（化工过程机械专业论文）橡胶隔振器动态特性计算与建模方法的研究.pdf

浙江工业大学博士学位论文 橡胶隔振器动态特性计算与建模方法的研究 摘要 橡胶隔振器是汽车隔振系统的主要隔振元件。本文旨在对橡胶隔振器的静、动态特性 展开研究，以便为该类隔振器的设计与开发提供理论和技术支持。本文的主要研究工作为： 1 通过实验和计算方法研究了橡胶隔振器的静态特性。探讨了橡胶隔振器静态特性 和材料超弹性实验方法，实测了单轴拉伸、双等轴拉伸和平面拉伸试片在不同应变下的材 料应力应变曲线，并对相关实验的数据处理方法进行了探讨；研究了不同超弹性模型对 材料实验数据的拟合精度。 以一汽车动力总成悬置( 橡胶隔振器) 为研究对象，对其静态力位移特性进行了计 算。并对各种材料超弹性模型计算橡胶隔振器静态特性的精度进行了比较，分析和实验研 究了橡胶材料的m u l l i n 效应、体积变形和超弹性实验类型对橡胶隔振器静态特性预测的影 响。所得到的一系列结论对橡胶隔振器的产品开发具有工程应用价值，为本文后续的橡胶 隔振器的动态特性研究打下基础。 2 提出了一种计算橡胶隔振器动态特性的方法，该方法适用于橡胶隔振器受恒振幅 激励时其动态特性的计算。建立了超粘弹性本构模型来表征橡胶隔振器动态特性的激振频 率相关性。讨论了超粘弹性模型材料参数的获取方法。探讨了橡胶隔振器动态特性计算中 静态特性误差带来的影响及相关的刚度修正方法。 对一汽车悬架橡胶衬套( 橡胶隔振器) 的动态特性进行了计算，并与相应的实验结果 进行了比较。在忽略振幅相关性的场合，文中的计算方法对橡胶隔振器前期的结构设计和 橡胶配方选择具有重要指导作用，为橡胶隔振器动态特性的进一步深入研究奠定基础。 3 对商业软件中已有的本构模型的进行叠加，建立了考虑橡胶隔振器动态特性振幅 相关的粘弹塑性本构模型；使用简单剪切实验数据拟合得到了本构模型中的参数。 建立了同时包含超粘弹性模型和弹塑性模型的有限元网格叠加方法，计算了橡胶隔振 器的动态特性，与分别建立超粘弹性模型、弹塑性有限元模型，并计算使用这些模型的橡 胶隔振器动态特性，然后对计算结果进行叠加的结果叠加方法进行了比较和讨论。文中的 浙江工业大学博士学位论文 方法对于橡胶隔振器动态特性的准确预测、橡胶材料本构模型在复杂场合的应用，具有重 要的学术和工程应用价值。 4 建立了基于橡胶材料动态特性振幅相关性计算模型的液压衬套( 液阻橡胶隔振器) 动态特性计算分析方法。 实验测试了一液压衬套的动态特性，阐述了液压衬套的液固耦合模型建模方法，并对 使用超一粘弹性模型和粘弹塑性模型计算得到的液压衬套橡胶主簧的动态特性进行了对比。 将粘弹塑性模型应用于液压衬套动态特性的液固耦合分析，并与使用粘弹性模型进行的液 固耦合分析的结果进行了比较和讨论。该方法的应用具有重要的学术意义，并将有效地指 导产品的前期设计。 5 建立了基于超弹性模型、分数导数模型和摩擦模型的橡胶隔振器动态特性建模方 法。 探讨了橡胶隔振器叠加模型的参数识别方法；利用建立的模型和识别得到的模型参 数，对橡胶隔振器的动态特性进行了计算，并与实验结果进行了对比分析。建立了包含橡 胶隔振器的单自由度系统的时域求解方法，计算了单自由度系统中质量块的加速度响应， 并对相关的实验与计算结果进行比较。文中建立的基于分数导数的橡胶隔振器动态特性建 模方法，对橡胶隔振器在动态系统中的建模具有重要意义。 关键词：超弹性模型，超粘弹性模型，粘弹塑陛模型，动态特性计算，液固耦合分 析，橡胶隔振器 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 5 0 5 7 5 0 7 3 ) 浙江工业大学博士学位论文 a ni n v e s t i ga t i o no nm o d e l i n ga n d c a l c u l a t i o nm e t h o d sf o rd y n a m i c p r o p e l 订i e so far u b b e ri s o l a t o r a bs t r a c t r u b b e ri s o l a t o r sa r ew i d e l yu s e di na u t o m o t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e m s i nt h i sp a p e r ， t h es t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e so fr u b b e ri s o l a t o r sa r ei n v e s t i g a t e d t h er e s e a r c ho b j e c t i v eo f t h es t u d yi st op r o v i d et h ed e s i g nt h e o r ya n dc a l c u l a t i o nm e t h o d sf o rd e v e l o p i n gr u b b e ri s o l a t o r s t h ec