汽車底盤減震器襯套件質(zhì)量檢測方法仿真

季文超，郭士茹，趙 晶，王 蕾

(長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，吉林長春130114)

1 引言

減震系統(tǒng)是汽車結(jié)構(gòu)重要組成部分，也是影響消費(fèi)者體驗(yàn)感的關(guān)鍵因素，底盤減震器是汽車重要部件，必須同時(shí)符合車輛操縱穩(wěn)定性與平順性等要求。其中襯套作為一種緩沖元件，具有減震降噪功能，有助于抑制路面激勵(lì)作用對車輛產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊，尤其能對高頻激勵(lì)進(jìn)行有效衰減，因此，襯套在汽車底盤減震器中的作用不容小覷。襯套大多數(shù)由橡膠材料制作而成，具有減震頻帶寬、應(yīng)用簡便等優(yōu)勢，并表現(xiàn)出良好的隔離減震效果。橡膠以其優(yōu)越的回彈性與壓縮性、密封性與耐油性廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，尤其是在汽車領(lǐng)域中發(fā)揮著難以代替的作用。但橡膠作為一種復(fù)合型材料，工藝穩(wěn)定性較差，受到制作工藝、環(huán)境、老化等因素影響，會(huì)出現(xiàn)脫粘、裂紋等現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題會(huì)降低其安全性與可靠性。

對于橡膠襯套，高效準(zhǔn)確檢測出其存在的破損現(xiàn)象是汽車行駛安全的重要保障。相關(guān)學(xué)者對于此項(xiàng)檢測技術(shù)已經(jīng)取得不菲成果。激光散斑無損檢測技術(shù)對被測目標(biāo)施加載荷，通過缺陷位置變形量和其它位置不同的特征，利用全息圖像疊加來體現(xiàn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)是否存在缺陷[1]。但對襯套質(zhì)量檢測并不是一次檢測就可以實(shí)現(xiàn)，而是要進(jìn)行多次檢測。該技術(shù)利用熱激勵(lì)手段，經(jīng)過多次檢測后，一定程度上加快橡膠老化速度。射線無損檢測以其強(qiáng)大的穿透性對襯套檢測存在很好的可達(dá)性[2]，可以檢測出孔洞等體積類型的缺陷，但是對于脫粘等平面型缺陷缺乏敏感性。

針對上述兩種檢測方法存在的缺陷，本文利用超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車底盤減震器襯套件質(zhì)量檢測。超聲波無損檢測技術(shù)屬于一門綜合性應(yīng)用學(xué)科。它將不破壞被測目標(biāo)為前提，通過材料缺陷導(dǎo)致對聲反應(yīng)的變化，來檢測目標(biāo)表面或內(nèi)部缺陷，并實(shí)現(xiàn)對缺陷位置、尺寸的準(zhǔn)確判斷。超聲波一般指高于20kHz的聲波，其存在如下特征：具有幾何聲學(xué)特性；波長較短，方向性好；傳輸能量高；能量損失小，穿透力強(qiáng)。綜合上述優(yōu)勢，獲取超聲場參量，設(shè)計(jì)超聲波質(zhì)量檢測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)汽車底盤減震襯套的質(zhì)量檢測。

2 減震器襯套力學(xué)模型構(gòu)建

2.1 應(yīng)力松弛數(shù)學(xué)模型

應(yīng)力松弛表示粘彈性質(zhì)的材料在始終恒定的應(yīng)變狀況下，內(nèi)部應(yīng)力隨時(shí)間變化而減小。該特性介于線彈性和理想粘性之間，所以可利用彈簧元件與粘壺元件的組合形式來表述[3]。上述兩個(gè)元件分別滿足胡克定理與牛頓剪切定理，數(shù)學(xué)表達(dá)式分別如下

σS=EεS

(1)

(2)

式中，σ代表應(yīng)力，ε為應(yīng)變，εD屬于應(yīng)變率，E與η均代表材料常數(shù)，下標(biāo)S與D分別描述彈性與粘性分量。利用上述組合方程，能夠建立微分型彈性本構(gòu)模型[4]。

在此模型中，彈性模量是E的彈簧元件和粘度系數(shù)是η的粘壺元件進(jìn)行串聯(lián)，在模型兩側(cè)加入大小是σ的應(yīng)力荷載，則整體應(yīng)變?chǔ)诺扔趶椥詰?yīng)變?chǔ)?與粘壺應(yīng)變?chǔ)?二者的和，它們之間的關(guān)系如下所示

