動(dòng)力總成懸置靜、動(dòng)剛度的測(cè)試研究

辛強(qiáng)，陳俠，王志懷

(蘇州中汽檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，江蘇蘇州 215134)

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動(dòng)力總成懸置靜、動(dòng)剛度的測(cè)試研究

辛強(qiáng)，陳俠，王志懷

(蘇州中汽檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，江蘇蘇州 215134)

摘要：基于MTS831.10彈性體測(cè)試系統(tǒng)對(duì)某款車型上的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成懸置進(jìn)行靜、動(dòng)剛度特性的測(cè)試，闡述橡膠元件靜、動(dòng)剛度的測(cè)試原理，探索和總結(jié)影響結(jié)果的幾個(gè)重要因素，為相關(guān)的汽車零部件及整車開發(fā)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力總成懸置；靜剛度；動(dòng)剛度；測(cè)試

0引言

隨著現(xiàn)代汽車使用性能要求的不斷提高，汽車中使用越來(lái)越多的橡膠元件，主要有動(dòng)力總成懸置、各式各樣的襯套、曲軸扭轉(zhuǎn)減振器和排氣管吊耳等。其中動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)在整車中的主要作用是支撐、限位、隔震、降噪，文中闡述了對(duì)其進(jìn)行靜、動(dòng)剛度測(cè)試的意義，測(cè)試原理及影響測(cè)試結(jié)果的重要因素。

1進(jìn)行靜、動(dòng)剛度測(cè)試的意義

汽車動(dòng)力總成通過懸置安裝在汽車底盤或車身上，它主要有以下幾個(gè)功能：(1)支撐功能。當(dāng)車輛靜止時(shí)，主要靠懸置靜剛度起支撐動(dòng)力總成的作用，所以必須確保有足夠的靜剛度K。(2)減振功能。當(dāng)車輛行駛時(shí)，懸置承受來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)與地面的激勵(lì)，所以要求動(dòng)力總成懸置在相對(duì)應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，具有足夠低的動(dòng)剛度K′，以防止將發(fā)動(dòng)機(jī)和地面共同產(chǎn)生的振動(dòng)傳導(dǎo)至車身內(nèi)，影響乘坐舒適性。此外，懸置還應(yīng)具有防振功能，即為控制共振(不可避免時(shí))的傳遞率增幅，應(yīng)有足夠高的阻尼。因此，對(duì)于動(dòng)力總成懸置進(jìn)行靜、動(dòng)剛度測(cè)試非常有必要。

2橡膠元件動(dòng)、靜剛度特性測(cè)試

靜剛度K指在一定范圍內(nèi)，其所受壓力(或拉力)變化量與其位移變化量的比值，其計(jì)算公式為：

K=(F1-F2)/(S1-S2)

加載過程中，要求加載速度盡可能慢，一般加載變形速度為0.15 mm/s。靜剛度的測(cè)定必須在一定位移范圍內(nèi)進(jìn)行，不同位移范圍測(cè)定的靜剛度是不同的。

圖1即為靜剛度測(cè)試過程，其中A、B、C、D和F段并非必選項(xiàng)，而E段為靜剛度測(cè)試的正式試驗(yàn)階段，此過程為從試驗(yàn)階段水平1到試驗(yàn)階段水平2然后又回到試驗(yàn)階段水平1，在此期間得到各個(gè)點(diǎn)載荷與位移的值，最后畫出一載荷與位移關(guān)系的曲線。

以某一樣件為例說明，條件為兩終端力值為±3 000 N，測(cè)量點(diǎn)為±100 N，得到以下曲線，圖2中直線2表示加載時(shí)當(dāng)力分別達(dá)到-100和100 N時(shí)，連接兩點(diǎn)所得的直線；直線3表示卸載時(shí)當(dāng)力分別達(dá)到-100和100 N時(shí)，連接兩點(diǎn)所得的直線；將這兩條直線的斜率進(jìn)行平均即可得到樣件的靜剛度，即為圖2顯示的計(jì)算所得的靜剛度值57.52 N/mm。

