浅谈汽车用阻尼材料阻尼系数的测试方法

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1、图1 动态响应的幅值和滞后角浅谈汽车用阻尼材料阻尼系数的测试方法贵阳联洪合成材料厂 徐丰辰 李洪林 刘 福阻 尼 系 数 是 衡 量 阻 尼 材 料 减 振性 能 的 重 要 指 标 ， 也 是 工 程 上 选 择 阻 尼 材 料 的 主 要 依 据 。 测 定 阻 尼 材 料 的 阻 尼 系 数 ， 就 是 用 工 程 的 方 法 测 定 阻 尼 材 料 的 滞 后 角 。 介 绍 了 有 关 的 测 试 原 理 及 悬 臂 梁 法 、 自 由 梁 法 、 自 由 衰 减 法 和 阻 抗 法 等 常 用 的 测试方法。阻 尼 材 料 也 称 粘 弹 性 阻 尼 材 料 ， 一 般 由 高 分

2、 子 材 料 和 一 些 填 料 组 成 ， 其 最 大 特 征 是 具 有 粘 弹 性 。 阻 尼 材 料 受 到 外 力 激 励 后 ， 由 于 粘 弹 性 的 存 在 ， 其 产 生 的 响 应 必 然 滞 后 于 激 励 力 。 这 种 滞 后 可 以 量 化 为 滞 后 角 ， 因 此 滞 后 角 的 大 小 就 表 征 了 该 材 料 的 阻 尼 性 能 ， 即 阻 尼 耗 能 的 能 力 。 将 阻 尼 材 料 粘 结 在 车 身 表 面 ， 通 过 耗 散 车 身 振 动 能 量 ， 达 到 减 振 目 的 。 这 种 方 法 不 改 变 车 身 声 辐 射 特 征 ， 却 能

3、 有 效 控 制 车 身 振 动 水 平 ， 从 而 使 噪 声 减 小 。 车 身 振 动 噪 声 的 大 小 与 其 自 身 结 构 、 阻 尼 材 料 的 阻 尼 性 能 密 切 相 关 。 在 外 界 激 励 相 同 的 情 况 下 ， 阻 尼 材 料 的 阻 尼 系 数 越 大 ， 结 构 振 动 越 弱 、 噪 声 越 低 。 因 此 在 汽 车 减 振 降 噪 工 程 中 ， 选择阻尼材料是非常重要的。f (t)= fm sin t (t)= m sin t式 （ 4） 中 G的 幅 值 Gm和 用式 （ 5） 计 算 。 由 图 1可 直 观 地 看 出 该 结 构 试 件 动

4、 态 响 应 的 幅 值 Gm和 产 生的滞后 角 。 （ 1）式 中 ， f(t)为 结 构 试 件 受 到 的 激 励 信号 ， mV； (t)为 结 构 试 件 产 生 的 动 态 位 移 响 应 信 号 ， mV； fm为 激 励 信 号 峰 值 ， mV； m为 响 应 信 号 峰 值 ， mV； 为 正 弦 信 号 的 角 频 率 ， rad/s。结 构 试 件 动 刚 度 （ G） 的 定 义 是 对 试 件 施 加 的 激 励 力 与 试 件 产 生 的 响应的比值，见式（ 2）。2 2Gm= (Gcos ) +(Gsin )Gsin （ 5） =arctanGcosf(t)

5、fmG = = 常数 （ 2）(t) m式 中 ， G为 结 构 试 件 激 励 响 应 同 步 动刚度。式 （ 1） 和 式 （ 2） 描 述 的 是 试 件 的 理 想 化 状 态 ， 这 种 状 态 实 际 上 是 不 多 见 的 。 一 般 的 情 况 是 结 构 试 件 存 在 阻 尼 耗 能 ， 此 时 激 励 力 f(t)与 动 态 位 移 响 应 (t)之 间 便 不 能 保 持 相 同 的 相 位 ， 而 是 动 态 位 移 响 应 f(t) 要 滞 后 于 激 励 力 (t),计 算 公 式 见 式（ 3）。图 1中 的 幅 角 是 表 征 材 料 阻 尼性 能 的 滞 后

