橡胶减振在摩托车上的应用（可编辑）

橡胶减振在摩托车上的应用（可编辑） 橡胶减振在摩托车上的应用 领 域: 奎牺王猩 研究生: 拯羞渔 囊 , 天津大学机械工程学院 ? 年月 ‖矽/ 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果,也不包含为获得苤鲞盘堂.或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 一 学位论文作者签名:并勿关盆签字日期:勿,/年?月/。日 争 ., 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规 定。特授 权苤鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索,并采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名:才汤关每 签字日期:加年 月,口日 剔期一日 ? ’ 口 .?’ 一 ,?一,: ’ ?;一 ?一摘要 时下,当我们翻阅市场销售车的产品说明书的时候,随处都可以看到有关“舒适 性、平稳性、隔音、减振等专业术语。 关于评价车的有许多的特性指标。但对 考虑购车或实际用车的人来讲,对振动、噪音、舒适性的关心,现在决不亚于对形状、 颜色等外观质量的关心。关于减振、舒适性,与构成部件之一的减振橡胶有着密切的 关系。为了提高减振橡胶的性能,目前各制造厂也正在积极地进行着研究、开发。 随着汽车上的新技术不断在摩托车上的实际应用,人们对摩托车的乘坐舒适性要 求日益提高,良好的平顺性和低噪声成为现代休闲用摩托车的一个重要标志。摩托车 座垫及油箱是摩托车振动的主要传递路径之一,对摩托车的乘坐舒适性有很大的影 响。在用户对摩托车振动评价的感受位置中,油箱已经成为用户评价比较敏感的部件 之一用户在驾驶摩托车时,通常腿部要与油箱贴合。设计合理的 摩托车油箱悬置 系统可以有效地降低摩托车油箱振动和噪声,改善用户对摩托车驾驶舒适性的评价。 在查阅了国内外相关文献时,并未发现具体针对摩托车油箱悬置系统的设计和应用等 方面的文献和论文。故本论文将首次针对摩托车油箱悬置系统隔振问进行技术及其 工程应用研究。建立起摩托车油箱悬置系统的工作模型,并确定其基本参数、结构、 材料等对摩托车油箱振动的影响。并在现有条件及合理配置固有频率的基础上,再对 摩托车油箱悬置系统的位置分布进行了优化改进。对各种状态进行了对比模拟计算和 仿真分析,并试制了不同结构、参数、材料的悬置元件安装至样车进行对比实验,从 而对优化前后系统的隔振特性进行了实际比较。结果表明,优化设计后的悬置系统相 对于原系统以前一直采用的隔振性能有了很大的提高。 该课题研究所得结论和已批量应用在本公司的几款量产车型上。同时对本公 司其他成熟车型的改进和新研发的摩托车悬置系统的隔振设计也具有很好的参考指 导意义。 ? 关键词:减振橡胶,摩托车悬置系统,隔振性能认 , ”,, .. , ,,., ,,, . . .. .跎 . , , ’. ’ . , ’ , . . , ,,,.. ’ , ? .. 岛 ,. : ? , 目 录 中文摘要? 英文摘要? 第一章绪论 .减振橡胶的基本特性及其在工程上的应用??. ..减振橡胶的基本特性??。 ..减振橡胶在工程上的应用.. .摩托车油箱悬置系统的作用??. .摩托车油箱悬置系统的发展及现状.课题研究目的、意义及其背 景和主要研究内容. 第二章减振橡胶的理论研究.防振橡胶的物理力学性能 ..防振橡胶的特征..橡胶的弹性理论?.. ..橡胶的动态特性及其相关因素?. .橡胶减振器主要参数确定??。 ..硬度及弹性模量?. ..许用强度及最大允许变形 ..形状系数及动态系数..橡胶阻尼比 ..橡胶隔振器的固有频率? 第三章本课题的测试、评价流程??. .摩托车油箱及其悬置系统的振动模型的建立及分析。 ..摩托车油箱及其悬置系统简介? ..摩托车用油箱减振橡胶的衰减特性??. .摩托车油箱悬置系统的基本参数的确定??.. ..减振橡胶静态弹簧常数静刚度测试..橡胶隔振器动态弹簧常 数动刚度实验?. .摩托车油箱悬置系统结构的研究分析与优化设计?。 ..摩托车油箱悬置系统结构的研究分析?.. ..摩托车油箱悬置系统结构的优化设计思路??. ..摩托车油箱悬置系统结构的假想理论?.. .用摩托车测试对悬置系统进行分析验证。 ..实验介绍??. .. 试方法及数据采集。 .. 测试结果分析. .通过车手试骑对油箱悬置系统的优化结果进行实际验证?.. ..公司内部摩托车整车振动评价方法企业标准??. ..摩托车整车振动评价方法日本本田标准?. ..摩托车整车振动评价方法行业标准 ..数据分析? 第四章课题总结及展望. .课题总结? ..本课题的主要工作. ..本课题的主要成果 .课题展望.. 参考文献? 取得的主要成果和参加科研情况说明? 致谢. 第一章绪论 第一章绪论 .减振橡胶的基本特性及其在工程上的应用 ..减振橡胶的基本特性 减振橡胶是目前使用最为广泛的隔振器。主要用于各种工程结构的减震、隔振、 抗冲击等领域,如地面车辆的悬挂系统、轨道交通、舰船动力设备等。 