《液阻悬置》第2章液阻悬置的能评价与实验研究.doc

第二章 液阻悬置的性能评价与实验研究第二章 液阻悬置的性能评价与实验研究2. 1 液阻悬置性能的评价参数液阻悬置或橡胶主簧静态特性的实验主要是测试其垂直方向和两个水平方向的刚度，即力位移曲线。液阻悬置或橡胶主簧的动态性能实验是在SCHENCK MHF电液振动实验台上进行的。实验时，实验样品与发动机相连的一端与实验台的作动头端相连，另一端则固定于实验台上，装夹方式与液阻悬置装于汽车上的实际情况相同。实验时，首先给实验样品施加一定的预截荷，此预载荷等于液阻悬置所受到的发动机的静载荷，然后在作动头的一端施加位移激励。记录与作动头端相连的位移传感器的位移信号和与固定端相连的力传感器的信号。液阻悬置及其橡胶主簧的静态力学性能，主要由其三向静刚度来评价。体积刚度也是一种静刚度，是液阻悬置动特性仿真时的一个重要参数，是一种间接的特性评价指标。动特性主要有以下评价参数：1. 动刚度和滞后角动刚度和滞后角有以下两种方法。1) 基于FFT计算的动刚度和滞后角由于液阻悬置及其橡胶主簧的非线性，记录的力信号中，不仅包括与激振频率同阶的信号，而且还包含其高阶量。因此，表示为： （2-1）式中， 、为每阶正弦力响应的幅值和滞后角。定义复刚度为F()/F() （2-2）式中，F代表傅里叶变换，假定与激振圆频率同阶的力响应 远大于及其高阶响应的幅值，则 (2-3) 定义时的复刚度为F()/F() (2-4)上式中，为存储刚度，为损失刚度，动刚度和滞后角的定义为： (2-5)动刚度反应了在一定的激振频率下，响应力的幅值与激振位移的幅值比；而滞后角反应了位移滞后于力的角度，表征隔振元件阻尼的大小，工程上常用阻尼系数C表示，定义为： (2-6)2) 基于DIN 53513标准的动刚度和滞后角2,83。此标准假定系统为线性系统，即当激励位移为正弦时，其力响应亦为正弦，以位移为横座标，力为纵坐标，即得到系统的迟滞回线。记、分别为力和位移的幅值，为迟滞回线的面积，则动刚度、滞后角可以由以下公式计算得到：动刚度 (2-7)滞后角 (2-8)利用实验采集到的做动头端的位移信号与固定端的力信号，按基于FFT计算滞后角的公式（2-5）和基于DIN 53513计算滞后角的公式（2-8）计算了惯性通道解耦板液阻悬置在预载荷为2000N，激振振幅分别为1.0mm、0.2mm时的滞后角，计算结果如图2-1所示。由图可见，基于FFT与基于DIN53515标准计算滞后角的公式虽不相同，但结果基本相同。利用公式（2-5）与（2-7）得到的动刚度是一致的。在下文给出的结果中，所给出的滞后角均为基于FFT计算得到的滞后角。 (a) 低频 (b)高频图 21利用FFT和DIN 标准计算得到的动刚度和滞后角在文献17,27中，提到用复合激励时的动刚度来评价液阻悬置的性能。希望复合激励时的动刚度与小振幅、高频激励的动刚度相同，以保证降噪效果。2. 高频动态硬化时的最低频率对液阻悬置，希望高频动态硬化时的最低频率尽可能的高，以降低振动传递率和提高降噪效果，动态硬化时的最低频率是评价液阻悬置的性能指标之一。对液阻悬置的性能进行评价时，最常用的指标为动刚度，滞后角或阻尼系数，液阻悬置在复合激励时的动刚度和高频动态硬化时的最低频率一般作为参考。2.2 液阻悬置静动态特性实验研究方法2.2.1 实验样品及其特点实验样品见表2-1。表 2-1 实验样品样品名称特点与用途1液阻悬置惯性通道活动解耦板式，测试其静、动特性。