零件結(jié)構(gòu)對排氣管吊耳動剛度的影響

祝明元，彭 巖，章于川，張大偉

(1.威固技術(shù)（安徽）有限公司，安徽 寧國242300；2.安徽安大中鼎橡膠技術(shù)開發(fā)有限公司，安徽 合肥 230088)

近年來，汽車行業(yè)的競爭越來越激烈，消費(fèi)者對整車的NVH（noise,vibration and harshness）要求也越來越高，動力總成系統(tǒng)是整車的主要激勵(lì)源之一，其振動激勵(lì)可以通過波紋管傳遞給排氣系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)的振動又會再次通過吊耳零件傳遞給車身；倘若排氣系統(tǒng)吊耳零件的動剛度過大，或是各吊點(diǎn)剛度匹配不佳，傳遞過程中吊耳隔振率就會達(dá)不到要求，進(jìn)而導(dǎo)致較大的車身振動引發(fā)NVH 問題[1-4]，所以吊耳零件的動剛度是影響排氣系統(tǒng)NVH 特性的關(guān)鍵因素之一。在吊耳零件的實(shí)際設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，其動剛度既不宜過大，也不能過分偏小，吊耳零件動剛度過高，則不利于吊耳隔振；吊耳零件動剛度過低，雖然可以提升吊耳的隔振率，但會導(dǎo)致吊耳零件在實(shí)際工作過程中發(fā)生過大的變形，進(jìn)而影響零件的耐久性能[5]，所以在設(shè)計(jì)過程中，要在綜合考慮吊耳零件整體性能的基礎(chǔ)上來確定其動剛度指標(biāo)。影響吊耳零件動剛度大小的因素主要有橡膠材料的基本物性、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、測試的工況條件等，其中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的影響是最難把握的，而且為了滿足不同的使用特性，吊耳零件的結(jié)構(gòu)有多種變化。本文主要針對一類常規(guī)純橡膠吊耳結(jié)構(gòu)對其動剛度的影響展開探究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料、儀器設(shè)備

純橡膠吊耳零件（威固技術(shù)（安徽）有限公司）。

MTS831 彈性體試驗(yàn)機(jī)（美國MTS 公司）；MS-1000型閃頻儀（BBE 公司生產(chǎn)）。

1.2 吊耳零件剛度相關(guān)指標(biāo)

橡膠產(chǎn)品的剛度主要分為靜剛度和動剛度，靜剛度主要是衡量產(chǎn)品在承受靜載荷情況下變形量大小的指標(biāo)，動剛度則主要影響零件的隔振效果及NVH 性能；另外，我們還引入在特定頻率下的零件動靜比來評判吊耳零件的綜合性能。

1.2.1 靜剛度指標(biāo)計(jì)算[6]

描述吊耳零件靜態(tài)特性的參數(shù)是靜剛度Kstatic，包括X/Y/Z 三個(gè)方向的剛度。本文主要探究主工作方向的剛度即Ksz，其理論計(jì)算公式如下：

式中：F-載荷，N；X-在載荷作用下的變形量，mm。

1.2.2 動剛度指標(biāo)計(jì)算[7]

當(dāng)橡膠承受周期變化的正弦波應(yīng)力時(shí)，橡膠也會產(chǎn)生周期性正弦波的應(yīng)變，但因橡膠的內(nèi)部阻尼作用其應(yīng)變滯后于應(yīng)力，其表現(xiàn)在力-位移曲線上就形成了一個(gè)遲滯回線，如圖1 所示。

圖1 橡膠遲滯回線

根據(jù)文獻(xiàn)[8]并基于橡膠的遲滯回線可獲得如下所示的動剛度理論計(jì)算公式：

式中：A-最大位移在遲滯回線上的雙幅長度，mm；B-最大位移對應(yīng)的傳遞力在遲滯回線上的雙幅長度，mm；a-橢圓圖上橫坐標(biāo)單位長度代表的位移，m/mm；b-橢圓圖上縱坐標(biāo)單位長度代表的力，N/mm。

1.2.3 動靜比

指定頻率下吊耳零件Z 向動靜比的理論計(jì)算公式如下：

式中：Ksz—吊耳零件的靜剛度值，N/mm；Kd—吊耳零件在指定掃頻頻率下的動剛度值，N/mm。

1.3 吊耳零件測試條件

吊耳零件主方向靜剛度測試條件為0～25 mm 范圍內(nèi)預(yù)載2 次，記錄第3 次值，加載速度10 mm/min，靜剛度計(jì)算區(qū)域?yàn)?～20 mm；主方向動剛度的測試條件為預(yù)載50 N，振幅±0.1 mm，掃頻范圍為0～300 Hz。