其主要优点为【】: 在轴向、横向及旋转方向均具有隔离振动的能力,通过改变橡胶元件的形状 和尺寸能比较方便的满足三个方向的刚度和强度的要求; 由于成形容易,可与金属牢固粘结,故可以根据载荷特点形成不同的结构形 式; 其阻尼比金属弹簧大的多阻尼比为.一.,高频振动隔振性能好: 重量轻、体积小、价格便宜。 其主要缺点是: 耐高温、耐低温性能差;容易受到温度、油质、臭氧等侵蚀而老化; 难以做到同一型号隔振器性能完全相同; 具有蠕变特性,即在额定载荷下,其变形在一段时间内仍不断增 加。通常 小时的滞后变形可达蠕变的%,因此对一些重要设备装置,将设备安装在隔振器 上后,应隔小时候再进行校中和外接件的连接。决定橡胶减振器的静、动刚度的 因素是橡胶材料、橡胶硬度和减振器的橡胶块的形状。 减振橡胶有天然橡胶和合成橡胶两大类【。其中天然橡胶的强度、延伸性、耐磨 性、耐寒性等综合物理学性能较好,与金属粘结牢固,但是其耐油性、耐热性较差。 而合成橡胶则主要强化某些特殊性能,如耐油性、耐热性、耐候性防老化、防臭氧、 大阻尼等。隔振橡胶要求有良好的消音、隔振及缓冲能力,能耐一定温度、性能稳定, 制造方便、易于制成所需形状,和金属的粘结好,单位面积的承载能力大以及使用寿 命长等。具体隔振类橡胶主要有以下几种: 天然橡胶。其强度、延展性、耐磨性和耐寒性等物理性质较好,与金属粘结 牢固,但是其耐油性、耐热性较差。 丁腈橡胶。主要是耐油性好,多用于内燃机装置隔振材料。此外,丁腈橡胶 耐热性也好,阻尼也较大,且能与金属牢固粘合。 氯丁橡胶。主要是耐候性好,并能与金属牢固粘合,多用于对防老化、防臭第一章绪论 氧有较高要求的场合。但生热性太大。 丁基橡胶。阻尼大是其突出优点,故隔振性能好。在耐寒性、耐酸性、耐臭 氧等方面也较好。但与金属粘合较困难,多制成单独的橡胶块使用。 由于橡胶原料对加硫橡胶制品的各种性能有着很大的影响,因此设计时应根据不 同的使用条件选用不同的材料。根据经验,一般选用的原则如下要求一般的可采用 天然橡胶;要求耐油的可采用丁腈橡胶;要求耐候性兼轻度耐油的可采用氯丁橡胶。 由于丁腈橡胶耐油性、耐热性均较好,阻尼也较大,并能与金属牢固粘合,所以汽车 上的悬置块常用丁腈橡胶制作。由于橡胶可以用于拉伸、压缩和剪切工作状态。但通 常多用于压缩、剪切很少用于拉伸。用于压缩时,它具有高能量储存能力;用于剪切 时,它的使用寿命较长。根据形状及受力变形,可将橡胶减振器分类为压缩型、剪切 型与复合型三大类。本课题所研究的橡胶悬置减振器也是采用丁腈橡胶制成的压缩式 . 减振器。 工程上通常应用的减振用橡胶件,采用比较多的是具有简单的几何形状如【】:矩 形块、圆柱形块、圆筒形块、圆锥形块等,或称为规则形状橡胶件。对这些规则形状 的橡胶件,国外的研究机构已经进行了大量的试验研究,并提出了相对应的计算公式 和方法。这也为我们国内工程应用研究人员提供了一种有效途径。可能由于各国橡胶 材料及其配方的不同,即使相同硬度的橡胶,它的各种参数如:剪切模量值也不 尽相同。根据各国实践应用表明,通过各种计算方法所获得的结果,有时有较大的差 别,相对误差可以达到%.%。因此,需求适合我国生产的减振用橡胶件的设计 计算方法,以满足汽车工程实际应用上的需求,是我国工程应用设计相关人员急需解 决的问题。 由于工程上实际应用的减振用橡胶件的生产需要制作模具,成本 较高,因此设计 之初通过近似计算,取得比较合适的几何结构尺寸,很有必要【。以后就可以通过对 橡胶的硬度和材料进行适当的调整,达到改变它的刚度特性,从而满足设计的要求。 ..减振橡胶在工程上的应用 橡胶作为一种工程材料,已广泛应用在诸如汽车、轮船、航空、仪表及桥梁等工 业领域。部分用作减振原件,所以通常也把它称作橡胶弹簧。橡胶在工程上的实际应 用可以追溯到世纪年代。近二十多年来,为了减缓汽车、船舶、飞机等运行过 程中的振动和噪声,减振用橡胶才在我国汽车工程上获得越来越多的实际应用,同时 也促进和发展了一批颇具规模的减振橡胶专业生产工厂【。 汽车工程上用减振产品的实例:其外观及功能是多种多样的,而且许多的产品是 。 与配件配合而成的 发动机机座是支撑动力装置发动机、变速机的重要部件,除要求具有一定 第一章绪论 的减振特性外,还必须兼备有限制位移的功能。为了进一步地提高舒适性和平稳性, 已有许多采用液体封入式及电子控制式的实例,而且在汽车用减振橡胶中,也是最有 希望提高橡胶材料的耐热性的制品。 橡胶衬套在支撑悬挂部件的同时,也是确保车辆驾驶安全及稳定性的重要制 品。此外,还具有减缓振动和冲击的功能。通过对橡胶材料的探讨,在一定程度上是 可以调整动态特性的,但同时也应考虑到对加工性能塑炼、成型和动态疲劳寿命特 性变化、撕裂、弹性下降、磨耗等的影响。 缓冲器具有吸收冲击力由车轮对车体的冲击力的作用。作为材料来讲,除 类橡胶材料外,也可用发泡聚氨酯类材料【。 消音器支架具有支撑排气管系统的功能,但在减小车内噪音方面也起着重要 的作用。作为消音器支架来讲,大致有悬挂和与配件配合的两种类型。由于是在高温 环境下使用的,所以多数用的是类橡胶材料】。 动态减振器对汽车来讲,由于在各种各样的频率区域存在有固有振动频率, 所以这样的振动将会降低隔音、舒适性和驾驶稳定性等。作为对策,可采用与橡胶制 作的共振体系动态减振器来减小特定频率的振动【 。在设计上要求因环境变化和时 间变化而引起共振点的移动要小,主要使用的橡胶材料仍然是天然橡胶类。 .摩托车油箱悬置系统的作用 摩托车用的发动机主要为高速往复活塞式发动机,其产生的宽频带振动与冲击对 摩托车的乘坐舒适性都将造成极为不利的影响。为了克服振动造成的各方面负面影 响,人们采取了各种方法和途径来降低摩托车整车的振动。其中油箱悬置系统以其较 好的减振性能,相对独立的结构特点,逐渐成为减小摩托车振动比较实用的主要方法。 油箱悬置系统是用来将油箱与车架弹性的连接的一种隔振元件,它既是弹性元件 又是减振装置,其性能的好坏直接影响车架受发动机振动作用向油箱的振动传递, 并影响着整车其他部位如座垫、覆盖件等的振动和噪声。 .摩托车油箱悬置系统的发展及现状 目前的摩托车上采用的油箱悬置系统,采用的是在油箱与车架之 间放置隔离橡胶 件油箱前方左右各放置一块,油箱尾部放置一块,并采用螺栓连接隔离橡胶件 压缩变形。能有效增加油箱在车架上的稳定性。但使发动机的振动通过车架较多地 传递到油箱上,从而严重影响了摩托车的乘坐舒适性。在用户对摩托车振动评价的感 受位置中,油箱已经成为用户评价比较敏感的部件之一用户在驾驶摩托车时,通常 腿部要与油箱贴合。第一章绪论 随着摩托车技术的发展及人们对驾乘要求的提高,国内各大摩托车制造厂开始关 注摩托车的减振降噪问题。开始使用减振效果较好橡胶材料作为悬置元件来有效降低 和吸收摩托车整车的振动。虽然我国摩托车上的减振橡胶包括油箱悬置元件也具 有相当的减振效果,但因为各个国家橡胶制品生产企业采用的材料及其配方不同,即 使相同硬度的橡胶,它的各种参数如:剪切模量值也不尽相同,甚至相差较大。 加上国内橡胶制品生产企业的技术和生产一致型较差,结果很难保证达到有效减小摩 托车振动的要求【?】。因此本课题研究重点主要在有关摩托车油箱悬置系统布置方式、 悬置系统结构设计上。从而在现阶段能有效保证和提高摩托车的振动舒适性的市场需 求。 .课题研究目的、意义及其背景和主要研究内容 过去汽车发动机的强烈振动,就如同今天在我们工业制造企业里的大型设备运转 时产生的剧烈振动,会严重影响人员工作效率和身体健康。目前采用的橡胶隔振器对 振源加以隔离,仍是一种即经济又行之有效的措施。 众所周知,当结构受激扰而振动,发生共振时增大阻尼可以大幅度降低共振振幅。 粘弹性材料大阻尼结构作为一种非常有效的减振降噪技术,已在航空航天、潜艇、建 筑等领域得到广泛运用。 按照阻尼材料在实际工程结构中的布置方式,阻尼结构分 为离散型和连续型两种基本类型。离散型阻尼结构主要指阻尼吸振器、阻尼隔振器等。 在振动激励只包含一个主要频率分量的情况下,或者有很窄的频带组成时,这类橡胶 隔振器对各种工程结构具有良好的减振隔振效果。连续型阻尼结 构主要指结构的表 面或局部连续的布置阻尼材料,而构成的一类阻尼结构。由具有粘弹性力学特性的高 分子材料组成的粘弹性阻尼结构,是连续型阻尼结构中应用最为广泛的一种。对于宽 带随机激励的多自由度系统来说,连续型阻尼结构是进行振动控制的主要技术手段之 一。振动控制是现代工程技术的重要研究课题。通常被分为被动控制无源控制和主动 控制有源控制两大类。被动控制具有结构简单、经济性好、可靠性高等特点。采用橡 胶阻尼隔振器就是被动控制方法之一。一般橡胶隔振器的外形,由约束层和自由层构 成。约束层通常和金属相连接,当受压缩载荷时,它即为承压面积。自由层则指垂向 加载于约束面时,产生变形的那一个表面在受压缩载荷时橡胶横向膨胀大,而与金属 相粘接的约束面则受约束,只有自由层面在变形。这样在同样的弹性模量下,约束面 越大自由面越小,则隔振器的刚度将越大。但是在受剪切变形时,约束面几乎没有作 用。但是随着橡胶的厚度增加,产生了弯曲的影响,使刚度就下 降。因此作为一种粘 弹性材料,虽然其基本的物理性能不会因外表而改变。但制成的隔振器不能完全按虎 克定律进行推算,否则其弹性模量结果会产生较大误差。隔振器结构形状复杂多变, 所承受的额定荷载比较大,材料在很短时间里发生较大的变形,必然导致材料本构关 第 系的非线性。所以在理论上缺乏橡胶隔振器计算模型,也没有完整的理论计算方法。 在常规的橡胶隔振器设计中,对一定外形的隔振器其应力与应变的关系将不是弹性模 量,而是由形状系数确定的。显然形状系数是相当复杂的,不同的研究者提出不同 的计算关系式,使得隔振器的计算日趋近似,但仍无法精确计算。其次由于橡胶隔振 器的性能随着橡胶的配方、硬度、温度、受力状态、变形大小等诸多因素的不同而变 化。因此在以往的橡胶隔振器的设计计算只能是粗略的,很大程度上需要借助于相似 模型、试验来提供计算所必需的经验系数。 隆鑫工业有限公司根据市场用户反馈的信息,发现批量生产的车 型或多或少大都 存在油箱振动较大的问题,严重的还影响到坐垫处的振动,从而影响了驾驶员及乘客 对整车振动舒适性感受,最终影响到企业品牌口碑及市场销售。根据这一日渐凸现的 问题,我公司采取有效措施对现行产品进行优化改进。本课题即是在此背景下同 日本本田摩托车公司技术中心开展合作进行研究的。其目的主要是为了改善油箱悬置 系统的隔振效果,提高摩托车乘驾感受、增加用户满意度、使隆鑫工业有限公司现行 批量车型能够在市场竞争中取得良好业绩,因此该论文具有较强的实用性。本论文重 点针对摩托车油箱及悬置系统进行独立研究。对摩托车油箱及其悬置系统的模型、参 数和布置方式以及该悬置系统所采用的橡胶减振器元件进行分析、研究、优化,从而 得到一种经济性强、又具有较好实用性的解决方案,使整车的驾乘效果得到较大程度 地改善。 