减震橡胶知识及应用

一. 

绪论

现实生活中振动无处不在,振动的现象是不容忽视也是不可缺少的,人们一直致力于振动

的产生,控制和消除的研究,所有的物体的振动都会产生声音,如果没有振动就不会有音乐,人类也无法进行语言交流了.但是振动也会对人们的生活产生许多不利的影响,如:共振会导致装置的损坏,噪音会影响人类的生活环境等.怎样将振动对人们产生的不利影响减到最小,是当前减震技术发展和追求的方向.

减震技术的核心是消除干扰性振动或找出解决的方法,现在比较适用和成熟的减震方法

是橡胶减震系统,早在橡胶应用于工业之初,人们就使用了橡胶隔离来进行减震,但当时还没有有效的橡胶粘接技术,橡胶在减震领域的应用没有获得成功,随着橡胶粘接技术的的发展和运用,于1932年出现了最早的橡胶减震制品,使得减少底盘和引擎系统产生的振动成为可能,随后越来越多的金属和橡胶粘接的零件应用于差速器、后轴等汽车驱动系统,20世纪50年代起越来越多的发动机悬置得以应用,早在1979年德国大众成功地将液压悬置应用到发动机悬置系统,使得减震技术得到很大的发展,现在人们正在研究可转换装置和主动装置在工程上的实际应用.

二. 

减震橡胶基础理论

1.

减震基础

   当沿重心轴方向对橡胶装置进行碰撞会产生一定频率的振动,如果系统内没有外力作用,激发振动将逐步衰减,衰减的速度取决于橡胶材料的减幅,根据牛顿定律将得到下面公式:

   质量+阻力+弹力=0

    若忽略减幅不计,可以得到橡胶的固有频率如下:

 f

0

=1/2π   c/m

    f

0

 :

固有频率; c:弹簧刚度; m:质量

   当碰撞力远离重心橡胶装置系统会在三个轴中产生扭转振动,各自的角频率为:

ω

D

 =   c

v

 /J

    ω

D

:角频率; c

v

:扭转刚度; J:惯量

   弹性体在正常情况下都有将逐渐增强的共振减小到一定水平的特性,橡胶减震器的隔离减震效率等于激振频率/固有频率即:η=f/ f

0

,

当η＞    2   时,激振力将减少而且远不等于固有频率, 橡胶减震器将起到隔离振动的效果,当η=3时,减震效果将达到80%,也就是说仅有20%的激振振动在传播.

图1 振动传递示意图

                      图2  弹性装置隔离系统示意图

2.

弹性装置系统

和线型弹性装置系统的单自由度相比,立体系统拥有更多的自由度和可移动性,一个发动机悬置有三个直移和三个转动的自由度,六个固有频率需抵制共振使激振力减少到一定程度,该装置系统主要是减少重心处的振动使之趋向于零,使不同方向的激振不再相互影响.

该装置系统的设计目标是根据客户的开发设想决定悬置布置的位置和悬置的刚度,使得所有的固有频率远不等于干扰频率,最初的装置主要是决定临时的位置和刚度,最后安装到车上时要考虑到发动机装置子系统的相互作用,现在人们已能通过有限元分析软件系统建立汽车整车模型,并通过计算机模拟进行悬置的优化设计,设计时需考虑找到使舒适性和减少噪音的最好的折中方法,使得零件可以抵挡所有外力并使力的传递达到袄最小化,同时还需满足零件的最大运动和外界环境的要求.

3.

减震橡胶概要

3.1

减震橡胶的作用

:

代替金属弹簧起到消振,吸振作用.其主要的性能要求在静刚度、动刚度、耐久性能上.

3.2

减震橡胶的特点

:

(与金属弹簧相比胶)

①橡胶是由多种材料相组合而成,同一种形状通过材料调整可以拥有不同的性能.

②橡胶内部分子之间的摩擦使它拥有一定的阻尼性能,即运动的滞后性(受力过程中橡胶的变形滞后于橡胶的应力).