ε=ε1+ε2

(3)

(4)

對上述公式分析可得

(5)

以上即為微分型本構(gòu)模型，當(dāng)材料參數(shù)一定時(shí)，可利用該模型表示應(yīng)力松弛等情況。

2.2 蠕變性數(shù)學(xué)模型

蠕變屬于彈性材料基礎(chǔ)力學(xué)，該現(xiàn)象指材料在具有不變應(yīng)力狀況下，應(yīng)變隨時(shí)間增加而增大，并最終趨于穩(wěn)定。與應(yīng)力松弛模型不同的是彈簧元件與粘壺元件是互相并聯(lián)的。

引入Heaviside階躍函數(shù)H(t-τ)則會(huì)出現(xiàn)兩種情況

當(dāng)t<τ時(shí)

H(t-τ)=0

(6)

當(dāng)t≥τ時(shí)

H(t-τ)=1

(7)

則蠕變本構(gòu)模型表示為

σ=q0ε+q1ε′

(8)

式(8)中q0表示彈性模量，q1代表粘性系數(shù)，則有

(9)

式(9)中，τd代表時(shí)間量綱，也稱作時(shí)間延時(shí)。

對式(8)進(jìn)行積分處理得到

(10)

由于受到階躍應(yīng)力σ=σ0H(t-τ)的影響，材料隨時(shí)間而改變的情況稱作蠕變，由式(10)能夠獲得該模型蠕變響應(yīng)為

(11)

蠕變現(xiàn)象中函數(shù)J(t)表示蠕變?nèi)崃?，其可以定義成單位作用力形成的應(yīng)變。

(12)

通過理論計(jì)算建立橡膠材料減振器套件力學(xué)模型，獲得橡膠應(yīng)力松弛與蠕變過程中應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間三者之間存在的關(guān)系[5]。為汽車底盤減震器襯套件質(zhì)量檢測提供理論依據(jù)。

3 基于超聲波的襯套件質(zhì)量檢測

3.1 超聲場特性參量選取

超聲場指充滿超聲波的區(qū)域[6]，表示超聲場的特性參數(shù)主要包括聲壓、聲抗與聲強(qiáng)。

1)聲壓

聲壓指在超聲場內(nèi)任意時(shí)刻壓強(qiáng)P1和不存在超聲波的靜止壓強(qiáng)P0之差，且P=P1-P0，單位是帕斯卡。在超聲場介質(zhì)里任意點(diǎn)聲壓強(qiáng)度與時(shí)間、距離相關(guān)，針對沒有衰減的平面余弦波，聲壓P的表達(dá)式如下

(13)

式中，ρ與c分別表示介質(zhì)密度與波速，ω代表角頻率，v屬于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。由此可知聲壓P的絕對值和波速、角頻率之間具有正比關(guān)系。

2)聲強(qiáng)

聲強(qiáng)指超聲場中，一定時(shí)間范圍內(nèi)垂直通過固定截面上的聲強(qiáng)，表示為I，單位是W/cm2，在介質(zhì)中的表達(dá)式如下

(14)

由上述公式可知，聲強(qiáng)和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移、振動(dòng)角頻率相關(guān)。

3)聲阻

聲阻指在某點(diǎn)介質(zhì)聲壓P和此點(diǎn)振動(dòng)速度v之間的比值，表示為Z。其與聲壓、聲速之間的關(guān)系式為

(15)

由上述公式能夠看出，如果聲壓一定，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度隨聲阻抗的變大而減小，所以聲阻抗體現(xiàn)出介質(zhì)對介質(zhì)點(diǎn)的阻礙作用。

3.2 超聲波衰減規(guī)律分析

超聲波在減振器襯套件傳播過程中，聲能隨距離擴(kuò)大而減小，該現(xiàn)象稱為傳播衰減[7]。導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因主要為：介質(zhì)傳播時(shí)的吸收作用、聲波散射以及聲束擴(kuò)散。

在利用超聲波檢測過程中，本文利用定量計(jì)算法來獲取超聲波衰減狀況，針對平面波而言，聲壓衰減情況表達(dá)式為

p=P0e-ax

(16)

