Zastosowanie elastomerów magnetoreologicznych w transporcie

Transkrypt

1 SKALSKI Paweł 1 Zastosowanie elastomerów magnetoreologicznych w transporcie WSTĘP Stale rosnące wymagania stawiane współczesnym urządzeniom i maszynom, a w szczególności konstrukcjom lotniczym czy samochodowym coraz trudniej realizować w oparciu o materiały klasyczne. Poszukuje się wciąż nowych materiałów, które pozwoliłby na lepszą konstrukcję środków transportu. Zastosowanie materiałów magnetoreologicznych może zwiększyć wydajność i niezawodność niektórych systemów, a nawet umożliwia zaprojektowanie układów, które nie były stosowane w starszych generacjach samochodów czy statków powietrznych. Materiały magnetoreologiczne (MR) należą do grupy materiałów inteligentnych (ang. smart materials), których właściwości reologiczne wrażliwe są na obecne pole magnetyczne. Pierwsze materiały magnetyczne zostały opracowane przez Rabinowa w 1948 roku, były to tzw. ciecze magnetoreologiczne. Aktualnie wśród materiałów MR wyróżnia się kilka typów: ciecze MR (MRF), pianki MR, żele MR, pasty MR i elastomery MR (MRE). Najbardziej rozpowszechnione są obecnie ciecze MR [1], [5]. MRF są to stabilizowane dyspersje cząstek magnetycznych w ciekłym ośrodku dyspersyjnym, najlepiej o znacznej lepkości. MRF dzięki możliwości szybkich zmian właściwości reologicznych w polu magnetycznym już znalazły zastosowanie w przemyśle samochodowym, np. firma LORD wprowadziła na rynek hamulce, sprzęgła, tłumiki o kontrolowanej charakterystyce [5]. Elastomery MR są stałymi analogami MRF, mogą być rozwiązaniem niedogodności MRF, jakim jest sedymentacja. Elastomery MR to kompozyty, w których cząstki magnetyczne rozproszone są w matrycy elastomerowej. Zwykle jako matrycę polimerową wybiera się bardzo miękkie elastomery typu plastyfikowanych silikonów czy miękkich poliuretanów. Napełnia się je w dużym stopniu cząstkami magnetycznymi, nawet do 30 % objętościowych, co jest przyczyną znacznego pogorszenia właściwości mechanicznych, w przypadku elastomerów silikonowych i tak bardzo słabych. W MRE opartych na miękkich silikonach i poliuretanach obserwuje się znaczną efektywność magnetyczną, jednak okupiona jest ona słabymi właściwościami mechanicznymi uniemożliwiającymi stosowanie ich w rzeczywistych rozwiązaniach inżynierskich [5]. W celu otrzymania kompozytów o dobrych właściwościach mechanicznych prowadzone są prace nad MRE będącymi kompozycjami opartymi o wulkanizowane kauczuki naturalne. Kompozyty te również napełnia się dużymi ilościami cząstek magnetycznych, nawet do 50% objętościowo. W przypadku np. kompozytów opartych na kauczuku naturalnym nie powoduje to drastycznego spadku właściwości mechanicznych. Takie materiały nadają się do zastosowań inżynierskich, mogą być przydatne do budowy inteligentnych wibroizolatorów czy struktur o zmiennym kształcie (struktur morficznych) stosowanych w technice lotniczej. Struktury morficzne pozwalają one na zmianę właściwości aerodynamicznych powierzchni nośnych i sterowych podczas lotu, zwiększając przez to efektywność lotu [10]. Elastomery MR na bazie kauczuku naturalnego znajdują zastosowane nie tylko w przemyśle lotniczym, ale również i w branży motoryzacyjnej. Wiele prac realizowanych jest w firmach FORD oraz General Motors. W związku ze zwiększającą się popularnością elastomerów magnetoreologicznych, autor pracy dokonał przeglądu obecnych jak i potencjalnych zastosowań MRE w transporcie, uwzględniając przemysł samochodowy i lotniczy [5]. 1 Instytut Lotnictwa, Centrum Nowych Technologii; Warszawa; Al. Krakowska 110/114. Tel.: ; pawel.skalski@gmail.com. 4398

