減振膠參數(shù)對白車門減振效果影響的實(shí)驗(yàn)研究

甄龍信，張龍飛,2

減振膠參數(shù)對白車門減振效果影響的實(shí)驗(yàn)研究

甄龍信1，張龍飛1,2

（1. 燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

為探究減振膨脹膠的參數(shù)對白車門減振效果的影響，對填充了兩種參數(shù)減振膠的白車門進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。結(jié)果表明：當(dāng)減振膠的體積膨脹率由25%～35%增大為300%～700%，剪切強(qiáng)度由≥0.3Mpa增大為≥0.5Mpa時(shí)，在0～120Hz范圍內(nèi)各頻響函數(shù)的峰值衰減程度最大為66.5%，最小為41.7%，且各階模態(tài)頻率和阻尼比均有所提高，說明體積膨脹率和剪切強(qiáng)度大的減振膠減振效果優(yōu)良。

減振膠；體積膨脹率；白車門；實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

前言

隨著中國汽車市場的高度發(fā)展，人們對汽車乘坐舒適性的要求越來越高。車身系統(tǒng)是整車NVH系統(tǒng)的響應(yīng)器，其振動(dòng)特性直接影響著整車的NVH特性。相關(guān)資料表明車門對車身扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度的貢獻(xiàn)率分別為7%和8%，車門為剛度較低的板結(jié)構(gòu)，模態(tài)頻率比較低，受到外界激勵(lì)（如高速行駛時(shí)風(fēng)對車門的激勵(lì)）時(shí)，容易與車身的聲腔模態(tài)耦合，產(chǎn)生巨大的車內(nèi)轟鳴聲[1]。為提高車門外板剛度并兼顧減振效果，業(yè)內(nèi)普遍在車門防撞梁與車門外板間填充具有非線性彈性特征的減振膨脹膠，將兩者緊密連接在一起形成整體，從而阻止或減弱振動(dòng)在兩個(gè)剛性材料之間的傳播。

目前國內(nèi)外對粘結(jié)劑性能和橡膠參數(shù)的研究較多。其中國外Klarbring[2]綜合三維彈性結(jié)構(gòu)和漸進(jìn)膨脹方法，推導(dǎo)出了兩個(gè)固體粘結(jié)件的粘結(jié)表面的仿真模型。為了能精確仿真粘結(jié)邊界的強(qiáng)度，Peter Schmidt[3]基于漸進(jìn)方法，推導(dǎo)出了粘結(jié)層的應(yīng)力應(yīng)變方程，最終建立了包含應(yīng)力和表面變形的結(jié)構(gòu)模型。Jakub Korta等[4]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了溫度、濕度對多種材料粘結(jié)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)膨脹系數(shù)是影響粘結(jié)點(diǎn)性能的關(guān)鍵因素。Datla NV[5]等通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了濕熱老化對粘結(jié)接頭疲勞狀態(tài)的影響，結(jié)果表明邊界處的粘合劑容易吸收水分子，因此其性能退化明顯。國內(nèi)羅蘭、王一琳等[6]通過沖擊試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)，研究了天然橡膠的硬度和質(zhì)量對減振效果的影響；李紅梅、羅洪波[7]建立了鏜桿的數(shù)學(xué)模型，通過諧響應(yīng)分析證明，隨著橡膠彈性模量的增大，鏜桿的減振效果呈下降狀態(tài)。高杰[8]對減振膠在白車身上的應(yīng)用，及其性能、作用做了一些簡單的探討。但是研究減振膨脹膠參數(shù)對減振效果影響的文獻(xiàn)較少，本文主要通過實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的方法來探究減振膠參數(shù)對白車門的減振效果的影響。

1 車門本體構(gòu)造及減振膠參數(shù)

