所耗散，阻尼器式缓冲器在此阶段所承受的冲击力较小，且不会发生压溃变形式缓冲器的加工硬化现象，因此冲击载荷持续降低。

(四)响应时间

汽车碰撞持续时间极其短暂，一般在150ms以内，响应时间对于缓冲装置而言是一个重要的性能指标，它直接决定了缓冲器的应用范围和吸能效果，是评价汽车碰撞缓冲器瞬态响应的一个重要指标。

三、小结

磁流变缓冲器的变阻尼、响应速度快、动态范围宽等优点，使得其在缓解震动、冲击等领域有较好的应用前景。虽然各国学者都进行了大量研究。但对于缓冲器缓冲性能的研究还主要借助仿真手段，但在性能测试试验方面的研究还不多因此需基于落锤冲击试验系统，从缓冲器的变形特点、载荷特性、加速度特性等方面研究缓冲器的缓冲性能，进而评价磁流变缓冲器的缓冲性能，为后续缓冲器结构优化及性能匹配提供一定依据。

【参考文献】

[1]杨成龙.汽车碰撞缓冲器性能评价及磁流变缓冲器性能研究[D].重庆交通大学,2017.

[2]傅莉，周彦凯，胡为.磁流变阻尼器缓冲控制方法研究[J].沈阳航空航天大学学报，2013，03：27-31.

[3]简晓春,吴春江,刘纯志,等.汽车磁流变脂碰撞缓冲器结构与阻尼特性研究[C].全国流变学学术会议.2014.

[4]Zhang X J,Farjoud A,Ahmadian M,et al.Dynamic Testing and Modeling of an MR Squeeze Mount[J].Journal of Intelligent Material Systems & Structures,2011,22(15):1717-1728.

[5]周玉丰,吴龙.汽车磁流变半主动悬架系统模糊控制仿真研究[J].中国农机化学报,2012(3):149-152.

[6]Wahed A E,Balkhoyor L.Characteristics of Magnetorheological Fluids under Single and Mixed Modes[J].Archive Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part C Journal of Mechanical Engineering Science 1989-1996(vols 203-210),2016.