2 1. ELASTOMERY MR W PRZEMYŚLE SAMOCHODOWYM Elastomery magnetoreologiczne mają duży potencjał, który może zostać wykorzystany w branży motoryzacyjnej. Jednym z rozwiązań zawierających elastomer MR jest patent [11] dotyczący regulacji sztywności elementu zawieszenia pojazdu przez zastosowanie tulei o regulowanej sztywności. W rozwiązaniu tym elastomer magnetoreologiczny został umieszczony pomiędzy dwoma tulejami, z których wewnętrzna połączona jest z ruchomym elementem zawieszenia, natomiast zewnętrzna z nadwoziem. Dodatkowym elementem układu jest cewka (umieszczona pomiędzy kompozytem a wewnętrznym cylindrem), w której indukowane jest pole magnetyczne regulujące sztywność kompozytu magnetoreologicznego. Rozwiązanie to może zmniejszyć nadsterowność i podsterowność samochodu, a także ograniczyć hałas wywoływany drganiami nadwozia. Podobne rozwiązanie wykorzystano do eliminacji drgań tarcz hamulcowych [12]. Wykorzystano w nim opisany już element składający się z dwóch tarcz cylindrów rozdzielonych warstwą elastomeru magnetoreologicznego. Sztywność kompozytu zmienia się przez regulowanie natężenia prądu płynącego w cewce nawiniętej na warstwie elastomeru. Wartość natężenia prądu zadawana jest przez system sterujący na podstawie danych przesyłanych z czujnika w układzie hamulcowym. W dostępnej literaturze tematu, można odszukać metodę szybkiej regulacji parametrów fizycznych elastomerowych elementów w samochodach [4]. W tradycyjnych rozwiązaniach elementy elastomerowe, czyli między innymi tuleje w zawieszeniu, elementy mocowania silnika, układu przeniesienia napędu czy układu wydechowego mają niezmienne właściwości fizyczne. Zastępując je elastomerami magnetoreologicznymi i dodając układ sterujący, można regulować ich sztywność, a przez to między innymi poziom hałasu, drgań, eliminować tzw. nurkowanie pojazdu podczas hamowania, nadsterowność, podsterowność. W firmie Thyssen Krupp AG opracowano kolumnę kierownicy z adaptacyjnym systemem pochłaniającym energie w czasie wypadku, w którym jednym z elementów zastosowano elastomer magnetoreologiczny [6]. Rozwiązanie to różni się od poprzedniego zawierającego element z blachy pochłaniający energię tym, że nowe rozwiązanie z MRE uwzględnia takie czynniki jak: prędkość pojazdu czy masa kierowcy. W General Motors opracowano układ absorbujący energię uderzenia podczas wypadku [2]. Może on być zainstalowany w zagłówkach, w fotelach, w desce rozdzielczej, w drzwiach czy nad głowami kierowcy i pasażerów. Opatentowane rozwiązanie jest zbudowane ze sztywnej podstawy i elastycznej pokrywy. Wewnątrz znajdują się cylindryczne elementy z elastomeru magnetoreologicznego, wokół których nawinięta jest cewka. Cały układ wyposażony jest w czujniki oraz system sterujący Patentuje się wciąż nowe rozwiązania mające na celu zastosowanie elastomerów magnetoreologicznych, mających typowo motoryzacyjne zastosowania. W GM opracowano np. system zaczepów zawierających w swej budowie elastomer MR, rozłączanych polem magnetycznym [8]. System ten może być stosowany aby eliminować wibracje. Zaczepy otwierane i zamykane przy użyciu pola magnetycznego wykorzystano do opracowania całego systemu rozłącznego mocowania różnych podzespołów samochodu, np. zamykanie pokrywy bagażnika czy drzwi [8]. Proponowane rozwiązanie ułatwia zamykanie oraz otwieranie pokrywy, a także absorbuje więcej energii podczas wypadku niż tradycyjne jednopunktowe zamki. Innym przykładem zastosowania elastomerów magnetoreologicznych w przemyśle samochodowym jest system redukcji drgań samochodowego wału napędowego [9]. W tym rozwiązaniu tłumik, ograniczający przenoszenie drgań z wału napędowego na nadwozie, jest mocowany do przegubu. Zbudowany jest z dwóch