基于懸臂梁法的汽車阻尼材料阻尼系數(shù)測(cè)試方法

周煥陽，祝安綱，姚明格，劉浩，姜豐

（天津航天瑞萊科技有限公司，武漢 430056）

引言

汽車在行進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列的噪聲，既有自身存在的發(fā)動(dòng)機(jī)聲、變速箱的齒輪聲、進(jìn)氣排氣聲等，也有行進(jìn)時(shí)車輪與路面的摩擦聲、遇到凹凸不平路面時(shí)的車體碰撞聲、高速行駛時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)阻聲等，特別是高速行駛時(shí)的噪聲最為明顯[1]。因此，需要在車身內(nèi)部粘貼一層阻尼材料，從而達(dá)到汽車室內(nèi)減振降噪的目的。汽車阻尼材料可以吸收車身板材被發(fā)動(dòng)機(jī)及路面的強(qiáng)制力激發(fā)出來的振動(dòng)能量。在汽車車身內(nèi)部粘貼阻尼材料后，可以改變?cè)熊嚿斫Y(jié)構(gòu)的共振頻率，減小車內(nèi)振動(dòng)噪聲，提高乘車舒適性。如果外界激勵(lì)條件不變，阻尼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度和輻射噪聲聲壓會(huì)隨著阻尼材料阻尼系數(shù)的增加而降低。因此，阻尼系數(shù)的大小是判斷阻尼材料減振降噪性能優(yōu)劣的重要參考指標(biāo)，工程上也常常依據(jù)阻尼系數(shù)來選擇阻尼材料[2,3]。

常用的阻尼材料阻尼系數(shù)測(cè)試方法有動(dòng)態(tài)黏彈譜測(cè)試儀（DMA）法，其依據(jù)高聚物的時(shí)溫等效原理，可以直接測(cè)量阻尼材料的阻尼因子，但其頻率范圍較低一般在100 Hz以下。而經(jīng)典懸臂梁法是利用懸臂梁受到正弦激勵(lì)產(chǎn)生的共振特性來計(jì)算材料阻尼因子，其適用頻率范圍較寬（可達(dá)2 000 Hz），且測(cè)試儀器簡(jiǎn)單[4]。通常懸臂梁法是在常溫下進(jìn)行，但考慮到汽車阻尼材料的動(dòng)態(tài)特性會(huì)隨著溫度的變化而變化，因此基于懸臂梁法測(cè)試阻尼系數(shù)時(shí)還需考慮溫度的影響。

本文介紹了阻尼材料的阻尼系數(shù)有關(guān)的測(cè)試原理，以及通過懸臂梁測(cè)試方法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行阻尼系數(shù)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)案例，以期得到阻尼材料在不同溫度下的阻尼系數(shù)測(cè)試結(jié)果。同時(shí)，總結(jié)了檢測(cè)傳感器的選用以及結(jié)構(gòu)試件的安裝力矩等因素，對(duì)阻尼系數(shù)測(cè)試結(jié)果可能產(chǎn)生的影響，為工程技術(shù)人員在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行阻尼系數(shù)測(cè)試提供參考。

1 阻尼系數(shù)的測(cè)試原理

設(shè)懸臂梁一端固支，另一端自由。在懸臂梁自由端作用一正弦激勵(lì)f(t)時(shí)，懸臂梁上就會(huì)應(yīng)激產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)δ(t)。一般情況懸臂梁構(gòu)件都存在阻尼耗能，動(dòng)態(tài)響應(yīng)δ(t)與激勵(lì)f(t)之間會(huì)產(chǎn)生相位差，動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)f(t)會(huì)相對(duì)于激勵(lì)力f(t)滯后，見公式（1）。

式中：

fm—激勵(lì)力的幅值；

δm—?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)的幅值；

ω—正弦激勵(lì)的角頻率；

α—響應(yīng)相對(duì)于激勵(lì)的遲滯角度。

工程上一般定義懸臂梁的阻尼系數(shù) η 為滯后角 α 的正切函數(shù)，即:

徐豐辰等人從能量損耗角度對(duì)懸臂梁構(gòu)件的振動(dòng)特性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著材料的滯后角 α 不斷增大，懸臂梁構(gòu)件的能量阻尼系數(shù) η 也逐漸增大，懸臂梁構(gòu)件的減振降噪效果也逐漸增強(qiáng)。阻尼系數(shù)η的實(shí)際效果體現(xiàn)為能量的損耗[5]。