6、 角 ， 数 值 上 等 于 G的 虚 部 与 实 部 之 比 的 反 正 切 函 数 ， 其 正 切 函 数 就 定 义 为 该 材 料 结 构 试 件 的 阻 尼 系 数 ， 工 程 上 一 般 用 来 表 示 , 即：Im G = tan = （ 6）Re G式 中 ， 为 材 料 结 构 的 能 量 阻 尼 系数；Im G为G的虚部；Re G为 G的实部。另 一 方 面 ， 从 结 构 试 件 振 动 时 的 能 量 损 耗 分 析 ， 也 可 得 出 相 同 的 结 论 。 结 构 试 件 在 f(t)作 用 下 的 损 耗 能 量 W可 表 示 为 式 （ 7） 、 结 构 的 弹

7、性变形能 W表示为式（ 8）。f(t)=fmsin t (t)= msin( t- ) （ 3）式 （ 3） 中 ， 是 响 应 的 滞 后 角 度 。由 于 的 存 在 ， 结 构 试 件 的 动 刚 度 已 不 是 简 单 的 常 数 ,而 是 复 数 ， 用 G 表示，计算公式见式（ 4）。1 测试原理设 当 一 个 结 构 试 件 受 到 正 弦 稳 态 电 压 f(t)之 后 ， 就 会 产 生 动 态 位 移 响 应 (t)。 若 这 一 结 构 试 件 没 有 阻 尼 存 在 ， 则 f(t)及 其 位 移 响 应 (t)是 同频、同相的，见式（ 1）。f(t) fm= ej =

8、 Gej =G = 1(t) m W =2 fm msin （ 7）（ 8） 1G(cos + jsin ) （ 4） W = 2 fm m cos式 中 ， G为 结 构 试 件 激 励 响 应 非 同步 动 刚 度 ； 为 激 励 响 应 的 滞 后 角 度，（ ）。 W与 W的比值就是结构试件的阻尼系数，见式（ 9）。2008 年 第 8 期 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 63图3 悬臂梁法测试系统图图2 结构试件的共振频率曲线 图4 结构试件的弯曲共振曲线S H O P S O L U T I O N生 产 现 场 1W fm msin sin 频 率 基 本 不 变 。 另

9、一 方 面 ， 共 振 曲线 的 带 宽 （ 即 共 振 曲 线 两 侧 下 降 到 峰 值 的 0.707 倍 （ 3 dB ） 时 的 频 率 差 ） 在 增 加 ， 也 就 是 位 移 （ 滞 后 角 ） 在 增 加 。 因 此 ， 可 以 通 过 结 构 试 件 在 共 振 时 的 共 振 频 率 与 其 相 应 的 带 宽 ， 来 确 定 试 件 的 阻 尼 系 数 这 种 方 法 工 程 上 称 半 功 率 带 宽 法 ， 计 算公式见式（ 10）。fH - fL f响 应 ， 都 是 反 映 该 系 统 特 性 的 多 个单 自 由 度 系 统 响 应 的 叠 加 。 因 此 ，

10、 在 某 阶 共 振 频 率 下 ， 其 相 对 应 的 该 阶 振 动 响 应 特 别 大 ， 以 至 于 可 以 忽 略 其 他 各 阶 振 动 响 应 ， 就 可 以 用 该 阶 振 动 响 应 代 替 系 统 的 总 响 应 。 测 定 阻 尼 系 数 的 结 构 试 件 一 般 选 择 其 2 阶 共 振 频 率 ， 因 2阶 共 振 频 率 具 有 较 大的振动响应和较稳定的振幅。= 2 = =W 1 fm m cos cos2tan = （ 9）可见 ， 越大 ， 也越大。基 于 上 述 分 析 ， 既 是 结 构 刚 度 复 量 中 虚 部 与 实 部 之 比 ， 又 是 系