2液阻悬置惯性通道式，将样品1的活动解耦板固定而得，测试其静、动特性。3液阻悬置上液室将样品1的活动解耦板和底膜去掉而得，用于上液室体积刚度测试。4橡胶主簧将样品1的液室隔板、底膜、液体均去掉后而得，测试其静、动特性。实验样品1的结构示意图见图2-2。实验样品1、2和3橡胶主簧的结构与材料与橡胶主簧4相同，实验样品1和2惯性通道的尺寸相同。图 22 液阻悬置1结构示意图2.2.2 静态力学性能实验(a) X方向装夹图(b) Y方向装夹图图 2-3 测试悬置X、Y方向静刚度时装夹图液阻悬置和橡胶主簧元件的静态力学性能实验主要是测试垂直方向（Z 向）及两个水平方向(X、Y向)的刚度，即力位移曲线。垂直方向的静刚度较容易测得，而测试其X、Y方向的刚度，则需要借助于专用的夹具。图2-3为测试液阻悬置和橡胶主簧在长度方向（X向）及宽度方向（Y向）静刚度的装夹图。由图可见，在测X、Y方向的静刚度时，是借助于两个液阻悬置或橡胶主簧测量的。2.2.3液阻悬置体积刚度的测量体积刚度是液阻悬置集总参数模型动态性能仿真中的一个重要参数。对实验样品3，由于液体是不可压缩的，因此上液室体积刚度的大小取决于橡胶主簧的弹性，而下液室的体积刚度取决于橡胶底膜的弹性。由于橡胶底膜的厚度较小，且与大气直接相通，因而当悬置工作时，下液室内的压力基本与外界大气保持一致，压力波动较小，因此可将下液室的体积刚度近似的视为零。图2-4为液阻悬置上液室体积刚度测试的示意图。实验时，调节压力调节器以改变管路中的压力，记录与管路中与液体相连的压力表的压力及其透明玻璃管中液体液位的下降，由此可计算出上液室的压力与其体积的关系。对于不同的压力，由以上实验方法，可以得到上液室的压力与体积的惯性，进而求出上液室的体积刚度。图 24 上液室体积刚度实验装置图2.2.4 动态性能的实验25液阻悬置动特性实验装置图液阻悬置或橡胶主簧的动态性能实验是在SCHENCK MHF电液振动实验台上进行的，图2-5为液阻悬置动特性实验的装置图。SCHENCK实验台的数据处理系统可以记录位移激励和动反力的时间历程，并计算得到被测试对象的动刚度和滞后角。实验时，我们利用独立于实验台的基于工控微机的动态采集系统，实时记录了激振的位移信号和响应力信号，计算了动刚度和滞后角，并与SCHENCK实验台给出的结果进行了对比，其结果一致。表2-2为基于工控微机数据采集设备的规格，在对液阻悬置的内特性进行实验时，其压力和温度的时间历程均是通过本采集系统得到的。利用此数据采集设备记录位移、动反力和上液室液体压力和温度的时间历程时的采样频率为：低频段（150Hz）为1024Hz，高频段（30200Hz）为4096Hz。SCHENCK实验台上位移传感器的量程为-2525mm，力传感器的量程为-2525KN，输出电压为-1010V。表2-2 动态数据采集设备数据采集设备说明Daqboard200016Bit,16/8 Channels采集卡DasyLab5信号采集和分析组态软件2.2.5 液阻悬置内特性的实验图 2-6 压力与温度传感器的安装示意图液阻悬置的内特性是指液阻悬置在不同的工况下，其上、下液室的压力和液体的温度随时间的变化关系。由于液阻悬置底膜的体积刚度很小，且直接与大气相通，因此，可近似认为下液室的压力接近于其背压，即大气压(100Kpa)。实验时，假定上液室的压力为均匀分布。为了测得上液室液体的压力和温度，在橡胶主簧上安装了压力传感器和温度传感器，安装示意图见图2-6。传感器的质量很轻，因此可以认为安装传感器后，液阻悬置的性能不会变化。