工作環境因素對橡膠減震器振動傳遞率的影響

曾憲奎，張 杰，黃年昌，李營如，郭 磊

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

橡膠減震器是車輛減振系統的關鍵部件，其性能對車輛振動、噪聲及乘坐舒適度有顯著影響[1]。橡膠減震器的減震性能主要由振動傳遞率來衡量[2]，減震器在工作環境因素影響下會產生老化與疲勞，導致其在工作頻率區間內的振動傳遞率逐漸偏離設計值，表現為減震性能下降[3-4]。

本工作針對橡膠減震器的工作環境，采用正交試驗、極差分析等方法，研究老化與疲勞獨立作用及兩者共同作用對橡膠減震器振動傳遞率的影響規律，以期為今后橡膠減震器的結構和膠料配方設計提供參考。

1 實驗

1.1 研究對象

選擇動車組橡膠地板減震器進行研究，該減震器由金屬和橡膠硫化而成。

1.2 主要儀器

UD-3600型動態測試分析儀，中國臺灣優肯科技股份有限公司產品；GT-7071-NM型熱空氣加速老化試驗箱，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品。

1.3 試驗安排

（1）老化試驗。將橡膠減震器分別在60，70，80，90和100 ℃下加速老化32 d；將橡膠減震器于100 ℃下分別加速老化4，8，12，20和32 d。

（2）疲勞試驗。在預位移-加載振幅為（1.5±0.5），（2±1），（2.5±1.5）或（3±2）mm 以及頻率為5 Hz的條件下進行800萬次加速疲勞試驗；在預位移-加載振幅為（3±2）mm、頻率為5 Hz的條件下進行20萬、40萬、60萬和80萬次疲勞試驗。

（3）老化與疲勞共同作用試驗。采用正交試驗法，選取老化溫度、老化時間、預位移-加載振幅和疲勞次數作為試驗因子，每個因子選擇4個水平，設計L16（44）正交試驗。因子和水平見表1。

表1 因子與水平

1.4 振動傳遞率測試條件

（1）老化和疲勞獨立作用試驗：在系統質量為60 kg、外界正弦激勵振幅為±0.5 mm、激勵頻率為1～40 Hz的條件下對橡膠減震器進行定值頻率掃描試驗，記錄相應的振動傳遞率。

（2）老化與疲勞共同作用試驗：在系統質量為60 kg、外界正弦激勵振幅為±0.5 mm，激勵頻率為35 Hz的條件下對橡膠減震器進行定值頻率掃描試驗，記錄相應的振動傳遞率。

2 結果與討論

2.1 老化作用

2.1.1 老化溫度

老化溫度對振動傳遞率的影響如圖1所示。

圖1 不同老化溫度下的振動傳遞率曲線

由圖1可知，在相同老化時間下，隨著老化溫度的升高，振動傳遞率曲線逐漸向高頻方向移動，系統的高頻減振效果明顯降低，但共振峰值沒有發生顯著變化[5-6]。

2.1.2 老化時間

老化時間對振動傳遞率的影響如圖2所示。

圖2 不同老化時間下的振動傳遞率曲線

由圖2可知，在100 ℃高溫下，隨著老化時間的延長，振動傳遞率曲線逐漸向高頻方向移動，系統的高頻減振效果明顯降低，但共振峰值沒有產生顯著變化。

結合圖1和2可以看出，100 ℃下老化4 d的振動傳遞率曲線與60 ℃下老化32 d的振動傳遞率曲線吻合度較好，這說明低溫長時間老化與高溫短時間老化對振動傳遞率的影響效果基本相同。

綜上所述，在系統質量、外界激勵振幅恒定的條件下，老化溫度越高、老化時間越長，振動傳遞率曲線向高頻方向移動的趨勢越明顯，系統的高頻減振效果降低越明顯，但共振峰值變化不明顯。

2.2 疲勞作用

2.2.1 預位移-加載振幅

預位移-加載振幅對振動傳遞率的影響如圖3所示。

圖3 不同預位移-加載振幅下的振動傳遞率曲線

由圖3可知：隨著預位移-加載振幅的增大，振動傳遞率曲線逐漸向低頻方向移動，但整體移動范圍較小；低頻減振效果有所提高；峰值沒有發生顯著變化。

2.2.2 疲勞次數

疲勞次數對振動傳遞率的影響如圖4所示。

圖4 不同疲勞次數下的振動傳遞率曲線

由圖4可知，在固定預位移-加載振幅的條件下，隨著疲勞次數的增大，振動傳遞率曲線逐漸向低頻方向移動，系統的低頻減振效果略有提高，減振范圍有所增大，共振峰值沒有產生顯著變化；達到一定疲勞次數后，振動傳遞率曲線趨于穩定。

2.3 老化與疲勞共同作用

為了確定各因子與振動傳遞率的關系，找出振動傳遞率隨因子的變化規律，采用極差分析法對各因子對振動傳遞率的影響進行分析，計算結果如表2所示。極差R代表振動傳遞率隨因子水平變化而產生的變動幅度。

表2 振動傳遞率的極差分析

從表2可以看出：在老化與疲勞共同作用下，隨著老化溫度的升高、老化時間的延長，振動傳遞率呈現明顯的增大趨勢；隨著預位移-加載振幅的增大，振動傳遞率呈減小趨勢；隨著疲勞次數的增多，振動傳遞率呈現出波動性變化。對振動傳遞率影響最大的因素為老化溫度，其次為老化時間，最后為預位移-加載振幅和疲勞次數；與疲勞作用相比，老化作用對振動傳遞率的影響更為顯著。

3 結論

（1）隨著老化程度的加深，振動傳遞率曲線逐漸向高頻方向移動，降低了減震器的高頻減振效果；隨著疲勞程度的加深，振動傳遞率曲線逐漸向低頻方向移動，提高了減震器的低頻減振效果。

（2）在老化與疲勞共同作用下，對振動傳遞率影響最大的因素為老化溫度，其次為老化時間，最后為預位移-加載振幅和疲勞次數；與疲勞作用相比，老化作用對振動傳遞率的影響更為顯著。