围绕研究优化这一任务,本文主要研究内容如下: 摩托车油箱及其悬置系统的振动模型的建立及分析: 摩托车油箱悬置系统的基本参数的确定; 摩托车油箱悬置系统结构的研究分析与优化设计; 通过客观实验测试手段对摩托车油箱悬置系统的优化结果进行分析验 ’ 证。 通过摩托车车手试骑的主观判断手段对摩托车油箱悬置系统的优化结果进 ? 行实际验证。 第二章减振橡胶的理论研究 第二章减振橡胶的理论研究 .防振橡胶的物理力学性能 日本工业标准 ,把防振橡胶定义为【】:防止振动冲击的传递或 起缓冲作用而采用的硫化橡胶制品。更广义的来说也可以把防振橡胶称之为橡胶弹 簧。 在第二次世界大战以前和战争期间积累起来的防振橡胶技术,战后作为民用工业 应用于汽车、铁路、机车车辆、土木建筑以及各种工业机械中。早期的,如年 对卡车,年对公共汽车各个部件使用了防振橡胶,年以后在新造的机车车 辆各部件上尤其是转向架使用了防振橡胶,自从年日本的小汽车走上正轨后, 作为橡胶工业的一个方面一防振橡胶牢固的建立了自己的地位。 机械一般称为被支撑体通过防振橡胶一般称为弹簧被安装在基础上,构 成所谓的弹性支撑,其目的是为了隔离振动和冲击。在两个碰撞物体之间放置缓冲橡 胶以降低碰撞时产生的最大冲击力构成所谓缓冲。 根据传递的途径不同,振动和冲击分为下述两类【: 主动用法防止随机械运转而产生的振动外力和冲击传给基础。 被动用法防止基础中因其他原因存在的振动或冲击运动传给机械。 例如柴油发电机、锻压机采用防振橡胶或其它弹簧作支撑时就是主动用法。而铁 路机车车辆转向架的弹簧装置、汽车的悬挂装置机、密机床的弹性支撑等是被动用法。 在防止振动危害的措施中广泛应用主动用法。 在机械固定安装的条件下,主动用法的目的是,为了使传给基础的振动外力或冲 击力,减轻于以不影响机械运转和操作的范围以下为前提【】。这 样除了能消除由 振动造成的危害以及因基础的运动引起的各种故障之外,还能对基础强度不作过高要 求。被动用法的目的是,使机械的支撑体处于空间静止状态,对机车车辆来说是为了 改善乘坐舒适度,对机械来说是为了正常运转和延长寿命。 ..防振橡胶的特征 防振橡胶是利用橡胶具有弹簧、阻尼的特性来达到防振目的。橡胶是一种非金属 弹簧和广泛的金属弹簧相比有以下特,征【】: ?三向弹簧常数:适当选择防振橡胶的形状尺寸可以使个方向垂向横向纵向 的弹簧常数达到所希望的数值。通常金属弹簧只能利用个方向的弹性作用。利用三 向弹性作用是防振橡胶的一大特点,其原因为橡胶和金属粘结板能够容易实现牢固的 第二章减振橡胶的理论研究 粘结并在拉伸、压缩、剪切各个方向都能变形。 ?减振内摩擦:硫化橡胶的内摩擦比金属弹簧大倍以上。为了降低谐 振时的振幅,并使由冲击产生的自由衰减振动尽快停止,弹簧需要具备衰减作用。为 此金属弹簧也采用一些改进措施如使用叠板弹簧或螺旋弹簧与液压减振器并联等,但 这些只对低频振动有效。而橡胶是通过内摩擦起衰减作用的,即橡胶的内摩擦是由橡 胶分子和分子之间以及橡胶分子和填充剂之间的相互作用产生的,特别适用于高频振 动。 ?经济性:防振橡胶是用金属模制成的模制品,成批生产时单价低廉。 以上所述都是防振橡胶的优点,但是也有一些缺点。例如耐高温、耐低温性能不 ? 强,橡胶制品不能在高温下使用,低温性能也因玻璃化作用而使橡胶硬化,另外硫化 橡胶油浸时会有不同程度的溶胀软化现象。 ..橡胶的弹性理论 橡胶是由长的柔性分子组成,这些分子在常温下由于热搅动而产生连续的布朗运 动,这些分于具有不同的自由结构。当橡胶分子受外力拉伸,然后又松开时,它们会 在自身热运动允许的范围内回缩到自由状态,这是橡胶具有能够承受较大的弹性形变 而且可恢复形变这一独特性能的主要原因。橡胶分子具有很高的柔韧性和很高的延展 性.却能够在外力存在状态下承受大的冲击【。 为了使橡胶在外力下仍保持一定的形状,需通过一些化学键将分子连接在一起, 这就是“交联”或“硫化”。交联点间的分子链或缠结链虽然仍可以运动、改变形状,但 已受到交联的限制,一定程度地保持在原有的位置上。交联前,橡胶基本上是一个粘 度很高的、有弹性的液体。交联后,它成为柔软的高弹性固体。橡胶具有承受大的弹 性形变的能力,但在实际应用中,橡胶链往往只承受相当小的形变,经常受到少于 ’ %的拉伸或压缩,或少于%的剪切变形.每种形变相对应的应力可以从传统的弹性 分析中得到很好的近似。像所有的固体一样,将橡胶的应力一应变曲线关系简单地假 设为是线性的,则我们只要知道弹性模量值,就可以处理许多普通橡胶的设计问题。 小形变下的弹性性质【 弹性材料在没有变形的情况下是各向同性的,可以用两个基本弹 性常数来描述。 第一个常数是表示弹性体在流体静压下的抵抗体积压缩的性质,用体积压缩模量 表示,它用施加压力、收缩体积?和压力初始体积来表示,见图一,它 们之间的关系用下式表示: . /】 第二章减振橡胶的理论研究 萄 本体压缩 简单剪切 简单拉伸 图?弹性材料的基本弹性常数 第二个常数描述弹性体抵抗简单剪切应力的性质,见图一,将其定义为 。 式中,丫为剪切形变量,是剪切物体的侧向位移占高度的比值。其他常用的弹性 常数可由这两个常数演化而来。拉伸模量杨氏弹性模量被定义为是简单的拉伸应 力与相应的扯断伸长率 的比值【见图?】 :二:里 毒 . 泊松比被定义为是物体在拉伸时横向收缩变形 和纵向拉伸变形 的比【见 图?】 ?/研 ,:兰??????一 . 橡胶类固体的体积压缩模量值很高,与简单液体相比,其数值可达., 而剪切模量相当低,只有.~,比值小~个数量级。与相比几乎 可忽略不计,因此泊松比可近似等于/.,拉伸模量近似等于。如果我 们假设橡胶体积是完全不可压缩的,则/,其小形变下的弹性行为用一个简单的 弹性模量就可以描述了注意当一个橡胶物体被压缩,其体积不会有明显的减少 【.除非压力极高的情况下,相反地,橡胶物体横向膨胀,体积也保持不变。橡胶 弹性模量经常是通过间接的测试橡胶的弹性凹痕来表征。试验方法是用一个有规定尺 寸和形状的钝针头或者用一个平头锥体或球体,在一定的载荷下压入橡胶表面,使用 各种非线性标度就可以得出橡胶硬度值。如下图所示的专门测量橡胶硬度的仪器。 模量值为时硬度为,硬度值范围是从~,模量无限高时,硬度是。 与两种常用硬度标度相对应的剪切模量值可由表一氏和国际橡胶硬度等级 第二章减振橡胶的理论研究 。 得出【 表国际橡胶硬度等级与杨氏弹性模量问的关系 ’ 橡胶材料的单向拉伸 如果将橡胶试样考虑为边长为的立方体,如图?,在这种类型的应变中, 试样的一边以九的比例增大,而另外两边则相应的减小。根据体积不变的不可压缩性 条件可以得到】 一三 名 冯局‖ . 工 ‘虱 末虑变状态 单向拉伸 图应变类型 根据应变能函数 肌 簪 『;’ ,“ 弋 . 得出相应的应变能为 , 缈 一 。~夕 ?名 厂霹\ 剖刁 . 唯一作用的力是拉伸方向的张力。如果是在未应变状态下测定的 单位横断面积上的 力,长度增加时所作的功为.,因此, ,拳////仃斧一,名 . 橡胶材料的单轴压缩 第二章减振橡胶的理论研究 一般所讲的单轴压缩应变状态是在一个立方体的两个对面施加一指向内部的力 而构成的,侧面没有应力。这种类型的应变在形状上与单向拉伸是一样的,但是这时 杖压缩比小于。根据式.,侧向以五的比例膨胀。单位未应变面积上的力也 可以从式.中得到,但是这时也是负值即压缩。因此拉伸和压缩都可以用 一条曲线代表【,如图?所示。 一夕:二二二二‖多 / 一.一,一一一’ . ,,呵, . . / 拉伸比 . 七 拉伸或?捂 ’户 岳 图.力和拉伸压缩比之间的理论关系取. 橡胶材料的简单剪切 简单剪切可以用平行于一个固定平面的另外一个平面滑移一定距离来表示,而滑 移的距离与这两个平面之间的距离成正比如图?。 ?一 图.滑移的距离与这两个平面之间的距离 它是用体积不变的形状来定义的,不管材料是否不可压缩。立方体的侧面由于剪 切而变成平行四边形。剪切量可以测定垂直边倾斜角的正切得到。垂直于面 即剪切面的平面没有应变【】。因此,相应于该方向的拉伸比为。由于体积不变 所以可以用应变的长轴九表示三个主拉伸比,也就是 丑,冯,五/ . 应变主轴的方向与滑动方向并不具有任何简单关系,而是取决于应变的大小。剪 第二章减振橡胶的理论研究 切量丫既可以同角也可以同主拉伸比用的下列关系式联系起来 缈一/ . 从式.和.可以得到应变能 形圭职彳/砰圭钞 .? 假设对物体作的功完全是由于剪切力引起的,即有 乞匆回 . 这意味着剪切应力正比于剪切应变。因此在简单剪切中能服从虎 克定律,而 值相当于经典弹性理论中的刚性模量。由此,从统计理论可以得 到橡胶在剪切时服从 虎克定律,但在拉伸或压缩时却不如此。 ..橡胶的动态特性及其相关因素 当材料在承受简谐激励的振动载荷下,将产生交变的应力。和应 变 在弹性材料 中,与 近似同相位材料的弹性模量为【】 : . 弹性元件的刚度为 :笠 ? . 式中:一弹性元件受压面积: 一弹性元件的原始高度: 同样的,在剪切载荷作用下,橡胶材料的剪切弹性模量,即使剪切 应力和剪 切应变九的比值: 二 . 而剪切刚度为 二 , , 厶 . 式中:一弹性元件受剪面积; 一弹性元件的原始高度。 一般 . 式中:一材料的泊松比。 】。在简谐激励 在橡胶类材料中。与 之间有一相位差,即。滞后于 一个‘第二 章减振橡胶的理论研究 的情况下,设 毛尸 . 则 口料? . 由此导出复弹性模量 :鱼:?./?:鱼, 骞 毛朋 毛 力 . 式中:,橡胶材料的同向、贮存弹性模量; .一橡胶材料的正交、损耗弹性模量; ./’??橡胶材料的损耗因子。 由式.可知 ? 旷../’ 在大多数实际情况下复弹性模量 的实部’和杨氏模量之间的差 别很小,可以忽 略如图.。 图.粘弹性材料的复合模量 同样的,剪切时的复弹性模量矿为 七心七吣 . 或 ?,? 矿:二卫‖? 橡胶的剪切损耗因子为 声 . 橡胶材料的和在常用的频率范围是相等的,即 刁参罟夕 . 第一章减振橡胶的理论研究 由此,橡胶材料的刚度,可用一个复刚度来表示: 矽力 . 式中’一橡胶弹性元件的单向位移刚度同相动刚度 一反映橡胶材料阻尼特性的正交动刚度即结构阻尼系数 这样这个复数同时代表了橡胶元件的动刚度和阻尼。 在振动中,橡胶材料所需的激振力为 工 . 为了推导公式的方便,设振动为正弦的,也就是取.‖的虚部 而’甜 . 则相应的激振也取虚部: , ’/ . 因为 。?,:?盘,,:?.三 而/ . 所以 。 ?一砒??届可 . 这样 佤一, . 不难看出式.是一个椭圆方程。显然,每个循环的能量消耗就是椭 圆所围成的 面积: 世爹厂?