pierścieni zewnętrznego i wewnętrznego, pomiędzy którymi umieszczony jest pierścień wykonany z elastomeru magnetoreologicznego. Pole magnetyczne zmieniające jego sztywność uzyskuje się dzięki zastosowaniu śrub wykonanych z materiału paramagnetycznego. Zmianę natężenia pola magnetycznego, indukowanego w elastomerze magnetoreologicznym, wywołuje się przez dokręcenie lub odkręcenie śrub tak, aby dostroić tłumienie do częstotliwości drgań wału napędowego. Z wykorzystaniem elastomeru magnetoreologicznego buduje się adaptacyjne tłumiki drgań [7]. Proponowane urządzenie może być rozwiązaniem pośrednim między tłumikami dostrojonymi tylko 4399

3 do konkretnej częstotliwości wymuszenia, a aktywnymi systemami tłumiącymi, które w zależności od wymuszenia mogą dostarczyć energię do układu. Tłumik adaptacyjny z elastomerem magnetoreologicznym można dostrajać w czasie rzeczywistym do sygnału wymuszającego, dzięki czemu może znaleźć szersze możliwości zastosowania niż urządzenie o stałej charakterystyce, zachowując jednocześnie niską cenę. W przemyśle samochodowym stosuje się elastomery magnetoreologiczne, np. w konstrukcji pokrywy silnika lub bagażnika [3]. W proponowanym rozwiązaniu opracowanym w General Motors Corporation oraz University of Michigan, pokrywa, która podczas normalnej eksploatacji znajduje się blisko silnika lub bagażu, w momencie wypadku odkształca się tak, aby zwiększyć możliwość absorbcji energii. Przedstawione powyżej rozwiązania są w fazach prototypowania, a niektóre z nich są już wdrażane do konkretnych zastosowań. 2. ELASTOMERY MR W PRZEMYŚLE LOTNICZYM Lotnictwo jest gałęzią przemysłu gdzie stosowane są najnowsze i najbardziej zaawansowane materiały i technologie. Zastosowanie konstrukcji inteligentnych niewątpliwie dostarcza korzyści przemysłowi lotniczemu. Zwiększenie komfortu pasażerów i załogi przez redukcję drgań i hałasu, wzrost systemów i elementów życia strukturalnego, poprawa precyzyjnego wskazywania i wykrywania na pokładzie czujników elektrooptycznych i podczerwieni są to korzyści wynikające m.in. z zastosowania innowacyjnych struktur inteligentnych. Od konstrukcji zawierających w swojej budowie materiały inteligentne oczekuje się możliwości monitorowania stanu konstrukcji, uszkodzeń oraz samonaprawy [1], [10]. Materiały kompozytowe są obecnie szeroko stosowane. Oferują one dużo lepsze korzyści porównywalne do stopów metali, takie jak zmniejszenie wagi, zwiększenie mocy i lepszą odporność na korozję. Jednak materiały kompozytowe różnie reagują na obciążenia i drgania. Pękniecie komponentu metalowego jest stopniowe i przewidywalne, podczas gdy materiały kompozytowe cierpią na wyraźne urazy wskutek przypadkowych uszkodzeń o nieprzewidywanym i przypadkowym charakterze. Rozwiązaniem na te problemy może być kompozytowy elastomer magnetoreologiczny, ze względu na swój elastyczny charakter oraz kontrolowanie właściwości materiału przez przyłożone pole magnetyczne. Obserwacja lotów ptaków przyczyniła się do powstania technologii morfingu. W lotnictwie słowo morfing jest stosowane w odniesieniu do ciągłej zmiany kształtu, elementy struktury poruszają się względem siebie, a cała struktura odkształca się w sposób całościowy. Na przykład, skrzydło samolotu może zmienić swoją powierzchnię i wypukłość przez morfing. Pozwala to uniknąć luk w skrzydle oraz nagłych zmian przekroju, które mogą powodować znaczne starty aerodynamiczne, hałas i drgania w samolocie. Do struktur morficznych często stosuje się elastyczne poszycia, warstwy pokrywającą strukturę morficzną. Inteligentna warstwa powinna czuć co dzieje się w otoczeniu (zbierać informacje o ciśnieniu, prędkości, gęstości lub