1.4 吊耳零件試驗(yàn)樣片的制作

基于工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，吊耳零件的結(jié)構(gòu)厚度對其動剛度也有一定影響，所以為了充分驗(yàn)證零件幾何結(jié)構(gòu)對其動剛度的影響大小，我們分別設(shè)計(jì)了如圖2～圖5 所示的帶有3 種不同橫筋結(jié)構(gòu)的吊耳零件，另外每種吊耳零件的厚度分別按3 種規(guī)格尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，共計(jì)9 種結(jié)構(gòu)的吊耳零件。

現(xiàn)對各類零件結(jié)構(gòu)做以下具體說明：Ⅰ型吊耳（圖2）是直接將吊耳“工”字孔處的橫筋去除；Ⅱ型吊耳（圖3）是將吊耳“工”字孔處的橫筋的厚度由原來的6 mm增加至8 mm，以增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；Ⅲ型吊耳（圖4）是將吊耳“工”字孔處的橫筋由直筋更改為斜筋，進(jìn)而增強(qiáng)橫筋底部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；以上三種結(jié)構(gòu)吊耳的側(cè)向厚度（厚度2，原為24 mm）如圖5 所示，也將分別設(shè)計(jì)為3 個(gè)規(guī)格，分別為21 mm，24 mm 和27 mm，厚度1 由于是吊耳零件的裝配尺寸，故各狀態(tài)均保持一致。

圖2 Ⅰ型吊耳

圖3 Ⅱ型吊耳

圖4 Ⅲ型吊耳

圖5 吊耳側(cè)向厚度

根據(jù)上述9 種結(jié)構(gòu)的吊耳設(shè)計(jì)，分別安排制作樣件。樣件制作過程中為排除橡膠材料以及硫化過程工藝參數(shù)的差異對樣件動剛度的影響，樣件制作采用的膠料為一批膠料，且采用同一硫化生產(chǎn)設(shè)備和工藝參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，樣件制作完畢停放3 天后，逐次測試產(chǎn)品的動靜剛度，產(chǎn)品動剛度取值為掃頻200 Hz 以內(nèi)的最大值。

2 結(jié)果與討論

2.1 吊耳零件“工”字孔位置橫筋的結(jié)構(gòu)形式對其動剛度的影響

為了探究零件結(jié)構(gòu)對吊耳動剛度的影響，現(xiàn)選取1款新結(jié)構(gòu)且處于研發(fā)狀態(tài)的吊耳產(chǎn)品并對其靜剛度及300 Hz 以內(nèi)的動剛度進(jìn)行測試，零件測試圖如圖6 所示。測試過程中通過在線觀測該零件動剛度掃頻曲線發(fā)現(xiàn)，該零件在180 Hz 附近發(fā)生了共振，產(chǎn)品動剛度在該頻率點(diǎn)出現(xiàn)激增，隨后采用閃頻儀對吊耳的共振部位進(jìn)行了檢測和排查，發(fā)現(xiàn)該吊耳零件“工”字孔位置處的橫筋發(fā)生了明顯的共振情況。為驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)筋的共振是否是最終造成零件動剛度在180 Hz 時(shí)激增的原因，我們將該吊耳零件“工”字孔處的橫筋切除，并重新掃頻測試動剛度（如圖7 所示）。

圖6 零件測試圖

圖7 去橫筋后零件測試圖

圖8 零件橫筋去除前后靜剛度對比

圖9 零件橫筋去除前后動剛度對比

通過圖8、圖9 動靜剛度變化測試結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，上述吊耳零件“工”字孔處的橫筋去除前后對其靜剛度的影響很小，可以認(rèn)為沒有影響；一般工程上對吊耳動剛度的控制是要求掃頻范圍在200 Hz 以內(nèi)吊耳零件不允許出現(xiàn)共振，上述動剛度測試結(jié)果顯示，吊耳零件在橫筋去除前在180 Hz 附件發(fā)生共振，動剛度從起初平滑段的20 N/mm 增長至60 N/mm，該狀態(tài)已很難滿足工程需求，但在零件“工”字孔處的橫筋去除后，零件的共振頻率點(diǎn)發(fā)生了明顯的后移，200 Hz 以內(nèi)的掃頻范圍內(nèi)產(chǎn)品無共振點(diǎn)，進(jìn)而能夠很好地滿足使用需求。由此可見，吊耳零件“工”字孔位置橫筋的結(jié)構(gòu)形式對其動剛度的影響十分明顯。