办烈肌?乃厢卜砌 . 橡胶材料的应变能为: :妻“ . 因此能量比为: ????????????????? 竺塑: /删 . 所以橡胶材料的损耗因子表示了每周振动消耗的能量与最大应变能位能之 比,它反映了橡胶材料的内部摩擦,即阻尼的大小。一般防振橡胶的值范围为.~ .。 将式.同粘性阻尼中每个振动循环中所消耗的能量: 缸,“ . 相对照。可以看出对防振橡胶来说,如果所采用一般的运动方程式,则其等效的第二章减振橡胶的理论研究 粘性阻尼系数将为 , 乙了 通过以上可以看出,橡胶的动态特性是一种物质常数。而橡胶的动态特性一般是 随下列因素而变化的量。 温度; 振动频率; 平均变形与变形振幅或平均应力与应力振幅。 上述三因素中,当要考查其中一种因素的影响时,需要使另外两种因素保持一定 进行实验。把这样用独立变量求得的动态特性,称作温度特性、频率特性、振幅依存 性。 .橡胶减振器主要参数确定 ..硬度及弹性模量 丁腈橡胶是中等硬度的橡胶,其邵氏硬度的数值在的范围内。一般情 况下橡胶材料的剪切弹性模量;和其邵氏硬度之间大致存在下列关系【】: :.厨’ 季 孽 薹 ?冀一蠢? 图橡胶的弹性模量和其表面硬度间的关系 当作为弹性支承的橡胶在横向可以自由地膨胀时,橡胶的压缩弹性模量; 当弹性支承与金属相粘合约束其自由膨胀时,刚度就要显著增加,就大于, 通常在设计计算时仍取。结构外形对橡胶变形的约束作用,可通过形状系数 第二章减振橡胶的理论研究 ,则为。 来考虑。对硬度~的丁腈橡胶,可取为 / 。图则示出了隔振橡胶的弹性模量和其表面硬度间的关系。 / ..许用强度及最大允许变形 隔振橡胶的许用强度及最大允许变形是从耐久性及限制蠕变量来考虑的。橡胶标 的隔振橡胶,其许用应力可参照表.来选取‘。 准试片的拉断强度为./ 表隔振橡胶的许用应力 橡胶的变形常用其本身厚度的相对值来限制,一般应符合下列要求: 静态负荷下: 压缩变形 %; 剪切变形%; 动态负荷下: 压缩变形%; 剪切变形%。 ..形状系数及动态系数 橡胶悬置的外形由约束面及自由面构成。约束面通常和金属相粘接,当受压缩载 荷时它即为承压面积,自由面则指垂向加载于约束面时产生变形的那一个表面.在受 压缩载荷时,橡胶横向胀大,但与金属相粘接的约束面则受约束,只有自由面在变形。 这样,在同样的弹性模量下,约束面越大,自由面越小,则悬置块的刚度将越大。在 受剪切变形时,约束面几乎没有作用,但随着橡胶的增厚产生了弯曲的影响,结果刚 度便下降。因此,作为一种弹性材料,虽然其基本的物理性能不会由于外表形状而改 变,但如按虎克定律: 三:型三 暑访, .第二章减振橡胶的理论研究 去推算其弹性模量时,却会出现差错,这主要是由于外形形状影响了悬置块的刚 度。因此对于具有一定外形的悬置块,其应力和应变的比值将不是弹性模量,而是 表现弹性模量,两者的关系为【】: 丘妒,刀‘乞 . 式中的称为形状系数,其值取决于悬置块的外形特征及约束面与自由面之比, 用公式表示为: :约束面积/自由面积 的关系,可按下列公式给出【】: /.,,一,,.,,’适用于.时 和金属材料不同,橡胶材料在承载变形时,其应力和应变之间有很大的延滞性, 因此其动态弹性模量比静态弹性模量大,两者的比值称为动态系数或动静比,常用 表示。的数值随频率、振幅、温度、橡胶硬度及配合方式而异,还和承载方式有关 如压缩时.~.;剪切时.~.,因此难于获得正确的数值,一般在计算 时丁腈胶可按..选取,当邵氏硬度为度时,.。经研究发现,随着 橡胶硬度的增大而加大。还随装置振动变形的强度而变化。当装置振动的相对变形 大于%时,的变化较明显;而当该变形小于%时,并无明显变化。另外在机械 振动频率.范围内,几乎也不发生什么变化。 ..橡胶阻尼比 由于橡胶内部的分子摩擦而产生的衰减特性是减振橡胶的一个突出的特性,正由 于存在这种内部摩擦所以才使减振橡胶的动态特性不同于静态特性。从消除高频振动 特别是声振动及吸收较大的冲击载荷来说,通常希望有适当的、以致有足够的内部摩 擦一即阻尼的。但由于有了阻尼就要消耗能量,这部分损失的能量变成了热能,又因 橡胶是热的不良导体,所以热量就积蓄起来引起发热现象,橡胶温度升高,刚度下降, 耐久性降低。因此设计时应注意在结构上要保证能易于散热。同一种减振橡胶胶料, 其阻尼特性在各个方向是相同的,但做成一定形状后,由于结构形状、金属粘接等关 系,其阻尼系数在三个方向就不一定相等即?:?,且比纯橡胶的要大一型】。 同样的整个弹性支承的总的阻尼系数如、以及、等也是各不相等 的。但彼此之间的相差并不很大,还是处于同一数量级的。鉴于一般弹性支承装置的 正常工作范围不在共振区域,阻尼作用不太显著,为了简单起见,且考虑到工程实用, 可将隔振器在三个方向的阻尼系数以及各种振动模式下的阻尼比均视作相等。这样做 的误差并不很大,但对设计、计算却大为简化了。 丁腈橡胶的阻尼比常随着硬度的增加而增加,其之间的关系,见图。 第二章减振橡胶的理论研究 ?. 筮 瞳 .. ?氏童 图?橡胶的阻尼特性与其硬度的关系 ..橡胶隔振器的固有频率 在工程技术中一般所谓的固有频率都是指忽略阻尼而言的,即 峨 \石 如果计及阻尼,则系统的固有频率的数值将要比上面的略小些,公式为: ?.一?.?? . 一般隔振材料的阻尼比芎不大,所以和之间相差很小。