環(huán)氧樹(shù)脂型阻尼材料對(duì)白車(chē)身NVH性能的影響研究

汽車(chē)NVH（Noise、Vibration、Harshness）是汽車(chē)噪聲、振動(dòng)和舒適性等各項(xiàng)指標(biāo)的總稱(chēng)。白車(chē)身NVH是整車(chē)NVH的基礎(chǔ)，白車(chē)身的NVH水平直接影響整車(chē)NVH性能的表現(xiàn)。在白車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(xiě)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(chē)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(chē)車(chē)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(chē)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(chē)身，其中一臺(tái)白車(chē)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(chē)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(chē)身NVH性能的影響。

為了能夠在白車(chē)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(chē)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(chē)身振動(dòng)傳函，需要使白車(chē)身處于自由狀態(tài)，即通過(guò)空氣彈簧支起白車(chē)身，如圖4所示。

為了能夠完整的激勵(lì)起白車(chē)身，選取車(chē)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(chē)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(chē)身與不布置阻尼材料的白車(chē)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(xiàn)

3  結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)比曲線(xiàn)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(chē)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(chē)身減振效果顯著。

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