懸臂梁受到正弦信號(hào)激勵(lì)時(shí)，其響應(yīng)特性如圖1所示?？梢钥闯?，對(duì)于不同的阻尼系數(shù)，結(jié)構(gòu)件的共振頻率相差很??；結(jié)構(gòu)件的共振峰值隨著阻尼系數(shù)η的減小而增大，而共振峰的帶寬隨著阻尼系數(shù)η的減小而減小。結(jié)構(gòu)件的阻尼系數(shù)η與共振峰頻率及其帶寬存在顯性對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，獲得結(jié)構(gòu)件的共振曲線后，如圖2所示，可以通過公式（3）來計(jì)算試件的阻尼系數(shù)。

圖1 結(jié)構(gòu)試件的共振頻率曲線

圖2 結(jié)構(gòu)試件共振曲線

式中：

fH、fL—0.707倍峰值振幅對(duì)應(yīng)的高、低頻率，Hz；fn—結(jié)構(gòu)件的共振頻率，Hz。

2 懸臂梁法測(cè)試流程

汽車阻尼材料在汽車減振降噪領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)各汽車主機(jī)廠也針對(duì)阻尼材料阻尼性能的測(cè)試方法進(jìn)行了一定的研究。東風(fēng)本田則制定了企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)0095Z-SDA-0000，吉利汽車公司也制定了Q/JLY J711506-2008標(biāo)準(zhǔn)等[6]。下面參考常溫下的懸臂梁測(cè)試方法，并考慮溫度效應(yīng)對(duì)阻尼材料阻尼系數(shù)的影響，將其與溫度振動(dòng)綜合試驗(yàn)方法相結(jié)合，來進(jìn)行阻尼系數(shù)的測(cè)試。

2.1懸臂梁法

懸臂梁法的測(cè)試原理圖見圖3，將結(jié)構(gòu)試件一端固支，另一端自由[7]。通過測(cè)試系統(tǒng)對(duì)試件進(jìn)行正弦掃描激勵(lì)，以獲得試件的響應(yīng)特性，對(duì)數(shù)據(jù)分析得到結(jié)構(gòu)試件的阻尼系數(shù)。

圖3 懸臂梁法原理圖

計(jì)算機(jī)軟件按照要求的振動(dòng)控制譜，由控制儀發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過功率放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，從而推動(dòng)激振器（振動(dòng)臺(tái)）運(yùn)動(dòng)。采集激振器（振動(dòng)臺(tái)）控制點(diǎn)的信號(hào)，通過測(cè)量放大器和信號(hào)采集器輸入到計(jì)算機(jī)軟件，可以得到控制點(diǎn)的加速度譜形；控制軟件根據(jù)控制點(diǎn)譜形與目標(biāo)譜形的差值來修正驅(qū)動(dòng)信號(hào)，最終使控制點(diǎn)的響應(yīng)量級(jí)達(dá)到規(guī)定的目標(biāo)值；控制軟件還可以實(shí)時(shí)采集試件上響應(yīng)傳感器的加速度量級(jí)，獲得結(jié)構(gòu)試件的響應(yīng)曲線，再經(jīng)過處理得到傳遞函數(shù)曲線（響應(yīng)曲線/控制曲線）。

2.2 測(cè)試流程

由于汽車阻尼材料的動(dòng)態(tài)特性會(huì)隨著溫度的變化而變化，因此測(cè)試阻尼系數(shù)時(shí)還需考慮溫度的影響[8]。此時(shí)，需將懸臂梁測(cè)試系統(tǒng)放置于試驗(yàn)箱中來進(jìn)行阻尼系數(shù)的測(cè)試，阻尼系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)見圖4。綜合試驗(yàn)箱能夠提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境；結(jié)構(gòu)試件以懸臂梁方式安裝于激振器臺(tái)面上，通過激振器對(duì)結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行激勵(lì)獲得試件的響應(yīng)曲線，從而可以測(cè)試得到結(jié)構(gòu)試件在特定溫度下的阻尼系數(shù)。

圖4 阻尼系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

阻尼系數(shù)測(cè)試流程：

1）將阻尼試片裁成橫50 mm、豎350 mm大小，放置在橫30 mm、豎300 mm的鋼板上，在140 ℃高溫下保持30 min進(jìn)行熔合。

2）熔合完成后，將阻尼材料在基板上充分冷卻硬化后進(jìn)行裁剪，獲得結(jié)構(gòu)試件。

3）將激振器和綜合試驗(yàn)箱按圖4所示組成綜合測(cè)試系統(tǒng)。

4）將結(jié)構(gòu)試件以懸臂方式安裝于激振器臺(tái)面上，并安裝加速度傳感器等測(cè)量系統(tǒng)。

5）開始試驗(yàn)。將試驗(yàn)箱溫度調(diào)節(jié)到20 ℃并穩(wěn)定。

6）以規(guī)定的控制譜曲線對(duì)結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行掃頻激勵(lì)，獲取試件上的響應(yīng)曲線，并根據(jù)公式（3）計(jì)算得到20 ℃溫度下的阻尼系數(shù)。

