汽車底盤減震器襯套件質量檢測方法仿真

季文超，郭士茹，趙 晶，王 蕾

(長春理工大學光電信息學院，吉林長春130114)

1 引言

減震系統是汽車結構重要組成部分，也是影響消費者體驗感的關鍵因素，底盤減震器是汽車重要部件，必須同時符合車輛操縱穩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作用對車輛產生的振動和沖擊，尤其能對高頻激勵進行有效衰減，因此，襯套在汽車底盤減震器中的作用不容小覷。襯套大多數由橡膠材料制作而成，具有減震頻帶寬、應用簡便等優勢，并表現出良好的隔離減震效果。橡膠以其優越的回彈性與壓縮性、密封性與耐油性廣泛應用于各領域，尤其是在汽車領域中發揮著難以代替的作用。但橡膠作為一種復合型材料，工藝穩定性較差，受到制作工藝、環境、老化等因素影響，會出現脫粘、裂紋等現象，一旦出現質量問題會降低其安全性與可靠性。

對于橡膠襯套，高效準確檢測出其存在的破損現象是汽車行駛安全的重要保障。相關學者對于此項檢測技術已經取得不菲成果。激光散斑無損檢測技術對被測目標施加載荷，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目標結構是否存在缺陷[1]。但對襯套質量檢測并不是一次檢測就可以實現，而是要進行多次檢測。該技術利用熱激勵手段，經過多次檢測后，一定程度上加快橡膠老化速度。射線無損檢測以其強大的穿透性對襯套檢測存在很好的可達性[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實現汽車底盤減震器襯套件質量檢測。超聲波無損檢測技術屬于一門綜合性應用學科。它將不破壞被測目標為前提，通過材料缺陷導致對聲反應的變化，來檢測目標表面或內部缺陷，并實現對缺陷位置、尺寸的準確判斷。超聲波一般指高于20kHz的聲波，其存在如下特征：具有幾何聲學特性；波長較短，方向性好；傳輸能量高；能量損失小，穿透力強。綜合上述優勢，獲取超聲場參量，設計超聲波質量檢測系統，利用該系統實現汽車底盤減震襯套的質量檢測。

2 減震器襯套力學模型構建

2.1 應力松弛數學模型

應力松弛表示粘彈性質的材料在始終恒定的應變狀況下，內部應力隨時間變化而減小。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]。上述兩個元件分別滿足胡克定理與牛頓剪切定理，數學表達式分別如下

σS=EεS

(1)

(2)

式中，σ代表應力，ε為應變，εD屬于應變率，E與η均代表材料常數，下標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模型[4]。

在此模型中，彈性模量是E的彈簧元件和粘度系數是η的粘壺元件進行串聯，在模型兩側加入大小是σ的應力荷載，則整體應變ε等于彈性應變ε1與粘壺應變ε2二者的和，它們之間的關系如下所示

ε=ε1+ε2

(3)

(4)

對上述公式分析可得

(5)

以上即為微分型本構模型，當材料參數一定時，可利用該模型表示應力松弛等情況。

2.2 蠕變性數學模型

蠕變屬于彈性材料基礎力學，該現象指材料在具有不變應力狀況下，應變隨時間增加而增大，并最終趨于穩定。與應力松弛模型不同的是彈簧元件與粘壺元件是互相并聯的。

引入Heaviside階躍函數H(t-τ)則會出現兩種情況

當t<τ時

H(t-τ)=0

(6)

當t≥τ時

H(t-τ)=1

(7)

則蠕變本構模型表示為

σ=q0ε+q1ε′

(8)

式(8)中q0表示彈性模量，q1代表粘性系數，則有

(9)

式(9)中，τd代表時間量綱，也稱作時間延時。

對式(8)進行積分處理得到

(10)

由于受到階躍應力σ=σ0H(t-τ)的影響，材料隨時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為

(11)

蠕變現象中函數J(t)表示蠕變柔量，其可以定義成單位作用力形成的應變。

(12)

通過理論計算建立橡膠材料減振器套件力學模型，獲得橡膠應力松弛與蠕變過程中應力、應變和時間三者之間存在的關系[5]。為汽車底盤減震器襯套件質量檢測提供理論依據。

3 基于超聲波的襯套件質量檢測

3.1 超聲場特性參量選取

超聲場指充滿超聲波的區域[6]，表示超聲場的特性參數主要包括聲壓、聲抗與聲強。

1)聲壓

聲壓指在超聲場內任意時刻壓強P1和不存在超聲波的靜止壓強P0之差，且P=P1-P0，單位是帕斯卡。在超聲場介質里任意點聲壓強度與時間、距離相關，針對沒有衰減的平面余弦波，聲壓P的表達式如下

(13)

式中，ρ與c分別表示介質密度與波速，ω代表角頻率，v屬于質點振動速度。由此可知聲壓P的絕對值和波速、角頻率之間具有正比關系。

2)聲強

聲強指超聲場中，一定時間范圍內垂直通過固定截面上的聲強，表示為I，單位是W/cm2，在介質中的表達式如下

(14)

由上述公式可知，聲強和質點振動位移、振動角頻率相關。

3)聲阻

聲阻指在某點介質聲壓P和此點振動速度v之間的比值，表示為Z。其與聲壓、聲速之間的關系式為

(15)