o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r e ： 1 t h es t a t i c p r o p e r t i e so far u b b e ri s o l a t o ra r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g he x p e r i m e n ta n d c a l c u l a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e s ，w h i c ha r eu s e dt ot e s tt h es t a t i cp r o p e r t i e so far u b b e r i s o l a t o ra n dh y p e r e l a s t i c i t yo fr u b b e rm a t e r i a l ，a r ed i s c u s s e d u n i a x i a lt e n s i o nt e s t ，b i a x i a l t e n s i o nt e s ta n dp l a n a rt e n s i o nt e s tt oo b t a i nt h es t r e s sv e r s u ss t r a i no fr u b b e rs p e c i m e n sa r e c o n d u c t e d f u r t h e r m o r e , t h ed a t ap r o c e s s i n gm e t h o d sf o re s t i m a t i n gc o n s t i t u t i v ep a r a m e t e r so f h y p e r e l a s t i cm o d e la r ed i s c u s s e d ，a n dt h ea c c u r a c yo f v a r i o u sh y p e r e l a s t i cm o d e l sf o rf i t t i n gt h e t e s td a t ai sc o m p a r e d e t h es t a t i cf o r c ev e r s u sd i s p l a c e m e n to fap o w e r t r a i nm o u n t ( r u b b e ri s o l a t o r ) i sc a l c u l a t e d t h ea c c u r a c i e s ，u s i n gv a r i o u sh y p e r e l a s t i cm o d e l st oc a l c u l a t et h es t a t i cp r o p e r t i e so far u b b e r i s o l a t o r , a r ec o m p a r e d m o r e o v e r , t h ee f f e c t si n c l u d i n gm u l l i ne f f e c t ，b u l kd e f o r m a t i o n ，a n d t y p e so fh y p e r e l a s t i cm a t e r i a lt e s to np r e d i c t i n gt h es t a t i cp r o p e r t i e so far u b b e ri s o l a t o ra r e i n v e s t i g a t e db ye x p e r i m e n t a la n dc a l c u l a t i o na p p r o a c h t h em o d e l i n ga n dc a l c u l a t i o nm e t h o d s p r e s e n t e di nt h es t u d ya r ev a l u a b l ef o rr u b b e ri s o l a t o r s d e v e l o p m e n ta n dl a yaf o u n d a t i o nf o r i n v e s t i g a t i n gi n t od y n a m i cp r o p e r t i e so f ar u b b e ri s o l a t o ri n t h i sp a p e r 2 a na p p r o a c hf o rc a l c u l a t i n gt h ed y n a m i cp r o p e r t i e so far u b b e ri s o l a t o ri sp r o p o s e d ， w h i c hc a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h