11、统 振 动 时 的 弹 性 变 形 能 与 损 耗 能 之 比 。 从 阻 尼 的 实 效 上 看 ， 所 代 表 的 物 理 意 义 是 系 统 能 量 的 损 耗 ， 所 以 也称能量阻尼系数。在 实 际 测 试 中 ， 由 于 结 构 试 件 在 振 动 中 的 能 耗 十 分 微 小 ， 因 此 直 接 （ 即 通 过 耗 能 比 ） 测 定 阻 尼 系 数 的 方 法 一 般 不 容 易 实 现 ， 工 程 上 可 以 采 用 间 接 的 方 法 测 定 ,即 对 结 构 试 件 进 行 力 激 励 或 声 激 励 ， 使 其 产 生 响 应 ， 因 响 应 的 特 性 和 阻 尼

12、系 数 有 密 切 的 内 在 联 系 ， 通 过 对 响 应 进 行 处 理 和 分 析 ， 来 确 定 结 构 的 阻 尼 系 数。间 接 测 定 首 先 要 把 阻 尼 材 料 做 成 结 构 试 件 ， 即 将 材 料 烘 烤 在 基 板（ 与 汽 车 车 身 相 同 的 镀 膜 钢 板 ） 上 ， 使 其 具 有 一 定 的 模 量 ， 由 此 测 定 的 阻 尼 系 数 ， 称 作 材 料 结 构 的 阻 尼系数。为 测 定 响 应 与 阻 尼 的 关 系 ， 要 在 扫 频 信 号 的 激 励 下 ， 分 别 测 定 相 同 结 构 参 数 、 不 同 阻 尼 性 能 的 材 料

13、 的 共 振 频 率 曲 线 。 图 2是 在 扫 频 信 号 的 激 励 下 ， 6个 配 方 阻 尼 材 料 结 构 试 件的幅频特性。分 析 图 2 的 这 组 共 振 曲 线 ， 可 以 看 出 ， 在 共 振 点 上 ， 随 着 的 增 大 ， 共 振 峰 的 幅 度 在 减 小 ， 而 共 振3 测试方法3.1 悬臂梁法悬 臂 梁 法 采 用 弯 曲 共 振 曲 线 （ 频 率 -振 幅 ） 测 试 阻 尼 系 数 ， 测 试 系 统 组 成 见 图 3 。 首 先 将 试 样 按 照 一 定 尺 做 成 结 构 试 件 ， 然 后 垂 直 安 装 ， 上 端 刚 性 夹 紧 ，

14、下 端 自 由 ， 这 样的结构简称悬臂梁。 = = （ 10）fn fn式 中 ， 为 材 料 结 构 的 能 量 阻 尼 系数 ； fH为 频 率 升 高 时 ， 振 幅 下 降 3 dB 时 的 频 率 ， Hz ； f L 为 频 率 减 小 时 ， 振 幅 下 降 3 dB时 的 频 率 ， Hz； f为 半 功 率 带 宽 ， Hz； fn为 第 n阶 共 振 频 率， Hz。半 功 率 带 宽 法 属 频 域 分 析 ， 上 述 方 法 测 试 出 的 共 振 曲 线 称 作 弯 曲 共振 曲 线 （ 频 率 - 幅 度 ） , 还 可 用 动 柔 度 曲 线 （ 频 率 - 导

15、 纳 ） 、 动 刚 度 曲 线 （ 频 率 - 阻 抗 ） 等 测 试 能 量 阻 尼 系 数。 随 温 度 、 频率 变 化 ， 因 此 分 析 和 测 定 阻 尼 系 数 时 ， 要 同 时 给 出 与 这 些 参 数 的 函 数 关 系 ， 即 (t)-温 度 特 性 、 (f)- 频率特性。 测 试 系 统 在 软 件 的 支 持 下 ， 对试 件 进 行 扫 描 。 图 4是 结 构 试 件 的 弯 曲 共 振 曲 线 ， f2是 试 件 的 2阶 共 振 频 率 ， fH是 频 率 升 高 时 振 幅 下 降 3 dB2 结 构 试 件 共 振频率的选择一个结构试件振动系统的模型都是多自由 度的，它有多个共振频 率，在对试件进行扫频 测试过程中，会出现许 多 “共 振 峰 ”。 在 振 动 系 统中，任何一点的振动64 汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 2008 年 第 8 期汽车塑化图5 自由梁的测试系统图图 6 有干扰的共振峰图 7 自由衰减法的测试系统图S H O P S