zmiany temperatury). W wyniku procesu przetwarzania informacji, inteligentne poszycie reaguje na bodźce zewnętrzne takie jak: pole elektromagnetyczne, ciśnienie, temperaturę i światło, w czasie rzeczywistym [10], [14]. W technice lotniczej stosowane są przede wszystkim ciecze MR, które zmieniają swoje właściwości reologiczne pod wpływem pola magnetycznego. Ciecze MR mogą także osiągać konsystencję semi- ciała stałego w czasie kilku milisekund. Te cechy materiałów magnetoreologicznych są wykorzystywane do aktywnego tłumienia drgań mechanizmów. W polskim zgłoszeniu patentowym [13] opisano profil lotniczy o zmiennym kształcie z elastyczną powłoką z materiału aktywnego (elastomeru magnetoreologicznego) umożliwiającym zmianę właściwości aerodynamicznych skrzydła samolotu lub łopaty wiropłatu podczas lotu. Kluczowym wyzwaniem w tworzeniu struktury morficznej jest opracowanie poszycia inteligentnego, zdefiniowanego jako warstwa ciągła materiału, która rozciąga się nad strukturą morficzną, tworząc gładką powierzchnię. 4400

4 Takim poszyciem, może zostać elastomer magnetoreologiczny bazujący na kauczuku naturalnym. Prowadzone są badania pod kątem zawartości pyłu karbonylkowego, odpowiedzialnego za zmianę reologii materiału w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Pierwsze testy wykazały, że właściwości tego materiału mogą być sterowane przez zmianę zewnętrznego pola magnetycznego, proces jest całkowicie odwracalny, a materiał magnetoreologiczny dobrze rokuje w rozwiązaniach konstrukcyjnych struktur morficznych. Na rys. 1 przedstawiono nowy elastomer magnetoreologiczny do zastosowań w strukturach lotniczych [10]. Rys 1. Elastomer magnetoreologiczny Materiał elastyczny jest idealnym materiałem do zastosowania w strukturze morficznej jako inteligentne poszycie. Jednakże zanim zostanie z powodzeniem zastosowany w strukturze lotniczej wymaga szeregu badań w celu dokładnego zbadania jego właściwości mechanicznych i magnetycznych oraz właściwego zoptymalizowania jego składu materiałowego. Jest to propozycja autora pracy do dłuższej refleksji nad wykorzystaniem membran, błon, powłok magnetycznych, tak aby w sposób kontrolowany za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego móc kontrolować powierzchnię struktury i świadomie wpływać na wartość siły aerodynamicznej, czy móc kontrolować poziom drgań i hałasu. WNIOSKI W literaturze tematu pojawia się bardzo dużo rozwiązań teoretycznych z zastosowaniem elastomerów magnetoreologicznych. W branży motoryzacyjnej jest zgłaszana duża liczba patentów wykorzystujących kompozyty magnetoreologiczne. W przemyśle lotniczym elastomery magnetoreologiczne stają się pożądane w zastosowaniach do struktur morficznych. Stymulacja zewnętrznym polem magnetycznym powoduje w elastomerach magnetoreologicznych nieliniową i odwracalną zmianę reologiczną. W odróżnieniu od cieczy MR, pracujących powyżej granicy plastyczności, typowy obszar pracy elastomerów magnetoreologicznych mieści się poniżej tej granicy. Materiały te uzupełniają się nawzajem. Właściwości mechaniczne elastomerów magnetoreologicznych predestynują je do tłumienia drgań. Mogą one znaleźć zastosowanie w nowatorskich tłumikach elastycznych ze zmienną charakterystyką, w zastosowaniach militarnych, do otrzymywania struktur pochłaniających fale magnetyczne, w przemyśle stoczniowym jako balast magnetyczny. Cały czas podejmowane są prace, które w swojej domenie mają elastomer magnetoreologiczny. Zwiększa się liczba publikacji jak i patentów, w których opisywane są zastosowania mre w transporcie. Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/01/D/ST8/ Streszczenie Właściwości elastomerów magnetoreologicznych mogą być kontrolowane za pomocą pola magnetycznego. Wiele materiałów magnetoreologicznych zostało wynalezionych ponad 30 lat temu, ale ich rozwój przez 4401