实验所用压力传感器的量程为：-11Mpa（表压），输出电压为-55V，温度传感器的量程为-100C1000C，输出电压为05V。2.3 液阻悬置特性的实测结果及性能评价分析2.3.1 静态特性实验结果与分析图 2-7 液阻悬置及其橡胶主簧三向静刚度图2-8 体积刚度实验结果图2-7为液阻悬置及其橡胶主簧的三向力位移关系曲线，由图可见，液阻悬置的力位移关系与橡胶主簧的力位移关系基本相同，且基本为线性。图2-8为实测的液阻悬置上液室液体压力体积的关系曲线，近似为线性。2.3.2 动特性能实验结果与分析1. 橡胶主簧的动态特性图2-9为橡胶主簧（实验样品4）的低频动态特性，图中给出了同一激振振幅（A1.0mm），不同预载下橡胶主簧的低频动刚度和滞后角。由图可见，动刚度和滞后角随频率的增加而增加，预载增加时，动刚度和滞后角均增加。图2-10为橡胶主簧在同一预载（2000N），不同振幅时的低频动刚度和滞后角的曲线。实验结果表明，振幅增加时，动刚度减小，滞后角基本保持不变。(a) 动刚度（b）滞后角图 2-9 橡胶主簧的低频动态性能(a) 动刚度(b) 滞后角图2-10 激振振幅对橡胶主簧低频性能的影响当激振振幅为0.2mm，在不同预载时，橡胶主簧高频动态性能的实验结果见图2-11。由图可见，高频动刚度和滞后角随激振频率的增加而增加，并且高频动刚度增加的幅度要比低频动刚度随频率增加的幅度大，出现了动态硬化现象。预载增加时，高频动刚度增加，而滞后角的变化不大。(a) 动刚度(b) 滞后角图2-11 橡胶主簧高频动态性能2. 液阻悬置的动态特性图2-12为惯性通道式液阻悬置（实验样品2）在同一激振振幅（A=1.0mm）不同预载下的低频动态性能，由图可见，预载增加时，其动刚度略有增加，而滞后角的变化并不大。（a）动刚度b) 滞后角图2-12 液阻悬置2低频动态性能在同一预载(2000N)下，以不同的位移激振振幅时，惯性通道式液阻悬置2的低频的动特性如图2-13所示。由图可见，振幅增加时，其动刚度和滞后角均减少。（a）动刚度（b）滞后角图2-13 激振振幅对液阻悬置2性能的影响图2-14为惯性通道式液阻悬置(实验样品2)在激振振幅A=0.2mm，不同预载下的高频动特性。可见其动刚度随激振频率的增大而呈增大趋势，在约125Hz后显著增大；滞后角曲线在125Hz附近出现第二个峰，其峰值随预载的增大而减少。(a)动刚度(b)滞后角图2-14 液阻悬置2高频动特性图2-15为惯性通道活动解耦板式液阻悬置在两种典型激振工况下的动特性实测曲线（低频域激振振幅为1mm，高频域激振振幅为0.2mm，预载均为2000N），可见该液阻悬置的动特性与激振振幅是密切相关的，亦即具有十分显著的非线性特征。当激振振幅为1mm时，其滞后角在f=7Hz处达到最大值，可抑制发动机怠速时引起的车身振动。当激振振幅为0.2mm时，在低于110Hz的频率范围内，其动刚度小于1mm激励下的值，可具有良好的隔振特性；当激振频率大于110Hz后，其动刚度显著增大，出现了动态硬化现象；与此相应地，滞后角在100Hz附近达到峰值，在65160Hz范围内超过了20O。这种液阻悬置地高频动态硬化是由于橡胶主簧和解耦板的动态响应特性所致。图2-15 两种典型激振工况下液阻悬置1的动特性3. 液阻悬置与橡胶主簧特性的比较图2-16为惯性通道活动解耦板式液阻悬置（实验样品1）与其橡胶主簧（实验样品3）在同一振幅(1.0mm )、同一预载（2000N）下的低频域动刚度与滞后角的实测曲线，可见液阻悬置的动刚度和滞后角远大于其橡胶主簧的动刚度和滞后角，说明液阻悬置的液体阻尼机构（液体，惯性通道，解耦板等）对其低频动特性具有决定性的作用。