《液阻懸置》第2章液阻懸置的能評(píng)價(jià)與實(shí)驗(yàn)研究.doc

第二章 液阻懸置的性能評(píng)價(jià)與實(shí)驗(yàn)研究第二章 液阻懸置的性能評(píng)價(jià)與實(shí)驗(yàn)研究2. 1 液阻懸置性能的評(píng)價(jià)參數(shù)液阻懸置或橡膠主簧靜態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)試其垂直方向和兩個(gè)水平方向的剛度，即力位移曲線。液阻懸置或橡膠主簧的動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)是在SCHENCK MHF電液振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣品與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的一端與實(shí)驗(yàn)臺(tái)的作動(dòng)頭端相連，另一端則固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，裝夾方式與液阻懸置裝于汽車上的實(shí)際情況相同。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先給實(shí)驗(yàn)樣品施加一定的預(yù)截荷，此預(yù)載荷等于液阻懸置所受到的發(fā)動(dòng)機(jī)的靜載荷，然后在作動(dòng)頭的一端施加位移激勵(lì)。記錄與作動(dòng)頭端相連的位移傳感器的位移信號(hào)和與固定端相連的力傳感器的信號(hào)。液阻懸置及其橡膠主簧的靜態(tài)力學(xué)性能，主要由其三向靜剛度來(lái)評(píng)價(jià)。體積剛度也是一種靜剛度，是液阻懸置動(dòng)特性仿真時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，是一種間接的特性評(píng)價(jià)指標(biāo)。動(dòng)特性主要有以下評(píng)價(jià)參數(shù)：1. 動(dòng)剛度和滯后角動(dòng)剛度和滯后角有以下兩種方法。1) 基于FFT計(jì)算的動(dòng)剛度和滯后角由于液阻懸置及其橡膠主簧的非線性，記錄的力信號(hào)中，不僅包括與激振頻率同階的信號(hào)，而且還包含其高階量。因此，表示為： （2-1）式中， 、為每階正弦力響應(yīng)的幅值和滯后角。定義復(fù)剛度為F()/F() （2-2）式中，F(xiàn)代表傅里葉變換，假定與激振圓頻率同階的力響應(yīng) 遠(yuǎn)大于及其高階響應(yīng)的幅值，則 (2-3) 定義時(shí)的復(fù)剛度為F()/F() (2-4)上式中，為存儲(chǔ)剛度，為損失剛度，動(dòng)剛度和滯后角的定義為： (2-5)動(dòng)剛度反應(yīng)了在一定的激振頻率下，響應(yīng)力的幅值與激振位移的幅值比；而滯后角反應(yīng)了位移滯后于力的角度，表征隔振元件阻尼的大小，工程上常用阻尼系數(shù)C表示，定義為： (2-6)2) 基于DIN 53513標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)剛度和滯后角2,83。此標(biāo)準(zhǔn)假定系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，即當(dāng)激勵(lì)位移為正弦時(shí)，其力響應(yīng)亦為正弦，以位移為橫座標(biāo)，力為縱坐標(biāo)，即得到系統(tǒng)的遲滯回線。記、分別為力和位移的幅值，為遲滯回線的面積，則動(dòng)剛度、滯后角可以由以下公式計(jì)算得到：動(dòng)剛度 (2-7)滯后角 (2-8)利用實(shí)驗(yàn)采集到的做動(dòng)頭端的位移信號(hào)與固定端的力信號(hào)，按基于FFT計(jì)算滯后角的公式（2-5）和基于DIN 53513計(jì)算滯后角的公式（2-8）計(jì)算了慣性通道解耦板液阻懸置在預(yù)載荷為2000N，激振振幅分別為1.0mm、0.2mm時(shí)的滯后角，計(jì)算結(jié)果如圖2-1所示。由圖可見(jiàn)，基于FFT與基于DIN53515標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算滯后角的公式雖不相同，但結(jié)果基本相同。利用公式（2-5）與（2-7）得到的動(dòng)剛度是一致的。在下文給出的結(jié)果中，所給出的滯后角均為基于FFT計(jì)算得到的滯后角。 (a) 低頻 (b)高頻圖 21利用FFT和DIN 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的動(dòng)剛度和滯后角在文獻(xiàn)17,27中，提到用復(fù)合激勵(lì)時(shí)的動(dòng)剛度來(lái)評(píng)價(jià)液阻懸置的性能。希望復(fù)合激勵(lì)時(shí)的動(dòng)剛度與小振幅、高頻激勵(lì)的動(dòng)剛度相同，以保證降噪效果。2. 高頻動(dòng)態(tài)硬化時(shí)的最低頻率對(duì)液阻懸置，希望高頻動(dòng)態(tài)硬化時(shí)的最低頻率盡可能的高，以降低振動(dòng)傳遞率和提高降噪效果，動(dòng)態(tài)硬化時(shí)的最低頻率是評(píng)價(jià)液阻懸置的性能指標(biāo)之一。對(duì)液阻懸置的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，最常用的指標(biāo)為動(dòng)剛度，滯后角或阻尼系數(shù)，液阻懸置在復(fù)合激勵(lì)時(shí)的動(dòng)剛度和高頻動(dòng)態(tài)硬化時(shí)的最低頻率一般作為參考。2.2 液阻懸置靜動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究方法2.2.1 實(shí)驗(yàn)樣品及其特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)樣品見(jiàn)表2-1。表 2-1 實(shí)驗(yàn)樣品樣品名稱特點(diǎn)與用途1液阻懸置慣性通道活動(dòng)解耦板式，測(cè)試其靜、動(dòng)特性。2液阻懸置慣性通道式，將樣品1的活動(dòng)解耦板固定而得，測(cè)試其靜、動(dòng)特性。3液阻懸置上液室將樣品1的活動(dòng)解耦板和底膜去掉而得，用于上液室體積剛度測(cè)試。4橡膠主簧將樣品1的液室隔板、底膜、液體均去掉后而得，測(cè)試其靜、動(dòng)特性。實(shí)驗(yàn)樣品1的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2-2。實(shí)驗(yàn)樣品1、2和3橡膠主簧的結(jié)構(gòu)與材料與橡膠主簧4相同，實(shí)驗(yàn)樣品1和2慣性通道的尺寸相同。圖 22 液阻懸置1結(jié)構(gòu)示意圖2.2.2 靜態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)(a) X方向裝夾圖(b) Y方向裝夾圖圖 2-3 測(cè)試懸置X、Y方向靜剛度時(shí)裝夾圖液阻懸置和橡膠主簧元件的靜態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)試垂直方向（Z 向）及兩個(gè)水平方向(X、Y向)的剛度，即力位移曲線。垂直方向的靜剛度較容易測(cè)得，而測(cè)試其X、Y方向的剛度，則需要借助于專用的夾具。圖2-3為測(cè)試液阻懸置和橡膠主簧在長(zhǎng)度方向（X向）及寬度方向（Y向）靜剛度的裝夾圖。由圖可見(jiàn)，在測(cè)X、Y方向的靜剛度時(shí)，是借助于兩個(gè)液阻懸置或橡膠主簧測(cè)量的。2.2.3液阻懸置體積剛度的測(cè)量體積剛度是液阻懸置集總參數(shù)模型動(dòng)態(tài)性能仿真中的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品3，由于液體是不可壓縮的，因此上液室體積剛度的大小取決于橡膠主簧的彈性，而下液室的體積剛度取決于橡膠底膜的彈性。由于橡膠底膜的厚度較小，且與大氣直接相通，因而當(dāng)懸置工作時(shí)，下液室內(nèi)的壓力基本與外界大氣保持一致，壓力波動(dòng)較小，因此可將下液室的體積剛度近似的視為零。圖2-4為液阻懸置上液室體積剛度測(cè)試的示意圖。實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)器以改變管路中的壓力，記錄與管路中與液體相連的壓力表的壓力及其透明玻璃管中液體液位的下降，由此可計(jì)算出上液室的壓力與其體積的關(guān)系。對(duì)于不同的壓力，由以上實(shí)驗(yàn)方法，可以得到上液室的壓力與體積的慣性，進(jìn)而求出上液室的體積剛度。圖 24 上液室體積剛度實(shí)驗(yàn)裝置圖2.2.4 動(dòng)態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)25液阻懸置動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)裝置圖液阻懸置或橡膠主簧的動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)是在SCHENCK MHF電液振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，圖2-5為液阻懸置動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)的裝置圖。