減振膠參數對白車門減振效果影響的實驗研究

甄龍信，張龍飛,2

減振膠參數對白車門減振效果影響的實驗研究

甄龍信1，張龍飛1,2

（1. 燕山大學，河北 秦皇島 066004；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

為探究減振膨脹膠的參數對白車門減振效果的影響，對填充了兩種參數減振膠的白車門進行了實驗模態分析。結果表明：當減振膠的體積膨脹率由25%～35%增大為300%～700%，剪切強度由≥0.3Mpa增大為≥0.5Mpa時，在0～120Hz范圍內各頻響函數的峰值衰減程度最大為66.5%，最小為41.7%，且各階模態頻率和阻尼比均有所提高，說明體積膨脹率和剪切強度大的減振膠減振效果優良。

減振膠；體積膨脹率；白車門；實驗模態分析

前言

隨著中國汽車市場的高度發展，人們對汽車乘坐舒適性的要求越來越高。車身系統是整車NVH系統的響應器，其振動特性直接影響著整車的NVH特性。相關資料表明車門對車身扭轉剛度、彎曲剛度的貢獻率分別為7%和8%，車門為剛度較低的板結構，模態頻率比較低，受到外界激勵（如高速行駛時風對車門的激勵）時，容易與車身的聲腔模態耦合，產生巨大的車內轟鳴聲[1]。為提高車門外板剛度并兼顧減振效果，業內普遍在車門防撞梁與車門外板間填充具有非線性彈性特征的減振膨脹膠，將兩者緊密連接在一起形成整體，從而阻止或減弱振動在兩個剛性材料之間的傳播。

目前國內外對粘結劑性能和橡膠參數的研究較多。其中國外Klarbring[2]綜合三維彈性結構和漸進膨脹方法，推導出了兩個固體粘結件的粘結表面的仿真模型。為了能精確仿真粘結邊界的強度，Peter Schmidt[3]基于漸進方法，推導出了粘結層的應力應變方程，最終建立了包含應力和表面變形的結構模型。Jakub Korta等[4]通過實驗和數值模擬的方法研究了溫度、濕度對多種材料粘結結構強度的影響，發現膨脹系數是影響粘結點性能的關鍵因素。Datla NV[5]等通過實驗的方法研究了濕熱老化對粘結接頭疲勞狀態的影響，結果表明邊界處的粘合劑容易吸收水分子，因此其性能退化明顯。國內羅蘭、王一琳等[6]通過沖擊試驗和振動試驗，研究了天然橡膠的硬度和質量對減振效果的影響；李紅梅、羅洪波[7]建立了鏜桿的數學模型，通過諧響應分析證明，隨著橡膠彈性模量的增大，鏜桿的減振效果呈下降狀態。高杰[8]對減振膠在白車身上的應用，及其性能、作用做了一些簡單的探討。但是研究減振膨脹膠參數對減振效果影響的文獻較少，本文主要通過實驗模態分析的方法來探究減振膠參數對白車門的減振效果的影響。

1 車門本體構造及減振膠參數

1.1 車門本體構造

車門本體的骨架部分包括內板、外板、窗框和加強板等。車門外板一般用0.6～0.8mm厚的薄鋼板沖壓而成，剛度較低，一般為空間曲面。為使車輛抗側撞性能達到安全標準的要求，現代轎車大多在車門內裝有側防撞梁。該梁可以是鋼管，也可以是高強度鋼板沖壓形成的異形截面梁，兩端通過連接件焊接在車門內板上。

本實驗中的白車門防撞梁為鋼管，鋼管與車門外板之間存在較大間隙，減振膠分七點等間隔布置在間隙之間。如圖1所示。

圖1 車門結構及涂膠點展示

1.2 減振膠的參數

本文分別將Ⅰ型、Ⅱ型兩種減振膠填充在鋼管與車門外板之間，研究減振膠的膨脹率和剪切強度對減振效果的影響。其中，Ⅰ型減振膠的基材為合成橡膠，體積膨脹率為25%～35%，剪切強度≥0.3MPa；Ⅱ型減振膠是一種粘彈性、可膨脹的高阻尼發泡材料，體積膨脹率為300%～700%，剪切強度≥0.5MPa。

2 實驗模態分析理論基礎

對于一個自由度的線性定常系統建立運動微分方程：

式中，、、分別為系統的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；和分別是系統的位移向量和激勵向量，其中

對方程（1）進行拉式變換，得到：

其阻抗矩陣為：

系統的頻響函數()為其阻抗矩陣的逆矩陣：

頻響函數矩陣()中的任意元素()為在（1≤≤）點激勵，在(1≤≤）點測量得到的頻響函數。理論計算中需要使用模態矩陣對方程組(5)進行解耦，將物理坐標轉化為模態坐標，進而求出()中的任意元素()。例如，在點激勵，點響應的頻響函數為：

式中，M是第階模態質量，K是第階模態剛度，C是第階模態阻尼，φ、φ是模態矩陣中第階向量中的第和第個元素。

模態分析相關知識表明，頻響函數矩陣()中的任意一行包含所有模態參數，該行個頻響函數的第階（1≤≤）模態頻率在虛頻圖上的幅值之比為實驗結構的第階模態陣型。如果在結構上的某一點拾振，依次激振個點，便可求得()中的一行。這一行頻響函數便包含了模態分析所需要的所有信息。由線性系統的互異性可知，()=()，所以，如果在結構上某一點激振，在個點依次拾振，便能得到()中的一列，這一列頻響函數同樣包含了模態分析所需要的所有信息[9]。將實驗測得的某列個頻響函數疊加，便得到系統的綜合頻響函數。

