减震的基础概念

刚度

机械零件和构件抵抗变形的能力。在弹性范围内，刚度是零件载荷与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力。它的倒数称为柔度，即单位力引起的位移。

刚度

可分为

静刚度

和

动刚度

。　　

基本定义: 一个机构的刚度（k）是指弹性体抵抗变形（弯曲、拉伸、压缩等）的能力。

计算公式： 

k=P/δ

  　　P是作用于机构的恒力，δ是由于力而产生的形变。  　　

刚度的国际单位是牛顿每米（N/m）。

转动刚度（Rotational stiffness）  　转动刚度（k）为：橡塑管材环刚度试验机

k=M/θ

其中，M为施加的力矩，θ为旋转角度。  转动刚度的国家单位为牛米每弧度。

 转动刚度的还有一个常用的单位为英寸磅每度。其他的刚度包括：拉压刚度（Tensionand...

静刚度

:

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.

动刚度

:

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.

动倍率

: 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.

损耗系数

: 在减震橡胶的受力过程中,橡胶的变形与橡胶的应力之间存在着一定的相位差,而橡胶的应力一般要超前于橡胶的变形一定的相位角δ.通常所说的损耗系数就是橡胶应力与橡胶变形的相位角δ的正切,即损耗系数τ=tgδ.

扭转刚度

: 指减震橡胶在一定的扭转角范围内,其扭转力矩与扭转角之间的比值.

耐久性能

: 指减震橡胶在一定的方向一定的预加载荷、振幅、振动频率下,经往复振动n次后产品完好或将产品往复振动直至破坏时的振动次数, 耐久性能是衡量一个减震橡胶件的安全性能和综合性能的重要指标.

减震橡胶的基本常识

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.

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.

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.

1.弹性体材料

1.1减震橡胶用弹性体材料的选用:

做为减震橡胶用的弹性体材料一般主要有以下几种:NR,SBR,BR,NBR,CR,EPDM,IIR,RUP等,其选用原则为:

一般常用减震橡胶材料为: NR,SBR,BR(发动机悬置,衬套等)

有耐油性要求的减震橡胶材料为:NBR(油管支架等)

有耐候性要求的减震橡胶材料为:CR(球销衬套)

有耐热性要求的减震橡胶材料为:EPDM(排气管吊件)

阻尼性要求大的减震橡胶材料为:IIR(因其加工工艺性差,一般不采用)

RUP一般用于减震支柱中的复原缓冲块.

1.2弹性体材料对减震特性的影响

  从橡胶配方上考虑,影响橡胶的减震特性的主要因素是:生胶的选用;弹黑的选用和配合量;油的种类的选用.

  下面以NR/SBR/BR系为例介绍橡胶配方与减震特性的关系:

  ①改变静刚度:生胶选用时改变SBR和BR的并用量对静刚度没有影响;碳黑选用时粒径小的碳黑可以提高静刚度,增大碳黑的配合量可以提高静刚度;油的选用时使用芳香烃油比使用环烷烃油的配方有利于提高静刚度;

②改变动刚度:生胶选用时减少SBR的并用量有利于降低动刚度, 改变BR的并用量对动刚度没有影响,碳黑选用时粒径大的碳黑可以降低动刚度,减少碳黑的配合量有利于降低动刚度;油的选用时选用环烷烃油比使用芳香烃油有利于降低动刚度;

③改变动倍率: 生胶选用时减少SBR的并用量有利于降低动倍率, 改变BR的并用量对动倍率没有影响,碳黑选用时粒径大的碳黑可以降低动倍率,减少碳黑的配合量有利于降低动倍率;油的选用时使用环烷烃油比使用芳香烃油有利于降低动倍率;

④改变损耗系数:生胶选用时增加SBR的并用量有利于提高损耗系数, 改变BR的并用量对动倍率没有影响,碳黑选用时粒径小的碳黑可以提高损耗系数,增加碳黑的配合量有利于提高损耗系数;油的选用时使用芳香烃油比使用环烷烃油的配方有利于提高损耗系数;

⑤耐久性:生胶选用时增加SBR的并用量耐久性会出现   先增后减的变化趋势; 增加BR的并用量耐久性会出现      先增后减的变化趋势;因此SBR和BR的并用量应适当,碳黑选用时粒径小的碳黑可以提高耐久性,增加碳黑的配合量耐久性:出现    先增后减的变化趋势,油的选用时使用芳香烃油比使用环烷烃油的配方有利于提高耐久性.

2.刚性骨架

   实际应用时减震橡胶基本都是带有刚性骨架的零件,同时这些刚性骨架都对减震橡胶的减震性能有一定的影响,它们起到联接和支撑作用.常用的刚性骨架材料有:钢,铝合金,工程塑料等.

2.1钢因其具有高强度而被广泛用于减震橡胶中,常用的结构形式有①板材冲压(热轧板,冷轧板);②冷拔管材③铸造件④锻压件等多种形式

2.2铝合金因其有较轻的比重而在汽车上得到越来越多的应用, 常用的结构形式有①板材冲压;②冷拔管材③铸造件④锻压件等多种形式

2.3因工程塑料的聚合体具有较轻的比重但其强度硬度较低,对温度的依赖性很强,高的热膨涨和低的热传导性,在使用时一般需对原材料进行处理,加入填料和加固物,减震橡胶中常用的塑料PA66加20%-40%的玻璃纤维,一般常用于衬套和副车架支承的外套管.

汽车常用减震橡胶制品介绍：

1.发动机悬置类：发动机悬置是用于发动机与车身的联接,对发动机起到支承作用,在这个系统中发动机是产生振动的振动源,而车身防振对象,这就要求发动机悬置能够有效地吸收振动,避免将振动传递到车身,提高乘车的舒适性,为满足这一性能就要求发动机悬置具有足够的静刚度的同时应尽量减小动刚度.