動(dòng)剛度K′是指在一定的位移范圍內(nèi)、一定的頻率下，其所受的壓力(或拉力)變化量與其位移變化量的比值，其計(jì)算公式為：

K′=Aload/Adisp

動(dòng)剛度必須在一定的位移范圍內(nèi)、一定的頻率下測(cè)定，不同的位移范圍，頻率不同，所測(cè)得的動(dòng)剛度值也不同。

圖3即為動(dòng)剛度測(cè)試過程，其中J段與K段為動(dòng)剛度的正式試驗(yàn)階段，其余皆為可有可無(wú)的選項(xiàng)。此過程為樣件在受到一定的預(yù)載、一定的動(dòng)態(tài)幅值(力/位移)及特定的頻率下進(jìn)行周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在此期間采集各個(gè)載荷峰-峰值與位移峰-峰值，最后畫出動(dòng)剛度與頻率關(guān)系的曲線。

以某一樣件為例說明，條件為預(yù)載為0，在頻率為5 Hz、幅值為±1 mm，頻率為10 Hz、幅值為±0.5 mm，頻率為25 Hz、幅值為±0.1 mm，頻率為100 Hz、幅值為±0.05 mm這些條件下測(cè)試樣件的動(dòng)剛度，結(jié)果如圖4所示：頻率為5 Hz時(shí),動(dòng)剛度為79.75 N/mm；頻率為10 Hz時(shí),動(dòng)剛度為79.23 N/mm；頻率為25 Hz時(shí),動(dòng)剛度為104.40 N/mm；頻率為100 Hz時(shí),動(dòng)剛度為129.30 N/mm。總的來(lái)說，隨著頻率的上升，動(dòng)剛度也隨之增大。

金屬件的動(dòng)、靜剛度基本一樣，橡膠件則基本不一樣，橡膠件靜剛度一般為非線性的，即不同載荷下靜剛度值不一樣，而金屬靜剛度為線性的。

橡膠件動(dòng)剛度隨頻率變化，基本上頻率越高動(dòng)剛度越大，低頻時(shí)變化較大，到高頻時(shí)趨于穩(wěn)定；同一頻率下，振動(dòng)幅值越大，動(dòng)剛度越小。

3影響測(cè)試的因素

在進(jìn)行橡膠件靜、動(dòng)剛度的測(cè)定過程中，一般有以下幾點(diǎn)影響因素：(1)從橡膠配方上考慮，主要因素有：生膠的選用，碳黑的選用和配合量及油的選用。例如，生膠的種類主要分為天然橡膠和合成橡膠，合成橡膠中又有諸多分類如丁苯橡膠、順丁橡膠、丁腈橡膠和乙丙橡膠等，如果改變順丁橡膠的用量，對(duì)于靜、動(dòng)剛度并無(wú)影響，而如果減少丁苯橡膠的用量，雖然對(duì)靜剛度無(wú)影響，但會(huì)降低動(dòng)剛度；選用粒徑小的碳黑可以提高靜、動(dòng)剛度，增大碳黑的配合量也有利于提高靜、動(dòng)剛度；使用芳香烴油比使用環(huán)烷烴油的配方有利于提高靜、動(dòng)剛度。(2)各種懸置的結(jié)構(gòu)方式不同，以及進(jìn)行測(cè)定時(shí)所選擇的方向不同(如軸向或徑向)，所得結(jié)果也不同。(3)如果樣件自身剛度與夾具剛度較為接近時(shí)，必須測(cè)出夾具剛度，然后再將結(jié)果減去夾具剛度以做剛度修正。(4)夾具的影響。夾具做得是否合理，對(duì)于測(cè)試結(jié)果有相當(dāng)大的影響。加工精度、表面粗糙度等是否達(dá)到要求，所設(shè)計(jì)的夾具結(jié)構(gòu)是否能準(zhǔn)確進(jìn)行力的傳導(dǎo)，都對(duì)測(cè)試結(jié)果有影響。如夾具中樣件的放置孔過大，造成樣件與夾具間有間隙，當(dāng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于間隙存在，樣件外骨架并沒有頂在夾具上，所測(cè)得的力將偏小，因此會(huì)對(duì)結(jié)果造成較大影響；還要確保夾具的作用面足夠大，以保證將作動(dòng)缸的作用力傳導(dǎo)至整個(gè)面上。(5)加載速度、預(yù)載、頻率、幅值(力/位移)的影響。對(duì)于靜剛度，要求加載速度越小越好；對(duì)于動(dòng)剛度，頻率越高，動(dòng)剛度越大；幅值越大，動(dòng)剛度越??；幅值越小時(shí)，幅值引起的動(dòng)剛度變化越大；當(dāng)幅值逐漸增大時(shí)，這種影響將越來(lái)越小。預(yù)載越大，動(dòng)剛度越大。圖5所示的曲線為某樣件在不同預(yù)載、相同幅值與頻率下，進(jìn)行動(dòng)剛度測(cè)定的結(jié)果，可以看出預(yù)載對(duì)動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果的影響。(6)環(huán)境溫度。

