工作環(huán)境因素對(duì)橡膠減震器振動(dòng)傳遞率的影響

曾憲奎，張 杰，黃年昌，李營(yíng)如，郭 磊

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

橡膠減震器是車輛減振系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能對(duì)車輛振動(dòng)、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(dòng)傳遞率來衡量[2]，減震器在工作環(huán)境因素影響下會(huì)產(chǎn)生老化與疲勞，導(dǎo)致其在工作頻率區(qū)間內(nèi)的振動(dòng)傳遞率逐漸偏離設(shè)計(jì)值，表現(xiàn)為減震性能下降[3-4]。

本工作針對(duì)橡膠減震器的工作環(huán)境，采用正交試驗(yàn)、極差分析等方法，研究老化與疲勞獨(dú)立作用及兩者共同作用對(duì)橡膠減震器振動(dòng)傳遞率的影響規(guī)律，以期為今后橡膠減震器的結(jié)構(gòu)和膠料配方設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 研究對(duì)象

選擇動(dòng)車組橡膠地板減震器進(jìn)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(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀，中國(guó)臺(tái)灣優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；GT-7071-NM型熱空氣加速老化試驗(yàn)箱，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)安排

（1）老化試驗(yàn)。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(yàn)。在預(yù)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(jìn)行800萬次加速疲勞試驗(yàn)；在預(yù)位移-加載振幅為（3±2）mm、頻率為5 Hz的條件下進(jìn)行20萬、40萬、60萬和80萬次疲勞試驗(yàn)。

（3）老化與疲勞共同作用試驗(yàn)。采用正交試驗(yàn)法，選取老化溫度、老化時(shí)間、預(yù)位移-加載振幅和疲勞次數(shù)作為試驗(yàn)因子，每個(gè)因子選擇4個(gè)水平，設(shè)計(jì)L16（44）正交試驗(yàn)。因子和水平見表1。

表1 因子與水平

1.4 振動(dòng)傳遞率測(cè)試條件

（1）老化和疲勞獨(dú)立作用試驗(yàn)：在系統(tǒng)質(zhì)量為60 kg、外界正弦激勵(lì)振幅為±0.5 mm、激勵(lì)頻率為1～40 Hz的條件下對(duì)橡膠減震器進(jìn)行定值頻率掃描試驗(yàn)，記錄相應(yīng)的振動(dòng)傳遞率。

（2）老化與疲勞共同作用試驗(yàn)：在系統(tǒng)質(zhì)量為60 kg、外界正弦激勵(lì)振幅為±0.5 mm，激勵(lì)頻率為35 Hz的條件下對(duì)橡膠減震器進(jìn)行定值頻率掃描試驗(yàn)，記錄相應(yīng)的振動(dòng)傳遞率。

2 結(jié)果與討論

2.1 老化作用

2.1.1 老化溫度

老化溫度對(duì)振動(dòng)傳遞率的影響如圖1所示。

圖1 不同老化溫度下的振動(dòng)傳遞率曲線

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

2.1.2 老化時(shí)間

老化時(shí)間對(duì)振動(dòng)傳遞率的影響如圖2所示。

圖2 不同老化時(shí)間下的振動(dòng)傳遞率曲線

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

結(jié)合圖1和2可以看出，100 ℃下老化4 d的振動(dòng)傳遞率曲線與60 ℃下老化32 d的振動(dòng)傳遞率曲線吻合度較好，這說明低溫長(zhǎng)時(shí)間老化與高溫短時(shí)間老化對(duì)振動(dòng)傳遞率的影響效果基本相同。

綜上所述，在系統(tǒng)質(zhì)量、外界激勵(lì)振幅恒定的條件下，老化溫度越高、老化時(shí)間越長(zhǎng)，振動(dòng)傳遞率曲線向高頻方向移動(dòng)的趨勢(shì)越明顯，系統(tǒng)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(yù)位移-加載振幅

預(yù)位移-加載振幅對(duì)振動(dòng)傳遞率的影響如圖3所示。

圖3 不同預(yù)位移-加載振幅下的振動(dòng)傳遞率曲線

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

2.2.2 疲勞次數(shù)

疲勞次數(shù)對(duì)振動(dòng)傳遞率的影響如圖4所示。

圖4 不同疲勞次數(shù)下的振動(dòng)傳遞率曲線

由圖4可知，在固定預(yù)位移-加載振幅的條件下，隨著疲勞次數(shù)的增大，振動(dòng)傳遞率曲線逐漸向低頻方向移動(dòng)，系統(tǒng)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(chǎn)生顯著變化；達(dá)到一定疲勞次數(shù)后，振動(dòng)傳遞率曲線趨于穩(wěn)定。

2.3 老化與疲勞共同作用

為了確定各因子與振動(dòng)傳遞率的關(guān)系，找出振動(dòng)傳遞率隨因子的變化規(guī)律，采用極差分析法對(duì)各因子對(duì)振動(dòng)傳遞率的影響進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如表2所示。極差R代表振動(dòng)傳遞率隨因子水平變化而產(chǎn)生的變動(dòng)幅度。

表2 振動(dòng)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(shí)間的延長(zhǎng)，振動(dòng)傳遞率呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)；隨著預(yù)位移-加載振幅的增大，振動(dòng)傳遞率呈減小趨勢(shì)；隨著疲勞次數(shù)的增多，振動(dòng)傳遞率呈現(xiàn)出波動(dòng)性變化。對(duì)振動(dòng)傳遞率影響最大的因素為老化溫度，其次為老化時(shí)間，最后為預(yù)位移-加載振幅和疲勞次數(shù)；與疲勞作用相比，老化作用對(duì)振動(dòng)傳遞率的影響更為顯著。

3 結(jié)論

（1）隨著老化程度的加深，振動(dòng)傳遞率曲線逐漸向高頻方向移動(dòng)，降低了減震器的高頻減振效果；隨著疲勞程度的加深，振動(dòng)傳遞率曲線逐漸向低頻方向移動(dòng)，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(duì)振動(dòng)傳遞率影響最大的因素為老化溫度，其次為老化時(shí)間，最后為預(yù)位移-加載振幅和疲勞次數(shù)；與疲勞作用相比，老化作用對(duì)振動(dòng)傳遞率的影響更為顯著。