環(huán)氧樹(shù)脂型阻尼材料對(duì)白車身NVH性能的影響研究
汽車NVH(Noise、Vibration、Harshness)是汽車噪聲、振動(dòng)和舒適性等各項(xiàng)指標(biāo)的總稱。白車身NVH是整車NVH的基礎(chǔ),白車身的NVH水平直接影響整車NVH性能的表現(xiàn)。在白車身上布置阻尼材料有減振降噪的作用。瀝青是當(dāng)前應(yīng)用較為成熟且廣泛的阻尼材料,但是其對(duì)環(huán)境具有一定的污染且釋放出一些有害物質(zhì),環(huán)保性能較差。樹(shù)脂型阻尼材料阻尼性能優(yōu)于瀝青阻尼材料,同時(shí)樹(shù)脂對(duì)人體及環(huán)境無(wú)危害。因此,樹(shù)脂型阻尼材料已經(jīng)成為車身阻尼材料發(fā)展趨勢(shì)。
本文主要研究環(huán)氧樹(shù)脂型阻尼材料對(duì)白車身減振性能的影響。首先,闡述阻尼材料減振降噪的基本原理,并簡(jiǎn)單介紹了環(huán)氧樹(shù)脂材料;然后,對(duì)有無(wú)環(huán)氧樹(shù)脂型阻尼材料兩種狀態(tài)的白車身進(jìn)行了激振器振動(dòng)傳遞函數(shù)的測(cè)試;最后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析,得出環(huán)氧樹(shù)脂型阻尼材料對(duì)白車身振動(dòng)性能的影響。
1 阻尼材料減振的基本原理
1.1 阻尼現(xiàn)象
當(dāng)物體受到外界激勵(lì),會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)外界激勵(lì)停止時(shí),物體的振動(dòng)會(huì)慢慢停止。這是由于空氣中有阻尼,消耗了振動(dòng)的能量,激勵(lì)停止后,振動(dòng)也將停止。所有的物體或者結(jié)構(gòu)都存在阻尼,不同的材料阻尼因子具有較大的區(qū)別。因此研究不同材料的阻尼對(duì)減少鈑金振動(dòng)與聲輻射具有重要意義。
1.2 阻尼模型
車身上很多結(jié)構(gòu)存在阻尼,其屬于內(nèi)部阻尼,都屬于黏彈性阻尼,建立黏彈性阻尼模型。為了簡(jiǎn)化,通過(guò)單自由度系統(tǒng)描述帶阻尼的系統(tǒng)方程,如圖2所示,系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為:
式中,為系統(tǒng)的質(zhì)量,為系統(tǒng)的剛度,為系統(tǒng)的位移,為外力,為系統(tǒng)的阻尼力。黏彈性模型中阻尼力與運(yùn)動(dòng)速度成正比,,為阻尼系數(shù),代入式(1)可得:
定義阻尼比為:其中,為臨界阻尼,為系統(tǒng)的固有頻率。
對(duì)于自由振動(dòng)系統(tǒng)式(2)可以代寫為:
解微分方程(3),可以得到系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)為:
其中,為系統(tǒng)初始位移,從式(5)可知,振動(dòng)幅值的衰減由阻尼比決定的[1]。
為了從能量的角度衡量振動(dòng)的衰減,引入損耗因子,在表達(dá)式上損耗因子
,這是兩者的數(shù)學(xué)關(guān)系,在物理上兩者表達(dá)了不同的意義。阻尼比
表述幅值的衰減,損耗因子
表示能量的衰減。
1.3 環(huán)氧樹(shù)脂阻尼材料
1.3.1 材料的簡(jiǎn)介
車身阻尼材料主要分為:黏彈性阻尼材料,高阻尼合金材料,復(fù)合阻尼材料和智能阻尼材料。工程上應(yīng)用最廣泛的為黏彈性阻尼材料。本文也以黏彈性阻尼材料為研究對(duì)象。黏彈性阻尼材料也分為:瀝青阻尼材料,橡膠阻尼材料和水基阻尼材料。
