基于整車性能的復(fù)合材料板簧阻尼特性研究*

柯 俊，史文庫(kù)，袁 可

（1.浙江理工大學(xué)，浙江省現(xiàn)代紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018； 2.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130022；3.南京依維柯汽車有限公司，南京 210028）

前言

在剛度相同的前提下，復(fù)合材料板簧的質(zhì)量不到鋼板彈簧的一半，而其疲勞壽命至少是鋼板彈簧的兩倍，具有良好的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外主要針對(duì)復(fù)合材料板簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化［1-2］、剛度匹配設(shè)計(jì)［3-4］、強(qiáng)度計(jì)算［5］、接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［6］和疲勞可靠性［7］進(jìn)行了深入研究，但對(duì)復(fù)合材料板簧阻尼特性的研究還很有限，主要局限于臺(tái)架性能測(cè)試［8-9］。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)合材料板簧的阻尼特性，尤其對(duì)復(fù)合材料板簧的阻尼特性對(duì)整車性能影響方面的研究仍很匱乏。如何基于整車性能的考慮來(lái)考察和控制復(fù)合材料板簧的阻尼特性，并在整車環(huán)境下驗(yàn)證其阻尼特性對(duì)整車性能的影響規(guī)律，這對(duì)明確復(fù)合材料板簧的阻尼匹配思路、完善復(fù)合材料板簧的性能匹配理論具有重要意義。本文中從材料、零部件和裝車狀態(tài)這3個(gè)維度出發(fā)，系統(tǒng)研究了復(fù)合材料板簧的阻尼特性，驗(yàn)證了復(fù)合材料板簧裝車后其阻尼特性對(duì)整車性能的確切影響，為復(fù)合材料板簧的正向開(kāi)發(fā)提供了參考。

1 復(fù)合材料板簧簡(jiǎn)介

經(jīng)剛度匹配設(shè)計(jì)［4］和多目標(biāo)優(yōu)化［1］后確定的復(fù)合材料板簧總成結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，復(fù)合材料簧身采用E玻璃纖維／聚氨酯復(fù)合材料制造，采用高壓RTM工藝成型，所有鋪層均與簧身縱向呈0°布置。樣件的剛度、強(qiáng)度、接頭可靠性和總成疲勞壽命等關(guān)鍵性能已通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)的驗(yàn)證，達(dá)到了裝車的相關(guān)要求。

圖1 復(fù)合材料板簧的總成結(jié)構(gòu)

2 復(fù)合材料板簧阻尼特性研究

影響復(fù)合材料阻尼的因素除了材料本身特性外，還有溫度、激勵(lì)頻率和振動(dòng)幅值。復(fù)合材料板簧裝車后裸露在空氣中，因此散熱條件良好，且其聚氨酯基體的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間為105～120℃，遠(yuǎn)離汽車服役的環(huán)境溫度區(qū)間，因此無(wú)須考慮溫度對(duì)其阻尼的影響。對(duì)激勵(lì)頻率，由于輪胎和接頭橡膠襯套的衰減作用，板簧在服役過(guò)程中主要承受低頻激勵(lì)。同時(shí)，由于復(fù)合材料具有各向異性，因此復(fù)合材料板簧的阻尼特性理論上也具有各向異性，但很難通過(guò)試驗(yàn)手段直接測(cè)得復(fù)合材料板簧所有方向上的阻尼特性參數(shù)?？紤]到復(fù)合材料板簧的阻尼主要來(lái)源于其制造材料E玻璃纖維／聚氨酯層合板，因此擬通過(guò)E玻璃纖維／聚氨酯層合板試樣損耗因子試驗(yàn)和理論計(jì)算來(lái)間接獲取復(fù)合材料板簧各方向上的近似阻尼特性參數(shù)。然后，通過(guò)臺(tái)架阻尼試驗(yàn)和裝車阻尼試驗(yàn)來(lái)直接獲取復(fù)合材料板簧的阻尼特性參數(shù)，通過(guò)綜合3個(gè)獨(dú)立試驗(yàn)結(jié)果的方法來(lái)確定復(fù)合材料板簧的阻尼參數(shù)區(qū)間。