③橡胶在压缩、剪切、拉伸过程中都会产生不同的弹性系数.

3.3

减震橡胶的工作原理

:

①吸收振动: 此类减震橡胶件主要是用于发动机与车身之间的连接,此状态下发动机是振动源, 减震橡胶的作用是吸收发动机产生的振动,避免传递到车身上,同时也减轻发动机自身的振动.

②消减振动: 此类减震橡胶件主要是用于底盘与车身之间的连接,此状态下底盘车轮是振动源, 减震橡胶的作用是将路面与车轮产生的振动通过高阻尼作用迅速消减,防止振动通过底盘传递到车身.

4.

减震橡胶的性能特征

4.1

静刚度

 4.1.1静刚度的定义：指减震橡胶在一定的位移范围内,其所受压力(或拉伸力) 变化量与其位移变化量的比值. 静刚度的测定必须在一定的位移范围内测定,不同的位移范围测定的静刚度值是不同的,但有的厂家则要求整个位移范围测定的变化曲线.下面以压缩变形试验为例说明减震橡胶与今属弹簧的静刚度的不同之处：

图3  金属弹簧压缩载荷—位移曲线图

    将金属弹簧压缩到弹簧弹性极限内的一定范围的位移量后，再将压力缓慢匀速卸去，弹簧所受的载荷与位移量的关系如图3所示呈线性关系,在外力卸去后弹簧能够回复到初始位置.

图4  减震橡胶压缩载荷—位移曲线图

将减震橡胶压缩到一定范围的位移量后，再将压力缓慢匀速卸去，减震橡胶所受的载荷与位移量的关系如图4所示呈非线性关系,在外力卸去后减震橡胶不能够回复到初始位置,出现位移相对于载荷的滞后现象.

  从上面的试验可以得出:

橡胶的静刚度是在一定的位移范围内,其所受载荷变化量与其位移变化量的比值,位移范围不同所得到的静刚度值是不同的,即(F2-F1)/(X2-X1)≠(F3-F2)/(X3-X2)

而金属弹簧在任意位移范围内其所受载荷变化量与其位移变化量的比值是一定的,即(F2-F1)/(X2-X1)=(F3-F2)/(X3-X2)

将金属弹簧和减震橡胶同时压缩到极限后,金属弹簧的压力会一直保持不变,而减震橡胶的压力会随着时间的推移出现压力松弛的现象,如图5所示,减震橡胶的这种压力松弛的特性使它具有比金属弹簧更好的消振作用.

图5  减震橡胶和金属弹簧压力时间曲线

4.1.2静刚度的计算方法:减震橡胶的静刚度是与产品的形状和橡胶的自身特性有关,静刚度是可以通过理论计算求出,其计算方法如下:

A.柱状减震橡胶(如图6所示)的静刚度计算: 

      方柱                        圆柱                        中空圆柱

图6  柱状减震橡胶

a.计算形状系数:  S=AL/AF

 AL:受压面积;   AF:自由面积

方柱的形状系数为:S=AL/AF=(a*b)/(2(a+b)*h)

 圆柱的形状系数为:S=AL/AF=π(d/2)

2

/π*d*h=d/4h

中空圆柱的形状系数为:S=AL/AF=(π(d

1

/2)

2

-π(d

2

/2)

2

)/( π*d

1

*h+π*d

2

*h)= (d

1

 -d

2

)/4h

b.计算表征弹性率(微小变形):

 方柱的表征弹性率:

            1/3≤a/b≤3时:  Eap/G=3+6.58S

2

                           Gap/G=1/((3+6.580S

2

)(1+1/48 S

2

)

        1/3≥a/b或a/b≥3时: Eap/G=4+3.29 S

2

                           Gap/G=1/((4+3.29 S

2

)(1+1/36 S

2

)

圆柱和中空圆柱的表征弹性率: Eap/G=3+4.935 S

2

                           Gap/G=1/((3+4.935 S

2

)(1+1/36 S

2

)