SCHENCK實(shí)驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以記錄位移激勵(lì)和動(dòng)反力的時(shí)間歷程，并計(jì)算得到被測(cè)試對(duì)象的動(dòng)剛度和滯后角。實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們利用獨(dú)立于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基于工控微機(jī)的動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄了激振的位移信號(hào)和響應(yīng)力信號(hào)，計(jì)算了動(dòng)剛度和滯后角，并與SCHENCK實(shí)驗(yàn)臺(tái)給出的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，其結(jié)果一致。表2-2為基于工控微機(jī)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的規(guī)格，在對(duì)液阻懸置的內(nèi)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，其壓力和溫度的時(shí)間歷程均是通過(guò)本采集系統(tǒng)得到的。利用此數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄位移、動(dòng)反力和上液室液體壓力和溫度的時(shí)間歷程時(shí)的采樣頻率為：低頻段（150Hz）為1024Hz，高頻段（30200Hz）為4096Hz。SCHENCK實(shí)驗(yàn)臺(tái)上位移傳感器的量程為-2525mm，力傳感器的量程為-2525KN，輸出電壓為-1010V。表2-2 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集設(shè)備數(shù)據(jù)采集設(shè)備說(shuō)明Daqboard200016Bit,16/8 Channels采集卡DasyLab5信號(hào)采集和分析組態(tài)軟件2.2.5 液阻懸置內(nèi)特性的實(shí)驗(yàn)圖 2-6 壓力與溫度傳感器的安裝示意圖液阻懸置的內(nèi)特性是指液阻懸置在不同的工況下，其上、下液室的壓力和液體的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。由于液阻懸置底膜的體積剛度很小，且直接與大氣相通，因此，可近似認(rèn)為下液室的壓力接近于其背壓，即大氣壓(100Kpa)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，假定上液室的壓力為均勻分布。為了測(cè)得上液室液體的壓力和溫度，在橡膠主簧上安裝了壓力傳感器和溫度傳感器，安裝示意圖見(jiàn)圖2-6。傳感器的質(zhì)量很輕，因此可以認(rèn)為安裝傳感器后，液阻懸置的性能不會(huì)變化。實(shí)驗(yàn)所用壓力傳感器的量程為：-11Mpa（表壓），輸出電壓為-55V，溫度傳感器的量程為-100C1000C，輸出電壓為05V。2.3 液阻懸置特性的實(shí)測(cè)結(jié)果及性能評(píng)價(jià)分析2.3.1 靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析圖 2-7 液阻懸置及其橡膠主簧三向靜剛度圖2-8 體積剛度實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2-7為液阻懸置及其橡膠主簧的三向力位移關(guān)系曲線，由圖可見(jiàn)，液阻懸置的力位移關(guān)系與橡膠主簧的力位移關(guān)系基本相同，且基本為線性。圖2-8為實(shí)測(cè)的液阻懸置上液室液體壓力體積的關(guān)系曲線，近似為線性。2.3.2 動(dòng)特性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1. 橡膠主簧的動(dòng)態(tài)特性圖2-9為橡膠主簧（實(shí)驗(yàn)樣品4）的低頻動(dòng)態(tài)特性，圖中給出了同一激振振幅（A1.0mm），不同預(yù)載下橡膠主簧的低頻動(dòng)剛度和滯后角。由圖可見(jiàn)，動(dòng)剛度和滯后角隨頻率的增加而增加，預(yù)載增加時(shí)，動(dòng)剛度和滯后角均增加。