式中，p表示入射在材料上起始聲壓，P0代表在傳播距離x處的聲壓，a屬于衰減系數(shù)。

3.3 超聲波檢測過程描述

利用超聲波進(jìn)行檢測是指研究超聲波在減震器襯套件內(nèi)傳播過程中，遇到界面反射回的聲信號(hào)特性，超聲波檢測原理如圖1所示。

圖1 超聲波檢測原理圖

超聲波檢測方法有很多種，可以分為脈沖透射法、反射法與共振法。本文利用共振法對減震器襯套件質(zhì)量進(jìn)行檢測。

共振法基本原理表示為通過改變超聲波頻率，以此激勵(lì)介質(zhì)最大幅度振動(dòng)來檢測物體質(zhì)量。當(dāng)被測目標(biāo)缺陷尺寸與超聲波半波長的整數(shù)倍相同時(shí)，入射波與反射波在相互疊加構(gòu)成駐波，此時(shí)出現(xiàn)共振情況[8]。當(dāng)被測物體缺陷尺寸出現(xiàn)改變時(shí)，共振頻率隨之變化。因此可以看出缺陷大小的變化狀況。利用下述公式可以獲取減震器襯套件厚度

(17)

式中，δ表示襯套件厚度，λ描述超聲波長度，f0為襯套件固有頻率，fm與fm-1代表臨近兩個(gè)共振頻率，c是聲速。

如果檢測出襯套存在缺陷，則需對缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位，掌握缺陷位置對研究減振器襯套件缺陷程度與危險(xiǎn)性及其重要，可為修復(fù)工作提供依據(jù)。

本文結(jié)合超聲波在襯套件中聲速與缺陷回波在時(shí)間軸上的具體位置，即可獲得缺陷位置。主要分為下述兩種情況。

1)如果已知襯套件厚度L，結(jié)合時(shí)間軸上水平長度和襯套件厚度具有正比的關(guān)系，能夠得到缺陷具體位置

(18)

2)若未知襯套件厚度L，結(jié)合聲波在介質(zhì)中傳播速度與缺陷波形成時(shí)間來確定準(zhǔn)確位置缺陷

H=t2/2·c

(19)

式中，t1表示缺陷波在時(shí)間軸上的位置。

3.4 質(zhì)量檢測系統(tǒng)構(gòu)建

3.4.1 超聲檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

完整的超聲波檢測系統(tǒng)包括探頭、測量試塊與探傷儀構(gòu)成。

1)超聲探頭

探頭屬于電聲換能器，主要工作將電能變換為超聲能，或回波超聲能變換為電能。其工作原理是通過壓電效應(yīng)完成能量轉(zhuǎn)換工作。在高壓發(fā)射電路發(fā)出電脈沖對壓電晶體片產(chǎn)生作用時(shí)，晶體片會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，因此形成超聲波。相反，當(dāng)超聲回波發(fā)送到探頭促使晶體片出現(xiàn)高頻振動(dòng)，晶體片發(fā)射高頻電信號(hào)，傳輸?shù)浇邮针娐贰?/p>

2)測量試塊

根據(jù)不同用途制作具有特殊形狀的試件稱作測量試塊。用于超聲檢測中的試件主要包括標(biāo)準(zhǔn)與對比兩種試塊。其中標(biāo)準(zhǔn)試塊是權(quán)威機(jī)構(gòu)規(guī)定的，形狀、材質(zhì)等都有特殊要求，主要用在測試探頭與探傷儀器的性能。而對比試塊是一些領(lǐng)域?qū)τ诰唧w探傷目標(biāo)的試塊。本文構(gòu)建的超聲系統(tǒng)中利用對比試塊。

3)超聲探傷儀

探傷儀是檢測系統(tǒng)最重要的設(shè)備，主要工作是產(chǎn)生高壓激勵(lì)探頭發(fā)出超聲波，同時(shí)接收回波信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過處理檢測出襯套件內(nèi)部有無缺陷、缺陷位置等信息。

該系統(tǒng)選用的是脈沖反射形式的檢測方法，將探頭作為發(fā)射與接收的換能器利用。

3.4.2 系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

1)硬件模塊

該系統(tǒng)硬件分為超聲波發(fā)射、回波信號(hào)接收、ARM平臺(tái)開發(fā)三個(gè)模塊。其中超聲發(fā)射部分包括探頭、放大電路與超聲波激勵(lì)構(gòu)成[9]；回波信號(hào)接收分為信號(hào)調(diào)理電路與采集電路；開發(fā)平臺(tái)由不同外圍硬件結(jié)構(gòu)組合而成，為軟件運(yùn)行提供平臺(tái)。硬件模塊整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