为简单起见通常 忽略阻尼对固有频率的影响,取作为系统的固有频率。 固有频率的另外一种表达方式是用表示。一般隔振器垂向频率最为重要,这 样固有频率可以用下面的公式表示: 詈击厣“粥厣“粥居 陆, 式中:一橡胶隔振器垂向总的动刚度/ 一物体总重量, 一橡胶隔振器在物体总重量下的静挠度变形; 一橡胶材料的动态系数 第三章本课题的测试、评价流程 第三章本课题的测试、评价流程 在现代汽车工业的设计中,振动、冲击与噪声控制的问题已越来越受到人们的高 度重视。诚然,这是三个性质迥然不同的问题,解决的途径也不尽相同,但是有一点 却是共同的,即在大多数场合下均需装设弹性支承。而弹性支承的效果好坏很大程度 上取决于其固有频率。 在工程实际中,一般遇到的弹性支承的布置多少总带有一定的规律性和对称性, 非遇不得已,或有某种特殊要求时,一般是不会将它们人为地布 置成不对称的。 摩托车油箱的外形可以认为是不规则的仅左右对称,质量分布前后是不均匀 的,因此前后弹性支承隔振器或其他弹性元件的动力特性是各不相同的,通常摩托 车油箱弹性支撑的布置位置在左右方向上是对称的。每个弹性支承的三个相互垂直的 刚度轴的安装方向也可以是任意的,即它们之间毋需相应平行或成某个特定角度。 目前摩托车油箱悬置系统采用减振橡胶套和金属衬套配合的方式减振橡胶套高 度比金属衬套高度高.对油箱和车架进行柔性连接来达到隔离振动的目的。 虽然比油箱和车架直接刚性连接的减振效果好,但由于国内摩托车的振动源一发动机 本身的振动较日本摩托车大。 本文在参考有关橡胶减振的相关理论和文献基础后,对减振橡胶套不同压缩量进 行理论和实验对比后,发现实际效果不太理想。在做了大量实验和实际试骑评价后, 采用反向思维,让减振橡胶套高度比金属衬套高度低后发现减振效果十分明显。 在几种车型上进行了反复验证,减振效果都比较明显。 .摩托车油箱及其悬置系统的振动模型的建立及分析 ..摩托车油箱及其悬置系统简介 我们知道摩托车油箱及其悬置系统的振动加速度是在车架的共 振特性上叠加 发动机的激振力。而摩托车车架一般情况下在常用发动机转速一 都有共振:发动机的激振力与发动机转速成平方关系。如图.所示 第三章本课题的测试、评价流程 图.摩托车油箱及其悬置系统的振动合成效应 因此摩托车油箱及其悬置系统的振动加速度的振动特点有两个: 在常用发动 机转速都有共振:在发动机高转速时振动较大。如图所示 ? 筐 确? 镬 具 ?:往复部位的 需 重量君塞等 囊 :行疆 ?:曲轴角速度 发动机转教 图.摩托车油箱及其悬置系统的振动加速度特性 由于摩托车车架一般情况下是采用钢管或钢板冲压等钢铁材料焊接而成;加上摩 托车发动机振动的自然属性。因此采用普通钢结构车架生产的两轮摩托车无法摆脱一 般性振动模式上图所示的两个振动特点 摩托车油箱很早以前就已经采用橡胶进行减振,但国内摩托车生产厂家并没有考 虑如何使橡胶的减振效果达到最大。因为只是在结构型式上照搬国外进口摩托车油箱 减振橡胶块,加上发动机、摩托车车架的减振设计和制造水平的限制,从而使得国内 摩托车生产厂家生产的同样一款摩托车整车比进口的原装摩托车整车振动较大。本着 任何事物都遵循的从易到难,从特殊到一般的自然规律。因此本论文决定从摩托车油 箱悬置系统入手进行研究,从而将其研究成果向其他摩托车振动要素延展和推广。 摩托车油箱及其悬置系统结构示意图如图.所示: 图摩托车油箱及其悬置系统结构示意图 摩托车油箱及其悬置系统等效振动模型【】如图.所示: :油箱的质量 :前防撮橡胶的弹性栗教 :前防振搬胶的蠢藏系数 :后防扳橡胶的弹性系数 :后防振搬胶的囊鼍系 ?:发动机?曲轴的角速度叫:? :曲轴的频率转散 、 还有车槊的扳动频率 图摩托车油箱及其悬置系统等效振动模型 为简化分析、计算过程,特做如下简化的油箱等效振动模型如图. 所示: :油箱的质量 :后防摄橡胶的弹性系教 简单化 :后防摄橡胶的囊疆粟散 日?:发动机?曲轴的角遮度 ?不 :曲轴的频率转教 图简化后的油箱及其悬置系统等效振动模型第三章本课题的测 试、评价流程 ..摩托车用油箱减振橡胶的衰减特性 激振源发动机、摩托车车架的发动机角速度?和摩托车车架固有角速度 的比值振动比?/与被振动源摩托车油箱的振动传递率九的关 系共振曲线引,如下所述。 激振源发动机还有车架的角速度叫与固有角速度的比振动比:/ 粤被振动源油箱的振动传递率的关系共振曲线.如图所示。其中为油箱 的质量:为防振橡胶的弹性:为防振橡胶的阻尼。 ? 传 / 递 蛊 振动比‘/ 图振动比/。与被振动源的振动传递率的关系缈:发动机曲轴转速,.矿 /:曲轴的转动频率 :车架的振动频率:?去 ‰矾 ,:车架的固有频率 竺:振动比 ? ?肌七:临届阻尼系数 二:衰减比 纠: 运动方程:垂三拿生.? ‘ 朋讲 朋 朋 传递率:. 上式中的艿为静态压缩量:万华。 呶厂 图.振动等价模型 田午顿弟一足翠: 朋?口七?工一?鲁凡??? ‘ 口号 盼参..去‰一州 .参.鲁民一州 拿音?去寺?工一鲁?州。 一般解同次微分方程式: 州归‖~一,笛茜士?/寺一音 似驯?户 睁石 ?奇九嘲‘‖?螂? 畔?/音一音 特解同次线性微分方程 妒意器 .‘百 一般解非同次线性微分方程 目前国内摩托车生产厂家生产的摩托车整车,其油箱前后减振橡胶的安猫状杰均第三章本课题的测试、评价流程 为过度压缩状态减振橡胶被过度压缩,一般压缩量大于%,如图.