2.1 E玻璃纖維／聚氨酯層合板阻尼試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 18258—2000，采用高壓RTM工藝制作了4組共8個(gè)復(fù)合材料層合板試樣。各組試樣的鋪層方案分別為［0°］4，［±45°］2，［±60°］2和［90°］4。試樣以懸臂梁方式裝夾，將單向加速度傳感器粘接在試樣末端，采用力錘對(duì)試樣實(shí)施激勵(lì)，通過(guò)LMSTest.lab測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行采集和分析。為了避免力錘敲擊力的大小對(duì)共振曲線的影響，通過(guò)加速度頻響函數(shù)曲線來(lái)識(shí)別試樣的損耗因子。將測(cè)試得到的加速度頻響函數(shù)曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab軟件，通過(guò)數(shù)據(jù)處理識(shí)別出第i階模態(tài)的共振峰值fi和半功率帶寬Δfi，則可計(jì)算出復(fù)合材料層合板的損耗因子：

為了提高識(shí)別精度，采用試樣的第3階模態(tài)的共振帶對(duì)試樣的損耗因子進(jìn)行識(shí)別。各組樣件的損耗因子識(shí)別結(jié)果取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 層合板試樣的損耗因子試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)單自由度線性系統(tǒng)，當(dāng)其損耗因子小于0.3時(shí)，常用的各阻尼表征量之間存在如下關(guān)系［10］：

式中：ψ為比阻尼，是振動(dòng)系統(tǒng)中每周期消耗的能量與蓄積能量之比；ξ為阻尼比，是振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)之比。根據(jù)表1，層合板試樣的縱向損耗因子遠(yuǎn)小于0.3。同時(shí)，根據(jù)線性疊加原理，連續(xù)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)可分解為若干個(gè)相互獨(dú)立的單自由度系統(tǒng)振動(dòng)的疊加，單自由度阻尼表征量之間的換算關(guān)系也可用于連續(xù)系統(tǒng)阻尼表征量之間的換算，因此式（2）同樣適用于層合板與復(fù)合材料板簧阻尼表征量之間的換算。結(jié)合表1、式（2）和相關(guān)計(jì)算理論［11-12］，得到0°鋪層層合板各方向的損耗因子和比阻尼，如表2所示。

表2 0°鋪層層合板各方向的損耗因子和比阻尼

2.2 復(fù)合材料板簧總成阻尼性能試驗(yàn)

為了模擬復(fù)合材料板簧的實(shí)際工況，分別按照空載狀態(tài)和滿載狀態(tài)的靜載荷對(duì)復(fù)合材料板簧樣件進(jìn)行預(yù)加載，并將對(duì)應(yīng)的動(dòng)載荷幅值均分為5組。試驗(yàn)加載頻率為0.5～2.5 Hz，也分為5組。分別測(cè)試不同加載幅值、不同加載頻率狀態(tài)下的復(fù)合材料板簧阻尼特性，試驗(yàn)照片如圖2所示。試驗(yàn)得到的各工況下復(fù)合材料板簧的ψ值如圖3所示。根據(jù)圖3，空載狀態(tài)下各工況中復(fù)合材料板簧的ψ＝0.016 6～0.031 4，平均值為0.023 5；滿載狀態(tài)下各工況中復(fù)合材料板簧的ψ＝0.008 3～0.023 7，平均值為0.013 5。而0°層合板試樣的ψ＝0.029，與臺(tái)架阻尼試驗(yàn)結(jié)果在同一數(shù)量級(jí)上。由于兩個(gè)試驗(yàn)相互獨(dú)立，因此試驗(yàn)結(jié)果可信，且復(fù)合材料板簧在不同工況下的比阻尼在0.01～0.03之間。

圖2 復(fù)合材料板簧阻尼臺(tái)架試驗(yàn)

2.3 復(fù)合材料板簧裝車阻尼性能試驗(yàn)

為了考察裝車狀態(tài)下復(fù)合材料板簧的阻尼對(duì)懸架性能的確切影響，采用滾下法測(cè)試安裝有復(fù)合材料板簧的樣車后懸架系統(tǒng)的振動(dòng)衰減特性。在試驗(yàn)前拆除樣車后懸架的減振器，試驗(yàn)方法與懸架偏頻試驗(yàn)相同。樣車后軸輪胎滾下過(guò)程中車架和車橋處振動(dòng)加速度傳感器采集到的穩(wěn)態(tài)衰減曲線如圖4所示。根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，復(fù)合材料板簧 后橋 輪胎系統(tǒng)的阻尼比在0.025～0.034之間，而輪胎的阻尼比為0.023。因此復(fù)合材料板簧的阻尼在復(fù)合材料板簧 后橋 輪胎系統(tǒng)中的占比很小。