5 ostatnie trzy dziesięciolecia pozwala na ich wiele różnych zastosowań. Elastomery magnetoreologiczne ze względu na swój charakter tłumienia drgań, w obecności kontrolowanego pola magnetycznego ma duże możliwości zastosowań w transporcie. W przemyśle samochodowym coraz częściej patentowane są nowe rozwiązania zawierające w swojej budowie elastomery magnetoreologiczne. Morfing w zastosowaniach lotniczych cieszy się coraz większym zainteresowaniem, ze względu na możliwość zwiększenia wydajności i efektywności lotu. Dzięki elastomerom MR możliwy staje się rozwój nowych struktur lotniczych. Słowa kluczowe: elastomer magnetoreologiczny, transport, zastosowanie Magnetorheological elastomers in transport applications Abstract Magnetorheological elastomers have properties that can be altered by magnetic field. Many magnetorheological materials were invented more than 30 years ago, but their development and improvement over the past three decades has led to new, more varied uses of these adaptable materials. Magnetorheological elastomers due to their nature vibration damping in the controlled magnetic field have great potential in transport applications. In the automotive industry are increasingly being patented new solutions containing in its structure magnetorheological elastomers. The morphing technology on aircraft has found increased interest over the last decade because it is likely to enhance performance and efficiency over a wider range of flight conditions. With the magnetorheological elastomers becomes development of new aircraft structures, it is more possible. Key words: magnetorheological elastomer, transport, application. BIBLIOGRAFIA 1. Akhras G., Smart Materials and Smart Systems for the Future, Canadian Military Journal, Autumn Barvosa-Carter W., Johnson N.L., Browne A.L., Reversibly expandable energy absorbing assembly utilizing actively controlled and engineered materials for impact management and methods for operating the same, US patent B2, Brei D., Redmond J., Wilmont A.L., Browne N.A., Johnson N.L., Jones G.L., Hood lift mechanisms utylizing active materials and methods of use, EU patent EP A2, Elie L.D., Ginder J.M., Mark J.S., Nichols M.E., Stewart W.M., Method for allowing rapid evaluation of chassis elastomeric devices in motor vehicles, US patent , Kaleta J., Materiały magnetyczne SMART. Budowa, wytwarzanie, badanie właściwości, zastosowanie, Oficyna Politechniki Wrocławskiej Klukowski C., Steering column for a motor vehicle, US patent A1, Lerner A.A., Cunefar K.A., Adaptable vibration absorber employing a magnetorheological elastomer with a variable gap lenght and methods and systems therefor, US patent B2, Ottaviani R.A., Ulicny J.C., Golden M.A., Magnetorheological nanocomposite elastomer for releasable attachment applications, US patent B2, Radolato A.R., Pawłowski R.P., Tunable slip yoke damper assembly, US patent B2, Skalski P, Materiał inteligentny do zastosowania w strukturach lotniczych, Logistyka 6/ Watson J.R., Method and apparatus for varying the stiffness of a suspension busing, US patent , Stewart W.M., Ginder J.M., Ellie L.D., Nicholas M.E., Method and apparatus for reducing brake shudder, US patent , Skalski P., Parafiniak M., Wysokiński D., Bednarski M., Profil lotniczy o zmiennym kształcie z elastyczną powłoką z materiału aktywnego, P , data zgłoszenia Thill C., Etches J.A., Bond I.P., Potter K.D., Weaver P.M., Morphing skins, The Aeronautical Journal, Vol. 112 (1129), p ,