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复合减振板在汽车上的应用 |
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作者：长城汽车股份有限公司技术中心 吴洪亮 杨红新 熊飞 |
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汽车行业的迅速发展，对环保、安全以及舒适性的要求也越来越高。噪音和振动作为汽车性能的重要指标之一，成为各主机厂一个关注的课题。
噪音和振动不仅损害汽车的零部件、降低汽车寿命，而且危害乘客的健康及安全。为提高汽车的降噪和减振的水平，汽车上已广泛采用了各种振动控制技术，其中阻尼减振是一种效果明显的方法。目前的主要方法之一是在零部件上粘贴减振阻尼片以达到减振降噪的目的，但由此也造成了零件重量的增加。
复合减振板作为一种新型的阻尼减振材料逐渐引起了行业的关注。复合减振板是由普通钢板和高分子聚合物组成的一种新型阻尼减振材料，在保证强度和刚度的同时，能达到减振降噪的目的，并减少减振零件数量满足日益增强的轻量化需求。因此复合减振板作为一种不增加重量而达到减振降噪效果的新型材料，成为汽车应用的一个发展方向。对该材料的研究如成形性能及减振性能的研究越来越受到重视，在汽车行业的应用也得到越来越广泛的关注。
复合减振板的材料及结构
复合减振板的分类
复合减振板通常有约束型与非约束型，而本文研究的是一种典型的约束型阻尼结构。约束型阻尼结构是在保证强度和刚度的条件下，尽可能提高减振效果。复合减振板根据不同适用需求和结构，大致分为如下几种：
从阻尼的布置形式分：有三层阻尼和多层阻尼；对称分布和非对称布置形式。从阻尼层厚度分：有薄夹心阻尼层结构和厚夹心阻尼层结构。本文研究的是薄夹心三层阻尼减振板。
典型结构
最通用的复合减振板是由上下的对称的普通钢板与中间的高聚物树脂组成，中间层被上下基板约束，形成约束阻尼结构，如图1所示。中间层是具有较高损耗因子的高聚物树脂，如聚酯（PE）、聚丙烯（PP）、尼龙（NY）及聚三甲基戊烯（TXP）等。基板的厚度一般为0.15～1.6 mm，中间层的厚度一般为0.03～0.1 mm。普通钢板提供强度及刚度，中间高聚物层则可吸收振动和噪音。
图1 复合减振板的结构示意图
减振原理
阻尼材料
所谓阻尼材料，就是指玻璃态转变温度区与使用温度相重合的高分子粘弹性材料。聚合物在玻璃态时模量很高，分子几乎不能运动，难以损耗能量。而聚合物在高弹态时，分子运动容易，不易吸收足够的机械能。当聚合物在玻璃态时受外力作用产生周期变形时，迫使分子链段产生相对位移，通过分子间的内摩擦，把一部分的机械能转变为热能而消耗，从而起到阻尼减振作用。复合减振板就是通过具有高损耗因子的阻尼层吸收能量而达到减振降噪的目的，而其适用强度和适用温度取决于高聚物剪切强度和最大损耗因子。阻尼层的损耗因子随着温度的变化而变化，如图2所示，复合减振板最佳使用温度区域是在玻璃态转变温度区域。
图2 不同树脂阻尼特性与温度的关系
减振原理
根据机械振动理论，机械结构系统在激振力作用下，当激励频率与结构系统的固有频率相同时将会有谐振现象发生，系统的阻尼是唯一可以减振的因素。阻尼减振就是依靠机械结构阻尼（材料阻尼、结构阻尼、接触阻尼）将振动转变为热能，从而达到减振的目的。弹性材料可以存储能量，却不具备消耗能量的功能，粘性材料无存储功能但可以耗损能量。粘弹性材料是一种既具有某些粘性液体而同时具有弹性固体特性的高分子聚合物材料，具有二者性质，既能存储能量，又能耗损能量，即振动阻尼的作用。衡量材料阻尼效果的性能指标是结构阻尼损耗因子，损耗因子越大其阻尼效果越显著，对于绝大多数材料，结构阻尼损耗因子大致为0.001～0.1，接触阻尼损耗因子一般大致为0.01～0.05。提高材料阻尼的有效方法之一是通过将粘弹阻尼材料与金属结构材料的结合，使其损耗因子达到0.1～0.5，从而能显著提高零件的阻尼。
复合减振板的成形性及成形缺陷