環(huán)氧樹(shù)脂阻尼材料屬于黏彈性阻尼材料中的水基阻尼材料。它是以樹(shù)脂為基材,添加云母、碳酸鈣、石墨等填充材料組合而成。樹(shù)脂是天然高聚合物中獲取,因此它對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染,對(duì)人體也無(wú)危害,即其為一種安全,可靠的阻尼材料,應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大。該種材料已經(jīng)成為汽車車身阻尼材料的發(fā)展趨勢(shì)。
1.3.2 材料的阻尼性能
為獲得環(huán)氧樹(shù)脂阻尼材料的損耗因子,采用SAEJ1637《支撐鋼桿的材料復(fù)合振動(dòng)阻尼特征實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法》。利用該方法測(cè)量得到環(huán)氧樹(shù)脂型阻尼材料與瀝青阻尼材料的損耗因子為:如圖1所示。
圖1 樹(shù)脂型阻尼材料與瀝青阻尼材料損耗因子對(duì)比
2 環(huán)氧樹(shù)脂型阻尼材料對(duì)白車身NVH性能影響的試驗(yàn)
2.1 試驗(yàn)方案
選取兩臺(tái)相同的白車身,其中一臺(tái)白車身貼有環(huán)氧樹(shù)脂阻尼材料,另外一臺(tái)不貼阻尼材料。對(duì)比兩臺(tái)白車身的振動(dòng)傳函,根據(jù)振動(dòng)傳函分析出阻尼材料對(duì)白車身NVH性能的影響。
為了能夠在白車身合適的位置布置阻尼材料,根據(jù)模態(tài)應(yīng)變能布置環(huán)氧樹(shù)脂型阻尼材料。在實(shí)車上如圖3所示,在前隔板,前地板,后地板,備胎艙等區(qū)域布置了阻尼材料。
圖3 樹(shù)脂型阻尼材料在布置
2.2 試驗(yàn)過(guò)程
為了能夠準(zhǔn)確測(cè)量得到白車身振動(dòng)傳函,需要使白車身處于自由狀態(tài),即通過(guò)空氣彈簧支起白車身,如圖4所示。
為了能夠完整的激勵(lì)起白車身,選取車身局部剛度較大的點(diǎn)作為激勵(lì)點(diǎn),選取兩個(gè)激勵(lì)點(diǎn)。如圖5所示,選取右前大梁的點(diǎn)激勵(lì)x向與z向,選取后懸硬點(diǎn),激勵(lì)z向。通過(guò)激振器對(duì)白車身進(jìn)行激勵(lì)。
響應(yīng)點(diǎn)的位置分別分布在前圍,前地板,中地板,備胎倉(cāng)。布置有阻尼材料的白車身與不布置阻尼材料的白車身測(cè)量傳函時(shí)所有的激勵(lì)點(diǎn)與響應(yīng)點(diǎn)的位置都保持一致。
2.3 試驗(yàn)結(jié)果
在前圍板,前地板,中地板,備胎倉(cāng)各選取一個(gè)響應(yīng)點(diǎn)。由于阻尼材料影響的頻率范圍為:200~500Hz[1],因此,關(guān)注100~600Hz之間的傳遞函數(shù)。測(cè)得其傳遞函數(shù)如圖6所示
圖6 傳遞函數(shù)對(duì)比曲線
3 結(jié)語(yǔ)
根據(jù)對(duì)比曲線得到200-500Hz之間傳遞函數(shù)的均方根值(RMS),如表1。布置樹(shù)脂型阻尼材料比無(wú)樹(shù)脂阻尼材料的白車身振動(dòng)傳遞函數(shù)總體上小50%,因此可以判斷樹(shù)脂型阻尼材料對(duì)白車身減振效果顯著。
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