1.1 車門本體構(gòu)造

車門本體的骨架部分包括內(nèi)板、外板、窗框和加強(qiáng)板等。車門外板一般用0.6～0.8mm厚的薄鋼板沖壓而成，剛度較低，一般為空間曲面。為使車輛抗側(cè)撞性能達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，現(xiàn)代轎車大多在車門內(nèi)裝有側(cè)防撞梁。該梁可以是鋼管，也可以是高強(qiáng)度鋼板沖壓形成的異形截面梁，兩端通過連接件焊接在車門內(nèi)板上。

本實(shí)驗(yàn)中的白車門防撞梁為鋼管，鋼管與車門外板之間存在較大間隙，減振膠分七點(diǎn)等間隔布置在間隙之間。如圖1所示。

圖1 車門結(jié)構(gòu)及涂膠點(diǎn)展示

1.2 減振膠的參數(shù)

本文分別將Ⅰ型、Ⅱ型兩種減振膠填充在鋼管與車門外板之間，研究減振膠的膨脹率和剪切強(qiáng)度對減振效果的影響。其中，Ⅰ型減振膠的基材為合成橡膠，體積膨脹率為25%～35%，剪切強(qiáng)度≥0.3MPa；Ⅱ型減振膠是一種粘彈性、可膨脹的高阻尼發(fā)泡材料，體積膨脹率為300%～700%，剪切強(qiáng)度≥0.5MPa。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析理論基礎(chǔ)

對于一個(gè)自由度的線性定常系統(tǒng)建立運(yùn)動(dòng)微分方程：

式中，、、分別為系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；和分別是系統(tǒng)的位移向量和激勵(lì)向量，其中

對方程（1）進(jìn)行拉式變換，得到：

其阻抗矩陣為：

系統(tǒng)的頻響函數(shù)()為其阻抗矩陣的逆矩陣：

頻響函數(shù)矩陣()中的任意元素()為在（1≤≤）點(diǎn)激勵(lì)，在(1≤≤）點(diǎn)測量得到的頻響函數(shù)。理論計(jì)算中需要使用模態(tài)矩陣對方程組(5)進(jìn)行解耦，將物理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為模態(tài)坐標(biāo)，進(jìn)而求出()中的任意元素()。例如，在點(diǎn)激勵(lì)，點(diǎn)響應(yīng)的頻響函數(shù)為：

式中，M是第階模態(tài)質(zhì)量，K是第階模態(tài)剛度，C是第階模態(tài)阻尼，φ、φ是模態(tài)矩陣中第階向量中的第和第個(gè)元素。

模態(tài)分析相關(guān)知識表明，頻響函數(shù)矩陣()中的任意一行包含所有模態(tài)參數(shù)，該行個(gè)頻響函數(shù)的第階（1≤≤）模態(tài)頻率在虛頻圖上的幅值之比為實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的第階模態(tài)陣型。如果在結(jié)構(gòu)上的某一點(diǎn)拾振，依次激振個(gè)點(diǎn)，便可求得()中的一行。這一行頻響函數(shù)便包含了模態(tài)分析所需要的所有信息。由線性系統(tǒng)的互異性可知，()=()，所以，如果在結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)激振，在個(gè)點(diǎn)依次拾振，便能得到()中的一列，這一列頻響函數(shù)同樣包含了模態(tài)分析所需要的所有信息[9]。將實(shí)驗(yàn)測得的某列個(gè)頻響函數(shù)疊加，便得到系統(tǒng)的綜合頻響函數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)方案

a.最佳激勵(lì)點(diǎn) b.特殊拾振點(diǎn)與車門內(nèi)側(cè)布膠點(diǎn)對應(yīng)

本文白車門模態(tài)實(shí)驗(yàn)使用激光測振儀PSV-500硬件設(shè)備及PSV9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?？紤]到實(shí)驗(yàn)很難模擬出車門的實(shí)際約束狀態(tài)，本文使用彈性橡膠帶將車門懸掛近似模擬自由狀態(tài)，如圖2所示。