圖3 復(fù)合材料板簧各工況下的阻尼試驗(yàn)結(jié)果

圖4 裝車阻尼試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度衰減曲線

3 復(fù)合材料板簧阻尼特性對(duì)整車性能影響研究

汽車懸架系統(tǒng)的阻尼比ξ一般為0.25左右。根據(jù)式（2），若復(fù)合材料板簧的ψ＝0.01～0.03，則其ξ＜0.0025，不到懸架系統(tǒng)阻尼比的1%。然而，根據(jù)2.1節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果，E玻璃纖維／聚氨酯的損耗因子比彈簧鋼高3個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)，擬替換的鋼板彈簧簧片之間由墊片隔開(kāi)，且填充有潤(rùn)滑脂，片間摩擦很小，因此與擬替換的鋼板彈簧相比，復(fù)合材料板簧的阻尼仍然較大。下面從理論上分析板簧阻尼增大對(duì)整車性能的影響。

3.1 對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的影響

在等速行駛的前提下，汽車在前輪角階躍輸入下產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)就是等速圓周行駛。常用穩(wěn)態(tài)橫擺角速度增益，即穩(wěn)態(tài)的橫擺角速度ωr與前輪轉(zhuǎn)角δ之比來(lái)評(píng)價(jià)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，即

式中：K為穩(wěn)定性因數(shù)；u為車速；L為軸距；m為汽車質(zhì)量；a，b分別為汽車質(zhì)心與前軸及后軸之間的距離；k1，k2分別為汽車前后輪的側(cè)偏剛度。根據(jù)式（4），穩(wěn)定性因數(shù)不涉及阻尼。因此，前輪角階躍輸入下汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與板簧的阻尼沒(méi)有關(guān)系。雖然這一結(jié)論是基于線性2自由度汽車模型得到的，但即使考慮懸架、轉(zhuǎn)向和傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)前、后輪側(cè)偏角的影響，前、后輪側(cè)偏角也是由懸架、轉(zhuǎn)向和傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的，與復(fù)合材料板簧的阻尼沒(méi)有關(guān)系。因此，復(fù)合材料板簧的阻尼不影響汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。

一般汽車都具有小阻尼（ξ＜1）的瞬態(tài)響應(yīng)。根據(jù)汽車?yán)碚撝械木€性2自由度汽車模型，ξ＜1時(shí)，前輪角階躍輸入下汽車的橫擺角速度隨時(shí)間的變化規(guī)律為衰減正弦函數(shù)，ξ越大，衰減越快，越有利于橫擺角速度ωr由瞬態(tài)響應(yīng)趨于穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。因此，理論上復(fù)合材料板簧的阻尼對(duì)汽車的瞬態(tài)響應(yīng)特性有利。

3.2 對(duì)整車平順性的影響

根據(jù)汽車?yán)碚撝熊嚿韱钨|(zhì)量系統(tǒng)模型，阻尼比ξ對(duì)振動(dòng)的衰減主要有如下兩方面的影響。

（1）與有阻尼固有頻率ωr有關(guān)。根據(jù)車身單質(zhì)量系統(tǒng)模型：

當(dāng)ξ增大時(shí)，ωr下降。因此，增大汽車懸架系統(tǒng)阻尼比ξ能降低懸架簧載質(zhì)量的固有頻率，對(duì)平順性有利。

（2）決定振幅的衰減程度。系統(tǒng)振動(dòng)衰減曲線上兩個(gè)相鄰的振幅A1與A2之比稱為減幅系數(shù)，以d表示。

根據(jù)式（6），當(dāng)ξ增大時(shí)，d增大，因此增大汽車懸架系統(tǒng)阻尼比ξ能加快振動(dòng)的衰減速度，對(duì)平順性有利。

綜上所述，理論上換裝復(fù)合材料板簧對(duì)汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)無(wú)影響，但對(duì)汽車的瞬態(tài)響應(yīng)有利，因此對(duì)整車操縱穩(wěn)定性有一定的提升作用。同時(shí)，理論上也能提高汽車的平順性。因此，無(wú)須針對(duì)其阻尼特性進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。

4 裝車試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 裝車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)

為了分別考察復(fù)合材料板簧的阻尼特性對(duì)汽車穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)的影響，選取穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行換裝復(fù)合材料板簧前后整車操縱穩(wěn)定性的對(duì)比測(cè)試。其中，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)均分為樣車左轉(zhuǎn)和樣車右轉(zhuǎn)2個(gè)方向，每個(gè)方向分別進(jìn)行3次試驗(yàn)。試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理方法根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 6323.6—1994相關(guān)要求執(zhí)行。

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。其中，an為中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度，U為不足轉(zhuǎn)向度，Kφ為車身側(cè)傾度。根據(jù)表3，分別安裝鋼板彈簧和復(fù)合材料板簧的樣車在穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中的技術(shù)指標(biāo)非常接近，考慮到試驗(yàn)誤差，工程上可認(rèn)為復(fù)合材料板簧的阻尼不影響汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。