Eap:表征纵向弹性率; Gap:表征剪切弹性率; G:静态剪切弹性率; S:形状系数;

c.计算静刚度:

  压缩方向静刚度:Kc= Eap(AL/h)

  剪切方向静刚度:Ks=Gap(AL/h)

B.衬套(如图7所示)的静刚度计算:

                    形状a                             形状b

                           图7  衬套形状结构

a.计算形状系数:

形状a: S=AL/AF=(L/(r1+r2))*(1/log(r2/r1))

形状b: S AL/AF=((L1*r2-L2*r1)/(r2-r1))*(1/log(L1*r2/l2*r1)

b.计算表征弹性率(微小变形):

  Eap/G=4+3.29 S

2

  Gap/G=1/((4+3.29 S

2

)(1+1/36 S

2

)

c. 计算静刚度:

  形状a: 径向静刚度:Kc= Eap(AL/h)=1.36(Eap+G)*L/ log(r2/r1)

         轴向静刚度:Ks=Gap(AL/h)=2.73 Gap*L/ log(r2/r1)

  形状b: 径向静刚度:Kc= Eap(AL/h)=1.36(Eap+G)*((L1*r2-L2*r1)/(r2-r1))/ log(L1r2/L2r1)

         轴向静刚度:Ks=Gap(AL/h)=2.73 Gap*((L1*r2-L2*r1)/(r2-r1))/ log(L1r2/L2r1)

C. 静态剪切弹性模量G的测量方法:

a.制作试验片:按图8所示制作试验片,试验片可以硫化直接成形,也可在大块片材上切割制出,试验片的厚度和宽度尺寸公差为0.1mm,试验片不能有杂质和伤痕等缺陷.试验片的装夹时固定试验片的两夹头之间的距离应在80mm以上.

图8  试验片尺寸规格及装夹示意图

b.试验方法:

   先预拉伸两次,拉伸速度一般选择45±15mm/min,第一次拉伸从初始位置拉伸到1.5ε%位置处,停顿30秒后回到初始位置,第二次重复第一次的试验过程.(注:ε%=25%的定拉伸位移).正式试验的拉伸速度和预拉伸一致,但此次只拉伸到ε%位置处, 停顿30秒后计录以下数据:25%的定拉伸时的负荷Fε(Kgf),

c.计算25%时的定拉伸应力σε=Fε/A

σε: 25%定拉伸应力;  Fε:25%的定拉伸时的负荷;  A:试验片的截面积;

d.静态剪切弹性率G的计算:

 Gε=σε/(α-1/α

2

)    ε=25%时

Gε: 25%定拉伸的静态剪切弹性率; α=1+ε=1.25

计算时取4个数据的平均值,有效数值保留小数点后两位.

4.2

动刚度

:

4.2.1动刚度的定义：指减震橡胶在一定的位移范围内, 一定的频率下, 其所受压力(或拉伸力)变化量与其位移变化量的比值. 动刚度的测定必须在一定的位移范围内,一定的频率下测定,不同的位移范围不同的频率下测定的动刚度值是不同的. 减震橡胶不仅在静态特性上与金属弹簧不同而且在动特性上也与与金属弹簧存在很大的差异,下面以试验为例说明两者的不同之处:

 图9  减震胶与金属弹簧的振幅---振动时间关系图

   如图9所示,分别对减震橡胶与金属弹簧施加一个冲击力,来对比冲击后的振幅与振动时间的变化关系(不考虑系统以外力的影响),可以看出减震橡胶的振动很快消减并在很短时间振动停止,而金属弹簧的振动能持续很长时间,振幅的衰减速度很慢,因此减震橡胶与金属弹簧相比具有较大的阻尼,对振动的吸收性能好,能有效地防止振动的传播.