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，這種近似模擬帶來的誤差很小，可以忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，選定兩個(gè)相同的白車門，分別在對應(yīng)位置填充Ⅰ型和Ⅱ型減振膨脹膠。采用單點(diǎn)激勵(lì)，多點(diǎn)依次拾振的方式采集37個(gè)頻響函數(shù)。激勵(lì)點(diǎn)理論上應(yīng)該選擇各階模態(tài)的幅值都不小于某一值的位置，經(jīng)模態(tài)仿真后，并考慮激振器安裝方便因素，最終最佳激勵(lì)點(diǎn)選擇如圖2中所示。拾振點(diǎn)布置如圖3、圖4，其中布膠點(diǎn)設(shè)置為專門拾振點(diǎn)，個(gè)數(shù)為7個(gè)，用以觀測布膠點(diǎn)的頻響函數(shù)幅值的變化，Ⅰ型、Ⅱ型減振膨脹膠編號對應(yīng)關(guān)系為31-34、32-33、33-32、34-31、35-30、36-29、37-28，其余30個(gè)拾振點(diǎn)均勻分布在車門外板上。

圖3 Ⅰ型減振膠車門布點(diǎn)

圖4 Ⅱ型減振膠車門布點(diǎn)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)完成后，首先在LMS test.lab的Navigator模塊中對7個(gè)涂膠點(diǎn)的頻響函數(shù)進(jìn)行對比分析，由于車身板結(jié)構(gòu)引起的大部分是低頻和中頻的噪聲和振動(dòng)問題，因此本文著重于關(guān)注0～120Hz范圍，對比各測點(diǎn)數(shù)據(jù)，如圖5-圖8所示；在LMS test.lab的Modal Data Selection模塊中對白車身37個(gè)拾振點(diǎn)的頻響函數(shù)進(jìn)行疊加，得到兩個(gè)車門的綜合頻響函數(shù)，如圖9所示；最后基于最小二乘復(fù)指數(shù)法（LSCE），利用LMS test.lab中PolyMax模塊提取兩個(gè)白車身的穩(wěn)態(tài)圖。所謂穩(wěn)態(tài)圖是表示模態(tài)頻率和阻尼隨假定模態(tài)數(shù)的增加而變化的圖形，最佳模態(tài)數(shù)可以通過考察這種穩(wěn)態(tài)圖而確定，其依據(jù)是物理模態(tài)的頻率和阻尼值不隨模態(tài)數(shù)的增減出現(xiàn)明顯的變化[10]。在穩(wěn)態(tài)圖中，S值較為集中的波峰處的頻率和阻尼值比較穩(wěn)定，其對應(yīng)的頻率為模態(tài)頻率，即各階模態(tài)頻率，同時(shí)可以得到各階阻尼比。相應(yīng)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

圖5 31-34與32-33拾振點(diǎn)頻響函數(shù)對比圖

圖6 33-32、34-31拾振點(diǎn)頻響函數(shù)對比圖

圖7 35-30、36-29拾振點(diǎn)頻響函數(shù)對比圖

圖8（左） 37-28拾振點(diǎn)頻響函數(shù)對比圖

圖9（右） 白車門綜合頻響函數(shù)對比圖

4.2 結(jié)果分析

（2）通過表1中數(shù)據(jù)可以看出，雖然填充了Ⅱ型減振膠的白車門的阻尼比增大，但模態(tài)頻率除一階、三階稍微下降外，其它各階模態(tài)頻率反而有不同程度的提高，說明車門剛度有所增加，抗彎、抗扭性能增強(qiáng)。減振膨脹膠的非線性彈性特征，同時(shí)兼顧了車門對阻尼和剛度的要求，當(dāng)減振膠體積膨脹率和剪切強(qiáng)度增大時(shí)，車門阻尼比和剛度均增大。