ed y n a m i cp r o p e r t i e so far u b b e ri s o l a t o ru n d e rd i s p l a c e m e n t e x c i t a t i o n sw i t hc o n s t a n ta m p l i t u d e s ah y p e r e l a s t i c - v i s c o e l a s t i cm o d e li se s t a b l i s h e dt od e s c r i b e t h e 行e q u e n c y d e p e n d e n c y o fd y n a m i c p r o p e r t i e s o far u b b e r i s o l a t o r m e a n w h i l e ，t h e e x p e r i m e n t a lm e t h o df o ro b t a i n i n gt h ep a r a m e t e r so f r u b b e rm a t e r i a li nt h ev i s c o e l a s t i cm o d e li s p r e s e n t e d t h ee f f e c to fs t a t i cr a t ee r r o ro nt h ec a l c u l a t i o no fd y n a m i cp r o p e r t i e so far u b b e r i s o l a t o ri sd i s c u s s e da n de l i m i n a t e db yr a t ec o r r e c t i o nm e t h o d i i i 塑望三些奎兰堡主堂堡堡兰 _-i_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_l_-_-_-_一一 t a k i n gas u s p e n s i o nb u s h i n g ( ak i n d o fr u b b e ri s o l a t o r s ) a sas t u d y i n ge x a m p l e ，t h e d y n a m i ca n ds t a t i cp r o p e r t i e so ft h er u b b e rb u s h i n ga r ec a l c u l a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n t t h ep r o p o s e dc a l c u l a t i o nm e t h o dp l a y sag u i d i n gr o l e i nd e s i g n i n gs t r u c t u r ea n d s e l e c t i n gc o m p o u n df o rar u b b e ri s o l a t o r ，a n dl a y saf o u n d a t i o nf o rf u r t h e ri n v e s t i g a t i o no f t h e d y n a m i cp r o p e r t i e so f ar u b b e ri s o l a t o r 3 av i s c o p l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e lb ys u p e r i m p o s i n gt h ec o n s t i t u t i v em o d e l i n c o m m e r c i a lf e ( f i n i t ee l e m e n t ) c o d ei sp r o p o s e d ，a n di ti su s e dt om o d e la m p l i t u d ed e p e n d e n c y o ft h ed y n a m i cp r o p e r t i e so far u b b e ri s o l a t o r t h es i m p l es h e a re x p e r i m e n tf o rt h er u b b e r s p e c i m e ni su s e dt oi d e n t i f yt h ep a r a m e t e r so f t h ep r o p o s e dm o d e l a na p p r o a c hn a m e dm e s h s u p e r i m p o s i t i o na p p r o a c hb ys u p e r i m p o s i n gf em e s ho ft h e h y p e r e l a s t i c - v i s c o e l a s t i