所示。 过度紧 图油箱后悬置结构示意图 减振橡胶的衰减特性 橡胶在小变形允许的振动振幅范围内时,其衰减特性如下图所示;如果被过 度压缩后,其衰减特性将发生变化:弹性系数将变大,衰减系数将变小【州。如图 所示 / 重量 .煳 移: //变位 :晴擐收腔剖 』/陟 :防撮蠢腔瞽 图减振橡胶的衰减特性: 摩托车油箱减振橡胶的预压力螺栓拧紧力与衰减特性 通常摩托车油箱后减振橡胶的采用螺栓拧紧的安装方式。由于设计不合理,不可 避免的会产生减振橡胶被过度压缩情况。由上图我们可以发现由于螺栓拧紧力过大, 弹性系数将变大,由公式,我们可以得出临界衰减系数将变大。 如果变大的话,/衰减比会变小。从图.可以看出,如果/衰 减比会变小,共振会加强振动会变差图.减振橡胶的衰减特性 因此为最大限度减小摩托车油箱的振动,将弹性系数变可。由图.可以 得出减小摩托车油箱减振橡胶的预压力螺栓拧紧力,可以使其弹性系数变小, 从而振动振幅也会相应减小。 , 力 图.减振橡胶的预压力与衰减特性 另外摩托车油箱减振橡胶的预压力螺栓拧紧力减小弹性系数减小,由公式 驴后固有角速度可以得龇变,、。 第三章本课题的测试、评价流程 从图.我们可以得出:在彩/。振动比时,共振频率共振转速将降 低。当/振动比.时,由于传递率,其衰减振动的效果将越来越明显。 根据我们的研究摸索,我们发现:一般而言,我们需要在/的时候来设定 我们的摩托车油箱减振橡胶的弹性系数。但是实际情况是,如果要在所有转速都满 足较好衰减效果,几乎是不可能的。如果/振动比,在常用转速 .以下出现的话,由于变大,有协同作用,衰减效果将非常 明显。 共振曲线 ? 丸 冀 臻 枣 图.摩托车油箱减振橡胶的衰减特性 改变摩托车油箱减振橡胶的弹性系数的方法【】: ?改变减振橡胶的硬度如图.所示第三章本课题的测试、评价流程 重量 \ .‖亏 奠 彦‘ ....。..‘:.:....?多 骺...../.?“‘‘”‘ 夕勿位 ????‘??? :阳防摄橡胶 /’, :方裹中防振 数 ?夕 :防摄糠胶的 鼍 爨 丹冀懈 锥 囤 图减振橡胶的硬度与其衰减率、固有频率关系 ?改变减振橡胶的截面形状如图.所示 重量 叫是 ?。’。’ 。 ,笺 .:/ 封.., 名 :方 二”钐, 图?减振橡胶的截面形状与其衰减率、固有频率关系 ?改变减振橡胶的容量如图.所示第三章本课题的测试、评价流 程 紧 丹建? ?悱 囿 图.减振橡胶的容量与其衰减率、固有频率关系 .摩托车油箱悬置系统的基本参数的确定 ..减振橡胶静态弹簧常数静刚度测试 静态弹簧常数是用橡胶隔振器在静态下的载荷变化作为分子与 相应的挠度变化 作为分母之比表示的。 藏摄橡胶 实验机 图? 减振橡胶静态弹簧常数静刚度实验示意图 图减振橡胶静态弹簧常数静刚度实验测试过程图 第三章本课题的测试、评价流程 静态弹簧常数实验在电子式弹簧拉压试验机上进行,试验机型‘号.最大 载荷为,.精度等级级。如图.、图.所示。试验机本身有载荷的测定和 显示机构,实验结果输入微机中处理,输出为曲线图形式,横坐标表示为挠度即变 形量,纵坐标表示为加载。试验时注意到硫化橡胶的滞后效应,从载荷试验载 荷的上限,要进行两次预加减载,对第三次加载过程进行测定。载荷需缓慢加载于隔 振器使其变形速度控制在/橡胶变形量不超过厚度的%。 试验在集团汽油机分公司的设备上进行,试验结束后数据汇总制成橡胶隔振器压 缩测试报告。进程试验数据如下表: 根据试验进程数据测试报告给出该车油箱前、油箱后上、油箱后下橡胶 减振器负荷.变形曲线如图.、图.、图.所示: / ./ ./ // 加印卯柚如?竹图.油箱前减振橡胶负荷.变形特性图 、 /。 / / / / , / / 的屿柚弱如: :己 . . . .图.油箱后上减振橡胶负荷变形特性图第三章本课题的测 试、评价流程 “ / / / /’ 巧巧钙坫弱巧任图.油箱后下减振橡胶负荷.变形特性图 从以上图示的曲线可以看出油箱前、后减振橡胶负荷.变形特性基本表现为线性 关系。 橡胶减振器静态弹簧常数用表示则有/。 其中,为加载。为变形。根据试验数据可以计算出油箱前橡胶减振器静态弹 . / 簧常数试验值为/。前 同样道理,可以根据试验进程数据测试报告给出该车油箱后上橡胶减振器负 荷.变形曲线如下图: 根据试验数据可以计算出油箱后上橡胶减振器静态弹簧常数试验值为 / /。后上. 根据试验数据可以计算出油箱后下橡胶减振器静态弹簧常数试验值为 / /。后下 ..橡胶隔振器动态弹簧常数动刚度实验 摩托车油箱用橡胶减振器在一定的频率一般在.和一定的振幅一般不 超过橡胶厚度的%的交变载荷作用下,也就是不超过/的变形速度下测得的受 力与变形之比,称为动刚度,即动态弹簧常数,以表示。 试验方法分为谐振法和非谐振法。非谐振法能任意选定频率和振幅。在进行试验 时要注意为避免试样升温,在达到规定频率后分钟内或经过个周期后立即进行 测定。同一个试样在各种试验条件下进行测定时为避免由前面的试验产生的滞后现象 的影响,频率应该从低频到高频,变形振幅要从小到大。 本试验应该在常温下进行,但我公司现没有对应的设备,因此暂时只能做间 接测试。 减振橡胶硬度测试实验第三章本课题的测试、评价流程 减振橡胶硬度 测试仪器 硬度校正块 图. 减振橡胶硬度测试实验示意图 图.减振橡胶硬度测试实验测试过程图 减振橡胶硬度的测