2)軟件模塊

在超聲檢測系統(tǒng)中，軟件發(fā)揮神經(jīng)中樞的作用，是系統(tǒng)控制核心。信號(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理以及檢測結(jié)果處理與現(xiàn)實(shí)都需通過該軟件完成[10]。所以，軟件自身功能、穩(wěn)定與可靠程度都會(huì)對檢測結(jié)果產(chǎn)生較大影響。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將超聲檢測算法引入到上述設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，即可實(shí)現(xiàn)對汽車底盤減震器襯套件的質(zhì)量檢測。

4 仿真數(shù)據(jù)分析與研究

為驗(yàn)證本文質(zhì)量檢測系統(tǒng)性能，選用Lab VIEW軟件Filters子模板的Inverse Chebyshev Filter進(jìn)行仿真。參數(shù)設(shè)置情況如下：激振頻率為5Hz，激振力幅值為1200N，預(yù)壓力900N。

本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)置3塊尺寸大小為50mm×50mm×5mm的橡膠襯套件，橡膠的厚度為5mm，不同實(shí)驗(yàn)樣件要求如下：

1)一號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)襯套件，沒有任何缺陷，將其作為其它襯套件的質(zhì)量參考；

2)二號(hào)襯套件為預(yù)制單一類型缺陷樣件，如圖4所示，在樣件周圍放入相同厚度且直徑為30mm的半圓形聚四氟乙烯高溫布，等待樣件固化之后能夠模擬脫落缺陷。二號(hào)與三號(hào)高溫布的厚度分別為0.05mm與0.1mm。缺陷位置分別在10cm、20cm、30cm與40cm處。

圖4 預(yù)置脫粘結(jié)構(gòu)示意圖

3)四號(hào)屬于預(yù)制多類型缺陷樣件，缺陷位置分別在15cm、38m、52cm與65cm處。缺陷示意圖如圖5所示。

圖5 多缺陷類型預(yù)制樣件示意圖

對上述三種樣件進(jìn)行超聲波檢測，獲得的超聲信號(hào)波形分別如圖6、7、8所示。

圖6 無缺陷襯套件波形

圖7 單一缺陷類型超聲波形

圖8 復(fù)雜缺陷類型超聲波形

由以上超聲波質(zhì)量檢測結(jié)果可知，當(dāng)樣件不存在缺陷時(shí)，波形圖表現(xiàn)平穩(wěn)，表示并沒有檢測出任何缺陷；當(dāng)存在單一類型缺陷時(shí)，缺陷處波形與無缺陷處波形相比幅值較大，但是由于缺陷程度相同，因此缺陷處波形一致；當(dāng)缺陷類型不統(tǒng)一時(shí)，波形起伏大小隨缺陷尺寸大小而發(fā)生改變。此外還能看出該系統(tǒng)對缺陷定位較為準(zhǔn)確。仿真還對文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]與本文方法的檢測效率進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同方法檢測效率對比圖

由圖9可以看出對于同樣一個(gè)襯套件，本文方法檢測所需時(shí)間最短，該方法無需反復(fù)檢測，僅需要一次測試便可得出缺陷情況，提高檢測效率且不會(huì)對襯套件產(chǎn)生損害。

5 結(jié)論

汽車底盤襯套大多由橡膠材料制成，是連接底盤和車身的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量優(yōu)劣對車輛舒適度造成很大影響。因此本文利用超聲波方法，構(gòu)建檢測系統(tǒng)對襯套件進(jìn)行質(zhì)量檢測。仿真表明，該方法無論對于哪種類型缺陷都可以準(zhǔn)確檢測出來，并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，提高檢測效率。車輛研發(fā)項(xiàng)目已規(guī)劃在企業(yè)戰(zhàn)略藍(lán)圖中，工程師對車輛舒適性的研究投入越來越多。在今后發(fā)展中不但要繼續(xù)深入對襯套件的質(zhì)量檢測，還要構(gòu)建襯套件疲勞預(yù)測模型，全面掌握襯套件質(zhì)量，提高車輛的安全性與舒適性。