cm o d e la n de l a s t i c p l a s t i cm o d e l si sp r e s e n t e dt oc a l c u l a t et h ed y n a m i c p r o p e r t i e so far u b b e ri s o l a t o r m e a n w h i l e ，a n o t h e ra p p r o a c hn a m e dr e s u l t s u p e r i m p o s i t i o n a p p r o a c h ，s u p e r i m p o s i n gt h e r e s u l t sc a l c u l a t e db yh y p e r e l a s t i c - v i s c o e l a s t i cf em o d e la n d e l a s t i c p l a s t i cf em o d e l sr e s p e c t i v e l y ，i su s e dt oc a l c u l a t et h ed y n a m i cp r o p e r t i e so f ar u b b e r i s o l a t o r t h er e s u l t sc a l c u l a t e db ym e s h - s u p e r i m p o s i t i o na p p r o a c ha n dr e s u l t s u p e r i m p o s i t i o n a p p r o a c ha r ec o m p a r e da n dd i s c u s s e d i ti si n d i c a t e dt h a tt h et w op r o p o s e da p p r o a c h e sc a nb e u s e di np r e d i c t i n gt h ed y n a m i cp r o p e r t i e so fa r u b b e ri s o l a t o r 4 a na p p r o a c h 。b a s e do nam o d e li n c l u d i n ga m p l i t u d e d e p e n d e n c yo ft h ed y n a m i c p r o p e r t i e so fr u b b e rm a t e r i a l ，i sp r o p o s e dt o c a l c u l a t et h ed y n a m i cp r o p e r t i e so fah y d r o b u s h ( h y d r a u l i cr u b b e ri s o l a t o r ) t h ed y n a m i cp r o p e r t i e so fah y d r o b u s ha r em e a s u r e d t h ef l u i d - s t r u c t u r ei n t e r a c t i v e ( f s i ) m o d e lo fah y d r o b u s hi sd e s c r i b e di nd e t a i l s t h ed y n a m i cp r o p e r t i e so fm a i nr u b b e re l e m e n t ( m r e ) o fah y d r o b u s hc a l c u l a t e db yh y p e r e l a s t i c v i s c o e l a s t i cm o d e la n dv i s c o p l a s t i cm o d e l r e s p e c t i v e l ya r ec o m p a r e d f u r t h e r m o r e ，t h ev i s c o p l a s t i cm o d e l i sa p p l i e di nt h ea n a l y s i sf o rt h e d y n a m i cp r o p e r t i e so fah y d r o b u s hw i t hf s im e t h o d ，a n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ec o m p a r e d w i t ht h eh y p e r e l a s t i c v i s c o e l a s t i cm o d e l t h ep r o p o s e da p p r o a c hf o rc a l c u l a t i n gt h ed y n a m i c p r o p e r t i e so fh y d r o b u s hw i l lh e l