由上述公式能夠看出，如果聲壓一定，質點振動速度隨聲阻抗的變大而減小，所以聲阻抗體現出介質對介質點的阻礙作用。

3.2 超聲波衰減規律分析

超聲波在減振器襯套件傳播過程中，聲能隨距離擴大而減小，該現象稱為傳播衰減[7]。導致此現象的原因主要為：介質傳播時的吸收作用、聲波散射以及聲束擴散。

在利用超聲波檢測過程中，本文利用定量計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。

3.3 超聲波檢測過程描述

利用超聲波進行檢測是指研究超聲波在減震器襯套件內傳播過程中，遇到界面反射回的聲信號特性，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量進行檢測。

共振法基本原理表示為通過改變超聲波頻率，以此激勵介質最大幅度振動來檢測物體質量。當被測目標缺陷尺寸與超聲波半波長的整數倍相同時，入射波與反射波在相互疊加構成駐波，此時出現共振情況[8]。當被測物體缺陷尺寸出現改變時，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，則需對缺陷進行準確定位，掌握缺陷位置對研究減振器襯套件缺陷程度與危險性及其重要，可為修復工作提供依據。

本文結合超聲波在襯套件中聲速與缺陷回波在時間軸上的具體位置，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，結合時間軸上水平長度和襯套件厚度具有正比的關系，能夠得到缺陷具體位置

(18)

2)若未知襯套件厚度L，結合聲波在介質中傳播速度與缺陷波形成時間來確定準確位置缺陷

H=t2/2·c

(19)

式中，t1表示缺陷波在時間軸上的位置。

3.4 質量檢測系統構建

3.4.1 超聲檢測系統總體設計

完整的超聲波檢測系統包括探頭、測量試塊與探傷儀構成。

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完成能量轉換工作。在高壓發射電路發出電脈沖對壓電晶體片產生作用時，晶體片會產生振動現象，因此形成超聲波。相反，當超聲回波發送到探頭促使晶體片出現高頻振動，晶體片發射高頻電信號，傳輸到接收電路。

2)測量試塊

根據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準與對比兩種試塊。其中標準試塊是權威機構規定的，形狀、材質等都有特殊要求，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域對于具體探傷目標的試塊。本文構建的超聲系統中利用對比試塊。

3)超聲探傷儀

探傷儀是檢測系統最重要的設備，主要工作是產生高壓激勵探頭發出超聲波，同時接收回波信號并轉換為電信號，經過處理檢測出襯套件內部有無缺陷、缺陷位置等信息。

該系統選用的是脈沖反射形式的檢測方法，將探頭作為發射與接收的換能器利用。

3.4.2 系統硬件與軟件設計

1)硬件模塊

該系統硬件分為超聲波發射、回波信號接收、ARM平臺開發三個模塊。其中超聲發射部分包括探頭、放大電路與超聲波激勵構成[9]；回波信號接收分為信號調理電路與采集電路；開發平臺由不同外圍硬件結構組合而成，為軟件運行提供平臺。硬件模塊整體架構如圖2所示。

圖2 系統硬件模塊設計

2)軟件模塊

在超聲檢測系統中，軟件發揮神經中樞的作用，是系統控制核心。信號采集、數據存儲管理以及檢測結果處理與現實都需通過該軟件完成[10]。所以，軟件自身功能、穩定與可靠程度都會對檢測結果產生較大影響。軟件系統結構如圖3所示。

圖3 系統軟件結構設計

將超聲檢測算法引入到上述設計的系統中，即可實現對汽車底盤減震器襯套件的質量檢測。

4 仿真數據分析與研究

為驗證本文質量檢測系統性能，選用Lab VIEW軟件Filters子模板的Inverse Chebyshev Filter進行仿真。參數設置情況如下：激振頻率為5Hz，激振力幅值為1200N，預壓力900N。

本次實驗共設置3塊尺寸大小為50mm×50mm×5mm的橡膠襯套件，橡膠的厚度為5mm，不同實驗樣件要求如下：

1)一號為標準襯套件，沒有任何缺陷，將其作為其它襯套件的質量參考；

2)二號襯套件為預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。二號與三號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 預置脫粘結構示意圖

3)四號屬于預制多類型缺陷樣件，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 多缺陷類型預制樣件示意圖

對上述三種樣件進行超聲波檢測，獲得的超聲信號波形分別如圖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 復雜缺陷類型超聲波形

由以上超聲波質量檢測結果可知，當樣件不存在缺陷時，波形圖表現平穩，表示并沒有檢測出任何缺陷；當存在單一類型缺陷時，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；當缺陷類型不統一時，波形起伏大小隨缺陷尺寸大小而發生改變。此外還能看出該系統對缺陷定位較為準確。仿真還對文獻[1]、文獻[2]與本文方法的檢測效率進行對比，對比結果如圖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襯套件，本文方法檢測所需時間最短，該方法無需反復檢測，僅需要一次測試便可得出缺陷情況，提高檢測效率且不會對襯套件產生損害。

5 結論

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鍵部件，其質量優劣對車輛舒適度造成很大影響。因此本文利用超聲波方法，構建檢測系統對襯套件進行質量檢測。仿真表明，該方法無論對于哪種類型缺陷都可以準確檢測出來，并實現精準定位，提高檢測效率。車輛研發項目已規劃在企業戰略藍圖中，工程師對車輛舒適性的研究投入越來越多。在今后發展中不但要繼續深入對襯套件的質量檢測，還要構建襯套件疲勞預測模型，全面掌握襯套件質量，提高車輛的安全性與舒適性。