表1 兩種不同參數(shù)減振膨脹膠車門的各階模態(tài)頻率和阻尼比

表2 頻響函數(shù)峰值衰減表

5 結(jié)論

本文以減振膠的參數(shù)為研究對象，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的方法研究了體積膨脹率和剪切強(qiáng)度對白車門減振效果的影響，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出以下：

（1）當(dāng)減振膠的體積膨脹率從由25%～35%增大為300%～700%、剪切強(qiáng)度由≥0.3Mpa增大為≥0.5Mpa時(shí)，白車門的各階阻尼比均增大，對振動(dòng)的衰減增強(qiáng)。

（2）減振膠的體積膨脹率和剪切強(qiáng)度增大，本實(shí)驗(yàn)中白車門各階模態(tài)頻率有不同程度的提高，且車門動(dòng)剛度增大，綜合頻響函數(shù)振幅衰減為57.1%，振動(dòng)衰減明顯。

所以選擇車門的減振膨脹膠時(shí)，在考慮經(jīng)濟(jì)效益的前提下，盡量選擇體積膨脹率和剪切強(qiáng)度大的，以達(dá)到最優(yōu)的減振效果。

[1] 龐劍.汽車車身噪聲與振動(dòng)控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

[2] A.Klarbring.Derivation of a model of adhesively bonded joints by the asymptotic expansion method.International Journal of Engineering Science,1991,29(4):493-512.

[3] Peter Schmidt.Modeling of adhesively bonded joints by an asymp -totic method.International Journal of Engineering Science,2008, 46(12):1291-1324.

[4] Jakub Korta,Andrzej Mlyniec,Tadeusz Uhl.Experimental and nume -rical study on the effect of humidity-temperature cycling on structu -ral multi-material adhesive joints.Composites Part B:Engine -ering, 2015,79(15):621-630.

[5] Datla NV,Ameli A,Azari S,Papini M,Spelt JK.Effects of hygrother -mal aging on the fatigue behavior of two toughened epoxy adhesiv -es.Engineering FractureMechanics,2012,79:61-77.

[6] 羅蘭.王一臨.王津梅.天然橡膠減振墊減振性能研究分析[J].環(huán)境技術(shù),2011,6:44-47.

[7] 李紅梅,羅紅波.橡膠參數(shù)對鏜桿減振性能的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010,11:77-78.

[8] 高杰.淺談減振膠在白車身制造中的應(yīng)用[J].粘接:學(xué)術(shù)論文,2013:85-87.

[9] 朱國華,史麗萍.基于實(shí)驗(yàn)的重卡車門模態(tài)分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2012:7.

[10] 劉馥清.LMS振動(dòng)/噪聲測試與分析系統(tǒng)理論基礎(chǔ).LMS2000.

Experimental Study of Damping Effect of Shock Absorbing Glue’s Parameters on White Door

Zhen Longxin1, Zhang Longfei1,2

（1.Yanshan University, Heibei Qinhuangdao 066004; 2.China Automotive Technology&Research Center, Tianjin 300300 )

In order to investigate the effect of shock absorbing expansion glue’s parameters on the vibration reduction of white door, experimental modal analysis was carried out for the white door filled with two kinds of damping adhesive respectively. The results show that when the volume expansion rate of the shock absorbing glue increase from 25%-35% to 300%-700% and the shear strength increase from 0.3Mpa to 0.5Mpa, the peak values of frequency response functions decrease by66.5% at most and 41.7% at least in the range of 0 to 120Hz.Moreover, both the modal frequencies and the damping ratios of all orders are improved. These data indicate that the bigger the volume expansion rate and the shear strength of the shock absorbing glue are, the better the damping effect is.

shock absorbing glue; volume expansion rate; white door; experimental modal analysis

U463.83

A

1671-7988(2019)13-100-04

U463.83

A

1671-7988(2019)13-100-04

甄龍信（1971-），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，就職于燕山大學(xué)。主要研究方向?yàn)槠囌駝?dòng)與噪聲，汽車節(jié)能。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.035