7）重復(fù)5）~6）步驟，得到40 ℃、60 ℃溫度下的阻尼系數(shù)。

2.3 試驗(yàn)案例

汽車用瀝青阻尼材料是使用最廣泛的阻尼材料之一。磁性瀝青基阻尼板主要用于車門、側(cè)圍、頂棚等部位，而熱熔性瀝青基阻尼板主要用于車內(nèi)地板部位，起到阻尼減振降噪的作用。

根據(jù)上述的測(cè)試系統(tǒng)以及測(cè)試方法，對(duì)某汽車用瀝青阻尼材料進(jìn)行阻尼系數(shù)的測(cè)試。阻尼系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示，結(jié)構(gòu)試件懸臂梁法測(cè)試局部放大如圖6所示。測(cè)試得到阻尼結(jié)構(gòu)試件在20 ℃溫度下的傳遞函數(shù)如圖7所示；測(cè)試得到阻尼結(jié)構(gòu)試件在40 ℃溫度下的傳遞函數(shù)如圖8所示；測(cè)試得到阻尼結(jié)構(gòu)試件在60 ℃溫度下的傳遞函數(shù)如圖9所示。根據(jù)公式（3）計(jì)算得到20 ℃、40 ℃、60 ℃溫度下的阻尼系數(shù)的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖5 阻尼系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

圖6 測(cè)試系統(tǒng)局部放大示意圖

圖7 20 ℃時(shí)的阻尼系數(shù)測(cè)試曲線

圖8 40 ℃時(shí)的阻尼系數(shù)測(cè)試曲線

圖9 60 ℃時(shí)的阻尼系數(shù)測(cè)試曲線

表1 阻尼系數(shù)測(cè)試結(jié)果

可以看出，隨著溫度的升高，阻尼結(jié)構(gòu)件的阻尼系數(shù)逐漸減小，也即意味著阻尼材料的減振降噪效果隨著溫度升高而逐漸減弱。

2.4 測(cè)試結(jié)果的影響因素

由于阻尼系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜性，下列因素可能會(huì)引起測(cè)試結(jié)果的誤差。

1）阻尼系數(shù)測(cè)試時(shí)，結(jié)構(gòu)試件上的響應(yīng)傳感器最好使用非接觸式傳感器，但是，由于非接觸式傳感器在較高頻振動(dòng)時(shí)的靈敏度達(dá)不到要求，建議采用具有超小質(zhì)量的加速度傳感器。GB/T 18258-2000中規(guī)定，加速度計(jì)的質(zhì)量應(yīng)小于0.5 g。當(dāng)加速度計(jì)的質(zhì)量大于0.5 g時(shí)，加速度計(jì)質(zhì)量相對(duì)基板質(zhì)量不可忽略，對(duì)懸臂梁法測(cè)阻尼系數(shù)的結(jié)果有著較大的影響。

2）結(jié)構(gòu)試件安裝時(shí)的緊固力矩需適宜。安裝力矩過大，可能會(huì)擠壓結(jié)構(gòu)試件的阻尼層，變形過大，導(dǎo)致阻尼層與基板的粘合開裂。安裝力矩過小，測(cè)試過程中可能會(huì)松動(dòng)，影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)于不同配方的阻尼材料做對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，安裝力矩應(yīng)保持一致。

3 結(jié)論

汽車在高速行駛時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲，影響車內(nèi)成員的舒適性。通常在車身內(nèi)部粘貼一層阻尼材料，從而達(dá)到汽車室內(nèi)減振降噪的目的。因此，阻尼系數(shù)是判斷阻尼材料減振降噪性能優(yōu)劣的重要參考指標(biāo)，準(zhǔn)確測(cè)得阻尼材料的阻尼系數(shù)，對(duì)于選擇阻尼材料具有重要作用。

本文介紹了阻尼材料的阻尼系數(shù)有關(guān)的測(cè)試原理，以及通過懸臂梁測(cè)試方法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行阻尼系數(shù)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)案例，測(cè)試得到在20 ℃、40 ℃、60 ℃溫度下的阻尼系數(shù)測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，阻尼結(jié)構(gòu)件的阻尼系數(shù)逐漸減小，也即意味著阻尼材料的減振降噪效果隨著溫度升高而逐漸減弱。同時(shí)，總結(jié)了檢測(cè)傳感器的選用以及結(jié)構(gòu)試件的安裝力矩，對(duì)阻尼系數(shù)測(cè)試結(jié)果的影響。這些研究將為工程技術(shù)人員在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行阻尼系數(shù)測(cè)試提供參考依據(jù)。