因此，要獲得得較為準(zhǔn)確的靜、動(dòng)剛度數(shù)據(jù)結(jié)果，必須對(duì)諸多因素進(jìn)行綜合考慮。

4結(jié)束語(yǔ)

汽車動(dòng)力總成懸置除了以上提到的支撐、減振和防振功能外，還應(yīng)保證動(dòng)力總成在諸如汽車起步、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等特殊工況下位移值不能超過允許值，即對(duì)其進(jìn)行限位，以防止和其他零部件有干涉現(xiàn)象。因此，在進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮靜態(tài)變形量與動(dòng)態(tài)變形量。當(dāng)車輛靜止時(shí)，懸置承受發(fā)動(dòng)機(jī)，產(chǎn)生的變形量為靜變形；當(dāng)車輛行駛時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)與地面的激勵(lì)作用下，在靜變形基礎(chǔ)上產(chǎn)生來(lái)回振動(dòng)，所產(chǎn)生的變形量為動(dòng)變形。因此，總的變形量為靜變形量與動(dòng)變形量之和。設(shè)計(jì)時(shí)一般要在此基礎(chǔ)上留有足夠的余量或者在懸置上采用限位裝置來(lái)避免干涉。此外，在進(jìn)行動(dòng)剛度測(cè)試時(shí)，要探尋在哪個(gè)頻率段樣品會(huì)產(chǎn)生共振，在進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要避開這些頻率段。由此可見，對(duì)動(dòng)力總成懸置進(jìn)行靜、動(dòng)剛度的測(cè)試研究是十分必要，不僅為相關(guān)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，而且可提前避免許多需要等到實(shí)車試驗(yàn)時(shí)才能發(fā)現(xiàn)的問題。在進(jìn)行靜、動(dòng)剛度測(cè)試時(shí)，夾具的設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵，因?yàn)閵A具對(duì)中性是否良好涉及載荷路徑是否為一條直線，有無(wú)彎曲，也就影響到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。此外，靜、動(dòng)剛度的影響因素還包括樣品的材料與相關(guān)配方、加工工藝、樣品自身的結(jié)構(gòu)形狀以及測(cè)試條件、環(huán)境溫濕度等。所以要獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)必須綜合考慮諸多因素，這是由橡膠自身獨(dú)特的黏彈特性決定的。

參考文獻(xiàn):

【1】《汽車工程手冊(cè)》編輯委員會(huì).汽車工程手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2001,

【2】溫強(qiáng),余卓平,張立軍,等.懸架中的橡膠支承及其靜、動(dòng)剛度特性試驗(yàn)研究[J].上海汽車,1999(8):7-9.

Testing Research on Static and Dynamic Stiffness of Powertrain Mounting

XIN Qiang, CHEN Xia, WANG Zhihuai

(China Auto Testing Technology Services Co.,Ltd., Suzhou Jiangsu 215134,China)

Keywords:Powertrain mounting;Static stiffness;Dynamic stiffness;Test

Abstract:The static and dynamic stiffness of the engine powertrain mounting of a certain vehicle were tested based on the MTS831.10 elastomer test system. The testing principles of the static and dynamic stiffness of rubber components were explored and several important factors influencing results were summarized.It provides theoretical basis for the development of relevant automobile components and vehicle.

收稿日期：2016-01-04

作者簡(jiǎn)介：辛強(qiáng)(1983—)，男，碩士，工程師，專業(yè)方向?yàn)檐囕v工程。E-mail：xinqiang08@126.com。

中圖分類號(hào):U461.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-1986(2016)05-079-03