3 實驗方案

a.最佳激勵點 b.特殊拾振點與車門內側布膠點對應

本文白車門模態實驗使用激光測振儀PSV-500硬件設備及PSV9.0軟件進行數據采集?？紤]到實驗很難模擬出車門的實際約束狀態，本文使用彈性橡膠帶將車門懸掛近似模擬自由狀態，如圖2所示。

根據以往的經驗，這種近似模擬帶來的誤差很小，可以忽略不計。實驗時，選定兩個相同的白車門，分別在對應位置填充Ⅰ型和Ⅱ型減振膨脹膠。采用單點激勵，多點依次拾振的方式采集37個頻響函數。激勵點理論上應該選擇各階模態的幅值都不小于某一值的位置，經模態仿真后，并考慮激振器安裝方便因素，最終最佳激勵點選擇如圖2中所示。拾振點布置如圖3、圖4，其中布膠點設置為專門拾振點，個數為7個，用以觀測布膠點的頻響函數幅值的變化，Ⅰ型、Ⅱ型減振膨脹膠編號對應關系為31-34、32-33、33-32、34-31、35-30、36-29、37-28，其余30個拾振點均勻分布在車門外板上。

圖3 Ⅰ型減振膠車門布點

圖4 Ⅱ型減振膠車門布點

4 實驗結果與分析

4.1 實驗結果

實驗完成后，首先在LMS test.lab的Navigator模塊中對7個涂膠點的頻響函數進行對比分析，由于車身板結構引起的大部分是低頻和中頻的噪聲和振動問題，因此本文著重于關注0～120Hz范圍，對比各測點數據，如圖5-圖8所示；在LMS test.lab的Modal Data Selection模塊中對白車身37個拾振點的頻響函數進行疊加，得到兩個車門的綜合頻響函數，如圖9所示；最后基于最小二乘復指數法（LSCE），利用LMS test.lab中PolyMax模塊提取兩個白車身的穩態圖。所謂穩態圖是表示模態頻率和阻尼隨假定模態數的增加而變化的圖形，最佳模態數可以通過考察這種穩態圖而確定，其依據是物理模態的頻率和阻尼值不隨模態數的增減出現明顯的變化[10]。在穩態圖中，S值較為集中的波峰處的頻率和阻尼值比較穩定，其對應的頻率為模態頻率，即各階模態頻率，同時可以得到各階阻尼比。相應數據匯總如表1所示。

圖5 31-34與32-33拾振點頻響函數對比圖

圖6 33-32、34-31拾振點頻響函數對比圖

圖7 35-30、36-29拾振點頻響函數對比圖

圖8（左） 37-28拾振點頻響函數對比圖

圖9（右） 白車門綜合頻響函數對比圖

4.2 結果分析

（2）通過表1中數據可以看出，雖然填充了Ⅱ型減振膠的白車門的阻尼比增大，但模態頻率除一階、三階稍微下降外，其它各階模態頻率反而有不同程度的提高，說明車門剛度有所增加，抗彎、抗扭性能增強。減振膨脹膠的非線性彈性特征，同時兼顧了車門對阻尼和剛度的要求，當減振膠體積膨脹率和剪切強度增大時，車門阻尼比和剛度均增大。

表1 兩種不同參數減振膨脹膠車門的各階模態頻率和阻尼比

表2 頻響函數峰值衰減表

5 結論

本文以減振膠的參數為研究對象，通過實驗模態分析的方法研究了體積膨脹率和剪切強度對白車門減振效果的影響，分析實驗數據得出以下：

（1）當減振膠的體積膨脹率從由25%～35%增大為300%～700%、剪切強度由≥0.3Mpa增大為≥0.5Mpa時，白車門的各階阻尼比均增大，對振動的衰減增強。

（2）減振膠的體積膨脹率和剪切強度增大，本實驗中白車門各階模態頻率有不同程度的提高，且車門動剛度增大，綜合頻響函數振幅衰減為57.1%，振動衰減明顯。

所以選擇車門的減振膨脹膠時，在考慮經濟效益的前提下，盡量選擇體積膨脹率和剪切強度大的，以達到最優的減振效果。

[1] 龐劍.汽車車身噪聲與振動控制[M].北京:機械工業出版社,2015.

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[3] Peter Schmidt.Modeling of adhesively bonded joints by an asymp -totic method.International Journal of Engineering Science,2008, 46(12):1291-1324.

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[10] 劉馥清.LMS振動/噪聲測試與分析系統理論基礎.LMS2000.

Experimental Study of Damping Effect of Shock Absorbing Glue’s Parameters on White Door

Zhen Longxin1, Zhang Longfei1,2

（1.Yanshan University, Heibei Qinhuangdao 066004; 2.China Automotive Technology&Research Center, Tianjin 300300 )

In order to investigate the effect of shock absorbing expansion glue’s parameters on the vibration reduction of white door, experimental modal analysis was carried out for the white door filled with two kinds of damping adhesive respectively. The results show that when the volume expansion rate of the shock absorbing glue increase from 25%-35% to 300%-700% and the shear strength increase from 0.3Mpa to 0.5Mpa, the peak values of frequency response functions decrease by66.5% at most and 41.7% at least in the range of 0 to 120Hz.Moreover, both the modal frequencies and the damping ratios of all orders are improved. These data indicate that the bigger the volume expansion rate and the shear strength of the shock absorbing glue are, the better the damping effect is.

shock absorbing glue; volume expansion rate; white door; experimental modal analysis

U463.83

A

1671-7988(2019)13-100-04

U463.83

A

1671-7988(2019)13-100-04

甄龍信（1971-），男，博士，教授，碩士生導師，就職于燕山大學。主要研究方向為汽車振動與噪聲，汽車節能。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.035