pt oi m p r o v e t h ee f f i c i e n c yi np r o d u c td e s i g n 5 am e t h o df o rm o d e l i n gt h ed y n a m i cp r o p e r t i e so far u b b e ri s o l a t o ri sp r o p o s e db y s u p e r i m p o s i n gh y p e r e l a s t i cm o d e l ，f r a c t i o n a ld e r i v a t i v em o d e la n d f r i c t i o n a lm o d e l t h em e t h o d sf o re s t i m a t i n gt h em o d e lp a r a m e t e r sa lei l l u s t r a t e di nd e t a i l s t h ec a l c u l a t e d d y n a m i cp r o p e r t i e so far u b b e ri s o l a t o r w i t ht h ep r o p o s e dm o d e la n dt h ei d e n t i f i e dm o d e l p a r a m e t e r sa r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t s m o r e o v e r , t h et i m ed o m a i nr e s p o n s ei sm e a s u r e d f o rai l a s si nas i n g l ed e g r e eo ff r e e d o m ( s d o f ) s y s t e mw i t har u b b e ri s o l a t o ru n d e rv a r i o u s d i s p l a c e m e n te x c i t a t i o n s t h em e t h o d sf o re s t i m a t i n gt h er e s p o n s eo f am a s sa r ee s t a b l i s h e d ，t h e c a l c u l a t e dr e s p o n s eo fa na c t u a ls d o fs y s t e mw i t ht h ep r o p o s e dm o d e la n ds o l u t i o nm e t h o da r e 浙江工业大学博士学位论文 c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t s t h ep r o p o s e dm o d e l i n gm e t h o df o rd y n a m i cp r o p e r t i e so fa r u b b e ri s o l a t o rc a nb eu s e dt om o d e lt h er u b b e ri s o l a t o r si nd y n a m i cs y s t e m k e yw o r d s ：h y p e r e l a s t i cm o d e l ，h y p e r e l a s t i c - v i s c o e l a s t i cm o d e l ，v i s c o p l a s t i cm o d e l ， d y n a m i cp r o p e r t yc a l c u l a t i o n ，f l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o na n a l y s i s ，r u b b e ri s o l a t o r v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：日期：2 0 0 9 年1 2 月2 9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密凼。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：2 0 0 9 年1 2 月2 9 日 日期：2 0 0 9 年1 2 月2 9 日 浙江工业大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1引言 伴随着国内汽车行业的快速发展，人们对汽车的评价开始从外观、动力、燃油经济性 等指标逐渐向舒适性转移，其中汽车的n v h ( n o i s e ，v i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ，即噪声、 振动和声振粗糙度) 性能是舒适性的重要组成部分。