圖2-10為橡膠主簧在同一預(yù)載（2000N），不同振幅時(shí)的低頻動(dòng)剛度和滯后角的曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，振幅增加時(shí)，動(dòng)剛度減小，滯后角基本保持不變。(a) 動(dòng)剛度（b）滯后角圖 2-9 橡膠主簧的低頻動(dòng)態(tài)性能(a) 動(dòng)剛度(b) 滯后角圖2-10 激振振幅對(duì)橡膠主簧低頻性能的影響當(dāng)激振振幅為0.2mm，在不同預(yù)載時(shí)，橡膠主簧高頻動(dòng)態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2-11。由圖可見(jiàn)，高頻動(dòng)剛度和滯后角隨激振頻率的增加而增加，并且高頻動(dòng)剛度增加的幅度要比低頻動(dòng)剛度隨頻率增加的幅度大，出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)硬化現(xiàn)象。預(yù)載增加時(shí)，高頻動(dòng)剛度增加，而滯后角的變化不大。(a) 動(dòng)剛度(b) 滯后角圖2-11 橡膠主簧高頻動(dòng)態(tài)性能2. 液阻懸置的動(dòng)態(tài)特性圖2-12為慣性通道式液阻懸置（實(shí)驗(yàn)樣品2）在同一激振振幅（A=1.0mm）不同預(yù)載下的低頻動(dòng)態(tài)性能，由圖可見(jiàn)，預(yù)載增加時(shí)，其動(dòng)剛度略有增加，而滯后角的變化并不大。（a）動(dòng)剛度b) 滯后角圖2-12 液阻懸置2低頻動(dòng)態(tài)性能在同一預(yù)載(2000N)下，以不同的位移激振振幅時(shí)，慣性通道式液阻懸置2的低頻的動(dòng)特性如圖2-13所示。由圖可見(jiàn)，振幅增加時(shí)，其動(dòng)剛度和滯后角均減少。（a）動(dòng)剛度（b）滯后角圖2-13 激振振幅對(duì)液阻懸置2性能的影響圖2-14為慣性通道式液阻懸置(實(shí)驗(yàn)樣品2)在激振振幅A=0.2mm，不同預(yù)載下的高頻動(dòng)特性。可見(jiàn)其動(dòng)剛度隨激振頻率的增大而呈增大趨勢(shì)，在約125Hz后顯著增大；滯后角曲線在125Hz附近出現(xiàn)第二個(gè)峰，其峰值隨預(yù)載的增大而減少。(a)動(dòng)剛度(b)滯后角圖2-14 液阻懸置2高頻動(dòng)特性圖2-15為慣性通道活動(dòng)解耦板式液阻懸置在兩種典型激振工況下的動(dòng)特性實(shí)測(cè)曲線（低頻域激振振幅為1mm，高頻域激振振幅為0.2mm，預(yù)載均為2000N），可見(jiàn)該液阻懸置的動(dòng)特性與激振振幅是密切相關(guān)的，亦即具有十分顯著的非線性特征。當(dāng)激振振幅為1mm時(shí)，其滯后角在f=7Hz處達(dá)到最大值，可抑制發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)引起的車身振動(dòng)。當(dāng)激振振幅為0.2mm時(shí)，在低于110Hz的頻率范圍內(nèi)，其動(dòng)剛度小于1mm激勵(lì)下的值，可具有良好的隔振特性；當(dāng)激振頻率大于110Hz后，其動(dòng)剛度顯著增大，出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)硬化現(xiàn)象；與此相應(yīng)地，滯后角在100Hz附近達(dá)到峰值，在65160Hz范圍內(nèi)超過(guò)了20O。這種液阻懸置地高頻動(dòng)態(tài)硬化是由于橡膠主簧和解耦板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性所致。圖2-15 兩種典型激振工況下液阻懸置1的動(dòng)特性3. 液阻懸置與橡膠主簧特性的比較圖2-16為慣性通道活動(dòng)解耦板式液阻懸置（實(shí)驗(yàn)樣品1）與其橡膠主簧（實(shí)驗(yàn)樣品3）在同一振幅(1.0mm )、同一預(yù)載（2000N）下的低頻域動(dòng)剛度與滯后角的實(shí)測(cè)曲線，可見(jiàn)液阻懸置的動(dòng)剛度和滯后角遠(yuǎn)大于其橡膠主簧的動(dòng)剛度和滯后角，說(shuō)明液阻懸置的液體阻尼機(jī)構(gòu)（液體，慣性通道，解耦板等）對(duì)其低頻動(dòng)特性具有決定性的作用。當(dāng)激振振幅為0.2mm、預(yù)載為2000N時(shí)，慣性通道解耦板液阻懸置（實(shí)驗(yàn)樣品1）和橡膠主簧（實(shí)驗(yàn)樣品4）的高頻動(dòng)態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2-17。