             图10  减震橡胶与金属弹簧的振动状态载荷—位移曲线图

   如图10所示,分别对减震橡胶与金属弹簧压缩到一定位移后,施加一个定振幅的振动,测定其载荷与位移的关系,在X1-X2位移范围内,金属弹簧的动态载荷与位移关系仍和静态相似呈线性关系,其Kd=Ks=(F2-F1)/(X2-X1),而减震橡胶的动态载荷与位移关系和静态不同,其Kd=(F3-F1)/(X2-X1),Ks=(F3-F2)/(X2-X1),因F2＞F1所以Kd＞Ks,从上面关系可以看出:相同变形范围下的动刚度永远大于静刚度,产生这种现象的原因是橡胶分子间存在内摩擦力,使得减震橡胶的变形与橡胶的内应力(外力的反作用力)之间存在有一定的滞后,这种滞后反应到减震橡胶受到外加的受迫振动时,其变形与内应力之间存在一个相位角,如图11所示.

图11  减震橡胶应力--变形函数示意图

从图中可以得出变形与内应力的函数解析式如下:

   变形: r(t)=r

0

*cos(wt)

   应力:σ(t)=σ

0

*sin(wt+δ)

当相位角0≤δ≤90°时:

   σ(t)=σ

0

*sin(wt+δ)= σ

0

(cosδ*coswt-sinδ* coswt)= σ

0

cosδ*coswt-σ

0

 sinδ* coswt

σ

0

cosδ*coswt是与变形同相位的应力分量

σ

0

 sinδ* coswt是与变形相位差为90°的应力分量

求两个方向应力分量与变形量峰值的比值为:

    G1=σ

0

cosδ*coswt/ r

0

    G2=σ

0

sinδ* coswt/ r

0

    G1:存储弹性模量或动态弹性模量

    G2:损耗弹性模量

在振动学中通常将损耗弹性模量G2与存储弹性模量G1的比值称之为损耗系数

τ=G2/G1=(σ

0

sinδ* coswt/ r

0

)/(σ

0

cosδ*coswt/ r

0

)=tgδ

因损耗弹性模量G2=c(阻尼系数)*2π*f(振动频率),因此得出:

τ=c*2π*f/G1 或G1= c*2π*f/ tgδ

从上式可以看出:

a.减震橡胶的损耗系数与橡胶自身的阻尼系数成正比,与振动频率成正比.

  b.减震橡胶的动刚度是橡胶自身特性,当橡胶自身的阻尼系数确定时,动刚度与振动频率成正比.

  c. 当橡胶自身的阻尼系数确定时,随着振动频率的增减, 损耗系数和动刚度同时增减但增减的幅度并不一致.

4.3

动倍率

:

4.3.1动倍率的定义指减震橡胶在一定的位移范围内所测定的动刚度与静刚度的比值,即:Kd/Ks

因Kd∽G1*S

2

,Ks∽G*S

2

因此: Kd/Ks∽G1/G

G1:存储弹性模量;  G:静态剪切弹性模量

从上式可以看出:动倍率与产品形状无关,是橡胶材料自身的特性.

  对于发动机用减震橡胶而言,减震机理是吸收振动,要求动倍率越小越好,从动倍率的定义可以看出,若想减小动倍率需从两个方面入手:①增大静刚度②减小动刚度.如增大静刚度可以使减震橡胶在静态时的支承作用增强,而减小动刚度可以减小振动的传递率,防止将发动机的振动传递到车身上,提高乘坐的舒适性,因此发动机用减震橡胶要求动倍率越小越好.但是实际上形状一定时,改变橡胶材料配方以增加静刚度的同时动刚度也在增加,减小动刚度的同时静刚度也在减小,只是静刚度与动刚度增减的幅度不同,这就要求在配方设计时掌握好平衡点使得配方的调整有利于动倍率的降低.

4.3.2动倍率的测定方法:作为基础研究时可以参照图12中的试验块做动倍率测定.

图12  动倍率测定用试验块

   测定时,如静刚度的测定范围是2±0.5mm,对应在动刚度的测定范围为:预压2mm后在一定频率下,振幅±0.5mm,也就是动刚度的测定....