汽车主要的振动与噪声来自于发动机 扭矩激励、不平路面激励及空气传递的噪声，其中前两项可以通过隔振进行消除或减弱。 因此良好的隔振系统对汽车n v h 性能至关重要。 橡胶作为弹性和阻尼材料被广泛应用于汽车的隔振系统中，如汽车动力总成悬置、底 盘衬套、排气系统吊耳、动力吸振器和曲轴扭转减振器等，并在不同的隔振系统中起着关 键的作用。如动力总成悬置，其主要功能有：降低动力总成振动向车身的传递、衰减由于 路面激励引起的动力总成振动和控制动力总成位移和转角。而底盘衬套除提供扭转和倾斜 的柔性链接外，将较大程度地改善汽车的舒适性和操纵稳定性。在汽车中用于特殊用途的 如曲轴扭转减振器、动力吸振器等，它们在一定的振幅和频率范围内有效地提高了整车的 n v h 性能。 橡胶隔振器供应商的能力也代表着这个国家在汽车制造和研发方面的水平，尤其是在 汽车n v h 技术方面的能力。目前汽车制造业较发达的国家都有具备竞争实力的橡胶隔振 器企业，如德国的采埃孚( z f ) 、康迪泰克( c o n t i t e c h ) 、科德宝( f r e u d e n b e r g ) 和沃可( w o c o ) 等，瑞典的特瑞堡( t r e l l e b o r g ) ，美国的库博标准( c o o p e r s t a n d a r d ) 、固特异( g o o d y e a r ) 和德尔福( d e l p h i ) ，日本的东海橡胶( t o k a i ) 和普利司通( b 对d g e s t o n e ) ，法国的p a u l s t r a ，韩国的平和工业( p y u n gh w a i n d u s t r i a l ) 和d t r 等，这些企业都在汽车发达国家的橡胶隔振领域占据重要的地位。 随着国内用户对汽车n v h 要求的需要提高，我国的橡胶隔振行业在十年问也得到长 足发展，涌现了一些较具有实力的汽车橡胶隔振器配套企业，主要有宁波拓普、安徽中鼎 和上海众力等橡胶隔振器配套企业。 1 2 橡胶隔振器的特点 橡胶作为汽车隔振器广泛应用的材料，具有区别于其它隔振材料的特性： ( 1 ) 超弹性【1 1 浙江工业大学博士学位论文 橡胶是一种高聚物，属于高分子材料，是重复单元( 链节) 构成的长链分子，它具有 良好的弹性，在较小的外力作用下就能显示出高度变形的能力，在除去外力后，又能恢复 原来的形状，几乎没有永久变形。橡胶的弹性与金属的弹性不同，若将金属试片和橡胶试 片在相同的条件下分别进行拉伸实验，橡胶的最大伸长通常在5 0 0 1 0 0 0 之间，除在小 变形区域外，没有固定的杨氏模量，小变形范围内的杨氏模量约为2 0 m p a 左右( 如图1 1 所示) 。这种低模量、高延伸型的特点与金属相反，钢的杨氏模量约为2 0 1 0 5m p a ，而 弹性变形仅为l 甚至更小。 r 邂 0 00 51 01 52 0 应变 图1 1天然橡胶典型的应力伸长曲线 图1 - 2 天然橡胶典型的应力应变曲线 ( 2 ) 动态模量和阻尼 与一般的粘弹性材料类似，描述橡胶材料的动态特性一般采用复模量形式，复模量包 含实部( 存储模量) 和虚部( 损失模量) ，同时也可以使用另外一种表达方式：动态模量 ( 复模量的绝对值) 和阻尼角( 复模量的相位角) 。 如图l - 2 为天然橡胶典型的应力应变曲线，其中为剪切应力幅值，为剪切应变 幅值，配为每个循环的能量损失，动态剪切模量表达为 g 撕= 卫( 1 - 1 )u 撕2 一 l l 。lj k o 而阻尼d 为 d ；旦 ( 1 2 ) 冗k o f o 阻尼角与阻尼直接相关，为万= s i n - 1 p ) 。 ( 3 ) 频率相关性f 2 1 橡胶的动态特性受加载速率的影响，在简谐激励下，橡胶的动态模量随着频率的增加 而增加，如图1 3 所示。而阻尼随着频率的上升，在某一频率达到峰值后开始下降。频率 2 浙江工业大学博士学位论文 相关性主要是由在加载过程中聚合链的重组形成的；由于重组不是在瞬间发生的，伴随着 能量损失，因此存在一定的阻尼角，而损耗能也为频率相关的。 公 山 邑 姻 辎 桶 需 频率( h z ) 勺 山 弓 蟮 辎 榴 幅 1 位移振幅( i l l m ) 噢 圈 图1 3 天然橡胶典型的频率相关性图l _ 4 天然橡胶典型的振幅相关性 ( 4 ) 振幅相关性( f l e t c h e r - g e n t 效应) 振幅相关性又称为f l e t c h e r g e n t 或者p a y n e 效应p 】。在简谐激励下的橡胶动态模量的 振幅相关性特性如图1 - 4 所示。由图可见，当振幅增加时，橡胶的剪切模量降低。而阻尼 将在一定的应变时达到最大值。从微观的角度，振幅相关性是由于填充结构和聚合链之间 的弱键变化导致的。当橡胶变形时，这些键将沿着填充粒子的表面移动，从而导致频率无 关的能量损失。 乱 考 r 毯 0 00 51 01 52 02 5 应变 ，、 d - = v 删 辎 怕 臀 温度( 。