表3 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。其中，Δr為殘留橫擺角速度，Er為橫擺角速度總方差。根據(jù)表4，安裝復(fù)合材料板簧的樣車在穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中的Δr值明顯低于安裝鋼板彈簧的樣車，同時(shí)Er值也稍低。因此復(fù)合材料板簧的阻尼對(duì)汽車的瞬態(tài)響應(yīng)特性有利。

表4 轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)結(jié)果

4.2 裝車平順性試驗(yàn)

分別對(duì)裝載復(fù)合材料板簧和鋼板彈簧的同一樣車進(jìn)行下述試驗(yàn)：（1）偏頻試驗(yàn)（滿載）；（2）脈沖輸入試驗(yàn)（滿載）；（3）隨機(jī)輸入試驗(yàn)，包括城市道路（空載）和小鵝卵石道路（空載）。其中，進(jìn)行偏頻試驗(yàn)和脈沖輸入試驗(yàn)的目的是針對(duì)性地考察換裝復(fù)合材料板簧后樣車后懸架性能的變化情況。隨機(jī)輸入試驗(yàn)中，測(cè)試城市道路的目的是考察常用路況中樣車的平順性，測(cè)試小鵝卵石路的目的是考察惡劣路況中樣車的平順性。此外，試驗(yàn)還包括駕駛員和乘員的主觀評(píng)價(jià)。試驗(yàn)項(xiàng)目的相關(guān)照片如圖5所示。試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GBT4970—1996，GBT4970—2009和GBT5902—86相關(guān)要求執(zhí)行。

圖5 試驗(yàn)項(xiàng)目的相關(guān)照片

根據(jù)后懸架偏頻試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，換裝復(fù)合材料板簧后，樣車后懸架滿載偏頻由1.76降為1.65 Hz。同時(shí)，樣車前懸架的滿載偏頻為1.57 Hz，后懸架滿載偏頻值1.65 Hz比前懸架的滿載偏頻值1.57 Hz稍大，有利于防止樣車車身產(chǎn)生較大的縱向角振動(dòng)。

根據(jù)脈沖輸入試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，換裝復(fù)合材料板簧后，樣車在常用車速下，后懸架在脈沖輸入工況中的傳遞率均低于安裝鋼板彈簧時(shí)的狀態(tài)。對(duì)隨機(jī)輸入試驗(yàn)，各工況中駕駛員和乘員位置的總加權(quán)加速度均方根值av與車速v之間關(guān)系的對(duì)比圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 城市道路工況av值對(duì)比

圖7 小鵝卵石道路工況av值對(duì)比

根據(jù)圖6和圖7，在絕大多數(shù)工況中安裝復(fù)合材料板簧的樣車在駕駛員處和成員處的av值低于裝載鋼板彈簧的樣車。個(gè)別工況在駕駛員處出現(xiàn)了安裝鋼板彈簧的樣車av較低的情況，這是由于復(fù)合材料板簧安裝在樣車后懸架中，主要影響乘員處的振動(dòng)，對(duì)駕駛員處的振動(dòng)優(yōu)化效果可能隨著振動(dòng)傳遞路徑的衰減湮沒(méi)了。

根據(jù)駕駛員和乘員的主觀感受，裝載復(fù)合材料板簧的樣車平順性要好于裝載鋼板彈簧的樣車，且復(fù)合材料板簧服役過(guò)程中自身基本不發(fā)出噪聲。

綜上所述，裝載復(fù)合材料板簧后，樣車的平順性整體上優(yōu)于裝載鋼板彈簧的樣車。

5 結(jié)論

（1）本文中所研究復(fù)合材料板簧的比阻尼在0.01～0.03之間。

（2）雖然E玻璃纖維／聚氨酯復(fù)合材料的損耗因子比彈簧鋼高3個(gè)數(shù)量級(jí)，但復(fù)合材料板簧提供的阻尼與懸架系統(tǒng)自身的阻尼相比很小，且其阻尼特性對(duì)整車性能有利，因此無(wú)須對(duì)復(fù)合材料板簧的阻尼性能參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，這對(duì)其他車型的復(fù)合材料板簧阻尼匹配工作具有參考意義。

（3）根據(jù)理論分析及裝車試驗(yàn)結(jié)果，復(fù)合材料板簧的阻尼不影響汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性，但對(duì)汽車的瞬態(tài)響應(yīng)特性有利，同時(shí)能改善汽車的平順性，這對(duì)完善復(fù)合材料板簧的性能匹配理論具有重要意義。