由圖可見(jiàn)，液阻懸置的高頻動(dòng)剛度和滯后角大于其橡膠主簧的高頻動(dòng)剛度和滯后角，說(shuō)明液阻懸置中的液體阻力機(jī)構(gòu)對(duì)其高頻動(dòng)特性的影響也很大。(a)動(dòng)剛度（b）滯后角圖 2-16 液阻懸置1與橡膠主簧低頻動(dòng)態(tài)特性比較(a) 動(dòng)剛度(b) 滯后角圖2-17 液阻懸置1與橡膠主簧的高頻動(dòng)態(tài)特性的比較4. 兩種液阻懸置特性的比較通過(guò)對(duì)慣性通道式活動(dòng)解耦板式液阻懸置（實(shí)驗(yàn)樣品1）和慣性通道式液阻懸置（實(shí)驗(yàn)樣品2）的動(dòng)態(tài)特性的比較，可以分析解耦板對(duì)液阻懸置特性的影響。圖2-18給出了在同一預(yù)載（2000N）、同一激振振幅下（1mm），兩液阻懸置的低頻動(dòng)態(tài)性能。從圖中可見(jiàn)，液阻懸置2在共振幅峰處的動(dòng)剛度和滯后角均大于液阻懸置1的動(dòng)剛度和滯后角，在整個(gè)低頻范圍內(nèi)，液阻懸置2的動(dòng)剛度略大于液阻懸置1。但在13HZ以后，液阻懸置2的滯后角小于液阻懸置1。當(dāng)激振振幅增大為2mm，液阻懸置1和2的動(dòng)特性的規(guī)律基本相同。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激勵(lì)位移為低頻、大振幅時(shí)，液阻懸置1出現(xiàn)明顯的噪聲，這是由于解耦板與液室的上下隔板相撞擊而發(fā)出的噪聲。(a) 動(dòng)剛度(b) 滯后角圖 2-18 液阻懸置1和2的低頻動(dòng)態(tài)性能的比較(a) 動(dòng)剛度(b) 滯后角圖2-19 液阻懸置1和2的高頻特性的比較當(dāng)激振位移幅值為0.2mm、預(yù)載為2000N時(shí)，液阻懸置1和2的高頻動(dòng)特性見(jiàn)圖2-19。可見(jiàn)，在150Hz以下的頻率范圍內(nèi)，液阻懸置2的動(dòng)剛度大于液阻懸置1的。液阻懸置1的滯后角大于液阻懸置2的，并且在100Hz附近出現(xiàn)了較大的峰值，這是解耦板的慣性所引起的，這是所不希望的。5. 液阻懸置內(nèi)特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析當(dāng)激振位移為、(mm)時(shí)，上液室的壓力一時(shí)間歷程曲線分別見(jiàn)圖2-20(a)、(b)。由圖可見(jiàn)，上液室的壓力-時(shí)間歷程基本上為正弦，且當(dāng)激振位移為低頻大振幅時(shí)壓力的幅值較激勵(lì)位移為高頻小振幅時(shí)的大。(a) 1mm 10Hz (b) 0.2mm 100Hz圖 2-20 上液室的壓力時(shí)間歷程曲線 圖2-21 液體溫度時(shí)間曲線為了測(cè)得液體的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)時(shí)施加的位移激勵(lì)為（mm），溫度的時(shí)間歷程見(jiàn)圖2-21。經(jīng)過(guò)2小時(shí)的實(shí)驗(yàn)，液體的溫度從19OC增加到70OC，實(shí)際上，此位移激勵(lì)為一特殊工況，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)很少長(zhǎng)時(shí)間工作在此種工況下。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液阻懸置中液體的溫度隨時(shí)間上升的很緩慢，液體的粘度變化很小。可以認(rèn)為，液阻懸置在汽車通常的行駛工況下，其動(dòng)態(tài)性能不受液體粘度變化的影響。2.4 液阻懸置材料參數(shù)的測(cè)量液阻懸置的材料參數(shù)包括橡膠主簧材料密度，液阻懸置中液體的密度和粘度，它們是進(jìn)行液阻懸置動(dòng)特性仿真分析的重要參數(shù)。橡膠材料和液體密度見(jiàn)表22 。由表可見(jiàn)，它們比水稍重，并且兩者非常接近。表22 材料密度（kg/m3）液體密度主簧橡膠材料的密度1.0531031.036103液體粘度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表23，由表可見(jiàn)液體的粘度隨溫度的上升而逐漸變小。60時(shí)的粘度水平只有20時(shí)粘度的1/7。液阻懸置在工作時(shí)，液室內(nèi)部液體溫度上升較為緩慢，因此在對(duì)液阻懸置動(dòng)特性進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，可以將液體的粘度視為常數(shù)。表23 液體的粘度溫度 （）粘度（Pas）20583042402150126092.5 本章