c ) 图1 - 5 天然橡胶典型的m u l l i n s 效应图l - 6 天然橡胶典型的温度相关性 ( 5 ) m u l l i n s 效应【4 】 在循环加载的过程中，在初始的几个加载循环，橡胶的静态模量逐渐减少，并在三个 循环以后逐渐稳定，如图1 5 所示。与f l e t c h e r - g e n t 效应不同的是，m u l l i n s 效应吲不是完 全可重复的，但是经过几个小时到几天的时间，材料的静态模量基本可以恢复到初始状态。 - 3 - ( 6 ) 温度相关性 橡胶随温度的变化可以分成三种状态：玻璃态，临界状态和橡胶态。在低温时由十晶 化作用动态模量非常高，而阻尼很小，但温度上升，材科渐渐进入临界区域，这时动态模 量快速减小，而阻尼达到最大值，见图l 一6 。动态模量和阻尼进入橡胶态后的变化不是非 常显著，动态模量随着温度的上升略有减小。 应用橡胶材料作为隔振器的材料，具有以f 优点： ( 1 ) 形状自由度较大： ( 2 ) u r 在三个平动方向上旋转具有 方向弹簧作用： ( 3 ) 具有适度的阻尼性能，町在高、低频的范围内加以利用； ( 4 ) 蚓时具有减振、缓冲和隔音等功能： ( 5 ) 冲击m 帔大于动刚度，动刚度人十静刚度有利十减小冲击变彤和动态变形。 1 3 橡胶隔振器的应用 鞲驯，婚 渺 ，7 婚 m “h ，7 掣。 爹 。1 “：。茹 。t ，一一 、善墓。* t ”t 、 图l - 7 城型汽车橡胶隔振产品 如圈l - 7 所示，在汽乍e e 其足动力总成系统和底盘系统，安装了人量的橡胶隔振器 以消除来自路面、发动机等引起的整车振动0 噪声。汽车中的橡胶隔振器按照工作原理分 为普通橡胶隔振器和液阻橡胶隔振器。 摹钆 一蠼国| | ，i j h 磐i； 镂。 浙江工业大学博士学位论文 1 3 1 普通橡胶隔振器 汽车隔振系统中，大部分的橡胶隔振器属于普通橡胶隔振器，相比较于液阻橡胶隔振 器，普通橡胶隔振器具有刚度可调性好、耐久性和可靠性好、性能稳定和价格便宜等优点， 各普通橡胶隔振器在汽车的各个隔振系统中具有非常重要的作用： 部分变速箱悬置和发动机悬置采用普通橡胶隔振器，起到在低频范围内衰减路面 激励、控制动力总成位移及隔振的作用，高频随着橡胶的动态硬化而隔振变差， 但其性能较为稳定，在较宽的频率和振幅范围内的动态性能较易控制。 动力总成悬置系统中的橡胶防扭拉杆主要起到衰减扭矩激励、控制瞬态扭矩工况 位移等作用。 底盘系统中的悬架衬套一般也为普通橡胶隔振器，提供扭转和倾斜的柔性，并用 于轴向和径向的位移控制，其中低的轴向刚度具有良好的隔振性能，而高的径向 刚度具有更好的操纵稳定性 5 1 。 副车架衬套大部分为普通橡胶隔振器，安装于副车架和车身之间，起二级隔振作 用，典型应用于横置动力总成布置，起到支撑悬架和动力总成载荷、隔离来自副 车架的振动和噪声、承受动力总成扭矩、动力总成静态支撑、承受转向与悬架载 荷并隔离发动机和路面激励等作用。 稳定杆衬套作为轴承的功能将横向稳定杆与车架相连，为稳定杆提供额外的扭转 刚度，同时防止稳定杆的在轴向上发生位移。 曲轴扭转减振器通过调整系统的转动惯量、扭转刚度及其分布，从而达到调整盐 轴系统的固有频率目的；扭转减振器可吸收曲轴前端的扭转振动，并通过阻尼损 耗能量；通常，配置减振器对减小曲轴系统振动最为有效、经济。 分动器衬套一般用于四驱发动机，通过衬套与车身相连，用于减少扭转振动。 排气管吊耳，具有控制排气系统位移，减少振动向车身传递等作用。 1 - 3 2 液阻橡胶隔振器液阻悬置 由于汽车行驶过程中的不同类型的工况激励、某些频段的特殊阻尼要求，需要对普通 的橡胶隔振器进行改进，以满足隔振系统对橡胶隔振器动态特性的需求。对于动力总成悬 置系统而言，橡胶悬置的动态特性有两点不足之处：振动阻尼偏小，不能满足汽车动力总 成悬置系统在低频的减振性能要求；在高频振动时会出现动态硬化现象，导致其动刚度显 著增大，不能满足汽车动力总成悬置系统在高频域的隔振、降噪性能要求【6 l 。 从7 0 年代末开始，一种新型的液体阻尼型橡胶悬置( 或称液阻橡胶隔振器、液阻悬 置) 开始在国外汽车上推广应用，它是在封闭的橡胶悬置内附设液体阻尼机构而成的，其 气 浙江工业大学博士学位论文 弹性特性和阻尼特性都显著优于普通橡胶悬置，可在很大程度上弥补普通橡胶悬置的缺 点，从而可大大改善汽车动力总成悬置系统的隔振降噪、减振缓冲性能。当它用于动力总 成的隔振元件时，与普通橡胶悬置相比较，其隔振效果如图1 8 所示，由图可见，液阻悬 置具有更好的隔振效果 6 1 。 051 01 52 02 53 0 051 01 52 02 53 0 频率( h z ) 图1 8 橡胶悬置与液阻悬置的隔振效果对比图1 - 9 惯性通道解耦盘液阻悬置示意图1 6 1 图1 - 9 为一典型液阻悬置的结构示意图，其中橡胶主簧起支撑发动机重量和类似于活 塞泵吸液体的作用，橡胶底膜起密封液体的作用；惯性通道体由上下液室的隔板、惯性通 道和解耦盘组成，解耦盘的运动受到上下液室隔板的限制；上下液室中充满液体( 一般为 乙二醇) ，液体可以从上液室流经惯性通道到下液室，也可以随活动解耦盘的运动而使液 体在上下液室之间流动 6 1 。 