2.驱动系统用减震件：驱动系统是指将发动机的动力传递到车轮的机构总成,主要有离合器变速器传动轴减速器差速器驱动桥和车轮组成,该系统主要的振动形式是扭振,该系统用减震件主要有用于传动轴的中心轴承,该产品的使用可避免传动轴过长造成固有频率降低而导致传动轴断裂,一般要求该产品的径向静刚度尽量小;

3.操纵系统用减震件：操纵系统是指将方向盘的角变位传递到车轮的机构总成,该系统主要的振动形式是扭转,最常用的减震件是各类衬套,其主要受到径向冲击力和轴向的扭转和偏摆一般要求该类产品的耐久性能好;

4.悬挂系统用减震件：悬挂系统主要作用是承受车体重量, 防止车轮的上下振动传递到车身,提高汽车的乘坐舒适性,同时能传递动力制动力和操纵时的侧向力,该系统使用的减震件特别多,如:前减上支架,后桥后弹性联接件,橡胶座分组件,防压垫,减震垫,弹簧垫,防撞垫,温定杆衬套,拉杆轴套,各类板簧衬套,各类摆臂衬套及各类缓冲块,现减震部生产的大部分产品是属于该系统的.

汽车用典型减震橡胶制品结构设计基础

1.发动机悬置

1.1普通标准结构

  发动机悬置的工作状况如下:发动机是通过发动机悬置与车身相连接,发动机与车身之间发动机是振动源车身是防振对象,这就要求发动机悬置的性能为:能够有效地吸收振动,降低振动的传导率,避免将发动机的振动传递到车身,发动机工作时振动频率与振幅有如下关系,在低频振动时振幅较大,高频振动时振幅较小,因此对发动机悬置则要求在发动机低频振动区域有较大的损耗系数,以便能够迅速将大的振幅消减下来,而在发动机高频振动区域有较小的动刚度, 以便能够更好地吸收发动机的振动降低振动的传导率.

   通过近几十年的研究开发,一些形状结构被确定为基础设计,实际使用的发动机悬置大部分是在这些结构基础上的改型和调整.如图13-1所示,发动机的前悬置大多采用这种压缩/剪切结构,一般情况三点支撑的发动机都是采用前端两点后端一点的支撑形式,且两发动机前悬置采用倾斜一定的角度对装,在工作中同时受到压缩和剪切载荷的作用.而发动机的后悬置大多采用如图13-2所示这种楔形座结构,这种楔形对称结构的悬置在工作中易受到压缩和剪切变形,同时当弹性体部分设计成平行四边形结构还可以消除悬置所受的弯曲应力,这种楔形悬置的三个方向的刚度可以由空间尺寸和角度来决定,为各方向的刚度调整提供了方便. 图13-3所示的是一种衬套式的发动机悬置,这种结构都是由内外金属套管和橡胶硫化成型在一起的,它能实现较大的径向与轴向刚度比.

                     图13 发动机悬置常用标准结构型式

   以上这些发动机悬置都是属于常规的普通结构形式,对于在发动机的减震性能上都存在一定的局限性,对发动机悬置要求的性能是:高频时低的动刚度,低频时高的阻尼系数,实际上这是一对相互的矛盾体,因为悬置的动刚度和损耗系数都是橡胶自身的固有特性且都是随振动频率的增大而增大,在提高其损耗系数时动刚度也会随之增大,因此作为一般的减震橡胶已无法满足发动机悬置的这一特殊要求.

1.2 液压悬置

  下表是影响乘坐舒适性的因素与减震橡胶的要求特性的关系:

序号

影响因素

防振对象的频率范围

要求的减震特性

1

操纵稳定性

静刚度高

2

车身共振

5—10HZ

损耗系数大

3

发动机共振

10—30HZ

损耗系数大

4

底盘噪音

100—300HZ

动刚度低

5

发动机噪音

50—200HZ

动刚度低

6

变速箱噪音

200—500HZ

动刚度低

人们为了改善一般的减震橡胶性能,使之满足发动机悬置的高频时低的动刚度,低频时高的阻尼系数的这一特殊要求,采用了液体封入的结构形式,最早的液压悬置是德国大众于1979年开发的奥迪车用发动机液压悬置,现在这种液体封入技术已广范应用于汽车发动机悬置上. 发动机液压悬置从开始应用到汽车上至今主要经过了以下几个发展阶段.

1.2.1单通道结构液压悬置

  发动机液压悬置发展的最初形式是如图14所示的单通道结构液压悬置,在液体封入前前,其性能与一般减震橡胶相似,当液体封入后, 液压悬置在低频振动区受到外力作用时,主体受压变形,压力传递到液体上,迫使液体从主液室向从液室流动,液体在通过通道时受到流动阻力,从而产生很大的损耗系数,使液压悬置在低频时具有较好的减震效果,当外加的振动频率等于液体的自身固有频率时,产生的损耗系数达到最大值.液体的自身固有频率与液封的结构及液体的性能有关:

图14  单通道液压悬置结构图

液体的固有频率满足下面关系:ωn

2

∽S0*(K1+K2)/(ρ*L0)

   ωn: 液体的固有频率

   S0: 流道的截面积

   K1: 主体的动刚度

   K2: 液室部的动刚度

    ρ: 液体密度

    L0: 流道的长度

液压悬置设计时应考虑到使液体的固有频率调整到与防震对象的频率一致,使得液封具有最佳的防振效果.

1.2.2双通道结构液压悬置

  当外界施加的振动频率超过液体的固有频率后,液压悬置的动刚度有增大的趋势,这时动刚度就不能满足使用的要求,需要对液压悬置的....