当激振振幅为0.2mm、预载为2000N时，惯性通道解耦板液阻悬置（实验样品1）和橡胶主簧（实验样品4）的高频动态性能的实验结果见图2-17。由图可见，液阻悬置的高频动刚度和滞后角大于其橡胶主簧的高频动刚度和滞后角，说明液阻悬置中的液体阻力机构对其高频动特性的影响也很大。(a)动刚度（b）滞后角图 2-16 液阻悬置1与橡胶主簧低频动态特性比较(a) 动刚度(b) 滞后角图2-17 液阻悬置1与橡胶主簧的高频动态特性的比较4. 两种液阻悬置特性的比较通过对惯性通道式活动解耦板式液阻悬置（实验样品1）和惯性通道式液阻悬置（实验样品2）的动态特性的比较，可以分析解耦板对液阻悬置特性的影响。图2-18给出了在同一预载（2000N）、同一激振振幅下（1mm），两液阻悬置的低频动态性能。从图中可见，液阻悬置2在共振幅峰处的动刚度和滞后角均大于液阻悬置1的动刚度和滞后角，在整个低频范围内，液阻悬置2的动刚度略大于液阻悬置1。但在13HZ以后，液阻悬置2的滞后角小于液阻悬置1。当激振振幅增大为2mm，液阻悬置1和2的动特性的规律基本相同。实验还发现，当激励位移为低频、大振幅时，液阻悬置1出现明显的噪声，这是由于解耦板与液室的上下隔板相撞击而发出的噪声。(a) 动刚度(b) 滞后角图 2-18 液阻悬置1和2的低频动态性能的比较(a) 动刚度(b) 滞后角图2-19 液阻悬置1和2的高频特性的比较当激振位移幅值为0.2mm、预载为2000N时，液阻悬置1和2的高频动特性见图2-19。可见，在150Hz以下的频率范围内，液阻悬置2的动刚度大于液阻悬置1的。液阻悬置1的滞后角大于液阻悬置2的，并且在100Hz附近出现了较大的峰值，这是解耦板的惯性所引起的，这是所不希望的。5. 液阻悬置内特性的实验结果与分析当激振位移为、(mm)时，上液室的压力一时间历程曲线分别见图2-20(a)、(b)。由图可见，上液室的压力-时间历程基本上为正弦，且当激振位移为低频大振幅时压力的幅值较激励位移为高频小振幅时的大。(a) 1mm 10Hz (b) 0.2mm 100Hz图 2-20 上液室的压力时间历程曲线 图2-21 液体温度时间曲线为了测得液体的温度随时间的变化规律，实验时施加的位移激励为（mm），温度的时间历程见图2-21。经过2小时的实验，液体的温度从19OC增加到70OC，实际上，此位移激励为一特殊工况，汽车发动机很少长时间工作在此种工况下。此实验结果表明，液阻悬置中液体的温度随时间上升的很缓慢，液体的粘度变化很小。可以认为，液阻悬置在汽车通常的行驶工况下，其动态性能不受液体粘度变化的影响。2.4 液阻悬置材料参数的测量液阻悬置的材料参数包括橡胶主簧材料密度，液阻悬置中液体的密度和粘度，它们是进行液阻悬置动特性仿真分析的重要参数。橡胶材料和液体密度见表22 。由表可见，它们比水稍重，并且两者非常接近。表22 材料密度（kg/m3）液体密度主簧橡胶材料的密度1.0531031.036103液体粘度的实验数据见表23，由表可见液体的粘度随温度的上升而逐渐变小。60时的粘度水平只有20时粘度的1/7。液阻悬置在工作时，液室内部液体温度上升较为缓慢，因此在对液阻悬置动特性进行仿真计算时，可以将液体的粘度视为常数。表23 液体的粘度温度 （）粘度（Pas）20583042402150126092.5 本章