当发动机的激励为低频、大振幅正弦激励( 1 一- - 5 0 h z ，0 5 - - - l m m ) 时，解耦盘运动的 位移会大于其自由行程，由于隔板限制了解耦盘的运动，因而迫使液体流经惯性通道( 对 于解耦膜式的液阻悬置，由于解耦膜在大位移时的刚度很大，因而迫使液体流经惯性通 道) ，此时液阻悬置表现出大刚度、大阻尼的特性。这种大刚度、大阻尼的特征可以隔离 动力总成受到的来自路面的低频、大振幅激励【6 】。 当发动机的激励为高频、小振幅正弦激励( 5 0 - 2 0 0 h z ，o 0 5 0 1 m m ) 时，对解耦盘 式的液阻悬置( 图1 9 ) ，其解耦盘仅在其自由行程( 2a ) 中运动，因而惯性通道中无液 体流动( 对于解耦膜式的液阻悬置，由于小位移时，解耦膜的刚度很小，此时上下液室之 间液体的流动仅随解耦膜的变形而流动，而惯性通道中无液体流动) 6 1 。 由此可知，由于解耦盘( 或解耦膜) 的特性，使得液阻悬置的性能与激振振幅有关， 而惯性通道内液体的运动，使得液阻悬置的性能与激振频率有关。 - 6 3 2 1 0 6 4 2 0 一暑)趟瑙最臀鞲 一一趟磺最臀骚 浙江工业大学博士学位论文 1 3 3 液阻橡胶隔振器液压衬套 底盘系统中存在着局部模态，这对橡胶衬套提出更高的要求：为了降低局部模态引起 的大振幅振动，要求橡胶衬套具有大阻尼( 低频、大振副激励) ；为了降低高频振动和噪 声，要求低刚度( 高频、小振幅激励) ，这导致了对传统的橡胶衬套( 普通橡胶隔振器) 的设计矛盾。这些矛盾可以通过合理设计液压衬套( 液阻橡胶隔振器) 进行解决，液压衬 套在低频可以提供较大的刚度和阻尼，而在高频、小振幅时阻尼有一定程度的降低。虽然 液压阻尼特征在悬置的应用上已经相对成熟，但是液压衬套的大批量投入生产仅开始于l5 年前的欧洲，目前国内车型较少使用液压衬套【7 j 。 液压衬套的应用包括：使用液压副车架衬套( 径向) ，衰减副车架的纵向和侧向模态 振动；当汽车行驶在粗糙路面上时，将后扭转梁或者后轴控制臂的橡胶衬套使用液压衬套 进行替换，可以抑制由路面引起的晃动，同时还可以保证前束校正；液压橡胶支柱上支撑， 可以控制车轮在1 0 1 7 h z 的跳动模态，并且与筒式减震器的功能相互独立，但由于价格和 空间问题没能大批量得到应用瞵j 。 童1 5 0 0 z 一1 0 0 0 型 区 需5 0 0 0 ( a ) 横向阻尼液压衬套工作原理 4 0 3 0 援2 0 哩 区1 0 图l - 1 0 典型的径向阻尼型液压衬套 图1 1 0 ( a ) 为一典型的径向阻尼型液压衬套，由金属内管、橡胶主簧、骨架、尼龙限 位块、金属外管和液体组成。其中间的橡胶主簧将充满液体的腔体分成两个液室，并且由 一相对狭长的流道( 惯性通道) 将两个液室相连，轴上两端使用橡胶膜进行密封，而侧向 7 - 浙江工业大学博士学位论文 使用密封筋进行密封；液压衬套的骨架利于运动时惯性通道形状的保持，且对耐久性、密 封和刚度调整具有较大作用：内管与连接螺栓相连。 当受外力加载，内管相对外管发生径向变形时，液体将从一个液室流到另外一个液室， 惯性通道中液体的惯性质量和液压衬套液室将形成一个共振系统，此系统的共振频率可以 调整到预期范围，液压衬套典型的动态性能如图1 - l o ( b ) 所示。尼龙限位块起到位移控制 的作用，当衬套承受较大径向冲击力时，尼龙限位块与橡胶接触，刚度急剧上升，位移得 到控制，橡胶主簧得到一定的保护，不致疲劳破坏。 1 4 橡胶隔振器静态特性的研究综述 橡胶隔振器的静态特性对汽车的操纵稳定性和平顺性起着重要作用【8 1 ，对橡胶静态特 性的研究主要集中在：橡胶材料超弹性本构模型及模型参数的实验获取方法、橡胶隔振器 静态特性分析方法等方面的研究。 1 4 1 橡胶材料超弹性本构模型的研究 对于橡胶材料的本构理论的研究，历史上形成了两种方法：统计热力学方法和连续介 质的现象学描述方法0 1 。 1 4 1 1 统计热力学方法 统计热力学法试图从硫化橡胶的理论模型中得出它的弹性本质，它认为弹性体是很多 任意取向的、长的柔性分子链通过分子间稀疏的交联点组成的分子网络。由于分子间的相 互作用力很弱，使得它的应力应变行为主要取决于构象熵，正是这种分子网络结构使橡 胶材料能够产生大应变的超弹性变形，因为分子链段的内旋转运动，才会不断改变构象， 分子越柔越易卷曲，构象数越多，构象熵就越大，由这种熵弹性而产生了高弹性【9 ，1 0 1 。根 据对网络的统计处理方法不同，以统计热力学法建立的模型又分为高斯统计模型和非高斯 统计模型【9 ，1 0 1 。 ( 1 ) 高斯统计模型 k u h n 在1 9 3 6 年首先提出用统计的方法计算高分子链的构象，得到高分子链末端距的 概率密度函数为高斯函数。1 9 4 3 年l r g t r e l o a r 1 1 1 把高斯统计理论应用到高分子网链中 来描述橡胶材料的宏观行为，得出应变能函数 u = c l - 3 ) ( 1 - 3 ) 其中，厶是右c a u c h y g r e e n 应变张量的第一不变量。g 是材料参数。这是第一个关于橡胶 大变形分析的统计理论。在l r g t r e t o a r 后来的报告中，用各种橡胶实验检验了这一理 浙江工业大学博士学位论文 论。在小变形范围