2.2 零件吊耳厚度對其剛度變化的影響

按照1.4 對試驗(yàn)樣品進(jìn)行制作與測試，測試結(jié)果如表1。通過對試驗(yàn)結(jié)果(圖10～圖12)的初步分析可以明顯發(fā)現(xiàn)，隨著吊耳的厚度增加，其靜剛度呈逐步增加的趨勢；關(guān)于動剛度和產(chǎn)品的動靜比，由于吊耳靜剛度相對厚度的變化相對穩(wěn)定，且動剛度是計(jì)算吊耳動靜比的分子，所以吊耳動靜比隨吊耳厚度的變化趨勢同動剛度隨吊耳厚度的變化趨勢基本一致。從變化趨勢上看，二者都是先下降再上升，似乎沒有明確的變化規(guī)律，但這主要是因?yàn)楹穸葹?1 mm 的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型吊耳在0～200 Hz 以內(nèi)的掃頻過程中發(fā)生了共振，導(dǎo)致其動剛度值突然增大，具有一定的偶然性；排除這一偶然因素后，可以看出吊耳的動剛度及動靜比仍然是隨著其結(jié)構(gòu)厚度的增加而增加的。由此可以看出，吊耳零件的厚度對其動剛度的影響還是很大的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在保證吊耳零件的靜載變形量和耐久性能達(dá)標(biāo)的情況下，要盡可能降低其結(jié)構(gòu)厚度，這樣既可以使零件獲得比較好的隔振效果，也能夠在最大程度上降低生產(chǎn)成本。

圖10 各型吊耳靜剛度變化趨勢圖

圖11 各型吊耳動剛度變化趨勢圖

圖12 各型吊耳動靜比變化趨勢圖

表1 9 種結(jié)構(gòu)吊耳的剛度及動靜比測試結(jié)果

2.3 零件吊耳結(jié)構(gòu)對其共振頻率的影響

圖13 各型吊耳共振頻率分布圖

通過對比厚度為21 mm 的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型吊耳在0～200 Hz 內(nèi)發(fā)生共振的頻率分布（如圖13）可以發(fā)現(xiàn)，Ⅰ型吊耳的共振頻率最高，而Ⅲ型吊耳的共振頻率最低，說明Ⅰ型吊耳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最高，Ⅱ型吊耳次之，Ⅲ型吊耳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定最差；同時(shí)通過對比Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型吊耳在不同結(jié)構(gòu)厚度情況其動剛度的絕對值可以發(fā)現(xiàn)，Ⅰ型結(jié)構(gòu)吊耳的動剛度也最低，所以綜合來說，Ⅰ型吊耳結(jié)構(gòu)相對于Ⅱ型和Ⅲ型吊耳結(jié)構(gòu)還是有很大的性能優(yōu)勢，當(dāng)然，考慮到吊耳零件在實(shí)際工程應(yīng)用中有反向限位要求，故Ⅰ型吊耳結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用工程中時(shí)還需要將其“工”字孔處的凸臺結(jié)構(gòu)加高，進(jìn)而增加反向的限位距離。

3 結(jié)論

（1）通過對吊耳零件的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，可以使零件的共振點(diǎn)發(fā)生后移，進(jìn)而避免吊耳在工作的頻率范圍內(nèi)發(fā)生共振，有效地提高吊耳的動態(tài)工作特性。

（2）在設(shè)計(jì)吊耳零件時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注其結(jié)構(gòu)厚度，吊耳零件的厚度越厚，其動剛度和動靜比都會變大，而且不利于成本控制，所以在保證吊耳整體工作性能的前提下，應(yīng)當(dāng)將吊耳零件的結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)得盡量小。

（3）排除結(jié)構(gòu)厚度的差異，本文探究的3 類吊耳結(jié)構(gòu)中Ⅰ型吊耳結(jié)構(gòu)要明顯優(yōu)于Ⅱ型和Ⅲ型吊耳結(jié)構(gòu)，具有較好的工程應(yīng)用前景。