由于复合减振板结构不同于普通钢板，其成形性能有显著的区别。通常，复合减振板的成形性与阻尼层有密切关系，包括阻尼层的厚度，中间粘结剂的粘结强度、剪切强度都对复合减振板的成形性、起皱、回弹、脱层产生影响。
阻尼层的影响
复合减振板的成形性能与中间阻尼层的性能及其变形情况相关，中间阻尼层的性能又与其厚度、变形前后的存放时间及工作温度密切相关。在筒形件试验中，随着中间阻尼层的增加，试样开裂时的试样深度降低。这是由于中间层的增加降低了界面间的剪切应力，从而造成其成形性能随夹层厚度的增加而降低。
粘结剂的剪切强度对复合减振板的成形性能也有明显影响，研究表明对于不同粘结剂的薄钢板在一定范围内，随着剪切强度的增加，杯突值增加。当剪切强度达到13MPa时，复合板杯突值与普通板的杯突值接近。
在弯曲试验后，存放时间对成形后的零件的回弹也有一定的影响。通过V形弯曲试验表明回弹角随着存放时间的增加而逐渐减小，直到趋于稳定。因此，复合减振板成形件具有一定的时滞性。
成形缺陷
各层的机械性能（尤其阻尼层）、界面粘接强度及各层的厚度比例都对成形中的缺陷产生影响。复合减振板在成形过程中最常见的缺陷，如脱胶、滑移、错位、阻尼层破坏及翘曲等。由于阻尼层的机械性能普遍低于普通钢板，中间层是复合减振板成形过程中的薄弱环节，比较容易产生缺陷。在成形过程中，中间层一般发生较大的剪切变形。剪切失效是中间层发生破坏的主要原因。文献分别通过拉弯试验和四点弯曲试验证实了中间层的剪切失效是中间层发生破坏的主要形式。复合减振板成形问题不仅有上述的缺陷，还有阻尼层的微观失效。微观阻尼层失效导致复合减振板的减振性能降低，隔音效果下降。由于阻尼层失效对结构的强度、刚度几乎没有影响，因此不易被发现。中间阻尼层的微观失效主要是因为高聚物的性能随变形时间和温度的变化而发生剧烈变化。
国内外研究现状
20世纪80年代，树脂复合减振板开始出现，美国、德国、日本等发达国家开始对树脂复合板进行研究。Y. Yutori等人通过基本的成形试验，介绍了减振板的机械性能及成形性，并与等厚度的钢板进行了对比。M.Yoshida等人研究树脂复合减振板的弯曲指出并证实了减振板在弯曲时会出现反向弯曲，即“鸥翼”现象。Makinouchi等人较早运用三层模型对减振板的成形进行了模拟，预测了成形过程中缺陷的位置。Kopp和 Abratis通过一系列的试验，论述了减振板的回弹角较等厚度钢板的回弹角小，减振板的成形极限图低于等厚度普通钢板。Cheng、 H. S.等人研究了减振板的起皱趋势，减振板的抗起皱能力较强。Corona等人通过实验和数值模拟的方法得出经过压弯的减振板的两翼反向弯曲角随冲头行程的增加而减小，同时反向弯曲角随时间的增加而逐渐减小直至不变。Liu. W.等人运用abaqus商业软件模拟了两种不同中间层的球形件拉深，并研究了各层的性质与减振板成形性的关系。目前，国外的研究内容丰富详细，并推动了复合减振板在汽车、建筑及电子等行业运用。尤其在日本，树脂复合减振钢板已广泛运用于体育馆的地板、顶棚及邮袋传输滑道上。
在汽车上的应用
减振板在保持原有强度、刚度的基础上，具有等厚度钢板不具备的优异阻尼减振特性。复合减振板不仅具有结构作用，更具有减振的功能，可以减少隔音吸音附件，起到功能轻量化。从20世纪90年代，树脂复合减振钢板开始受到发达国家的广泛关注并成功运用于部分的汽车冲压零部件。目前，减振钢板在国外车型上应用较多，且其零部件的工艺及技术已相当成熟，尤其日本、美国已实现规模化生产。在国内减振的应用还处于起步阶段，只在部分零部件得到应用，且应用还受到一定的限制。在汽车上，减振钢板主要应用于油底壳、发动机罩盖、正时齿轮盖、曲轴、箱罩盖、水泵支架、摇臂罩、挡泥板、底和轮罩等零部件上。表1是减振钢板在一些汽车品牌上的应用。长城汽车公司也开始将减振钢板应用于一些零部件，图3是试制成功的长城某款车型的前围板。
图3 长城某款车型的前围板
结语
复合减振板是由阻尼材料和普通钢板组成的“三明治”结构的材料，它不仅具有等厚钢板的强度、刚度，更具有减振、降噪的特性，是一种环保、节能的新型材料。由于复合减振板的独特结构，对复合减振板的材料及工艺特性如其成形性能、仿真模拟等还处在初期阶段，从而限制了复合减振板的大量应用。随着汽车行业的飞速发展，对于复合减振板的研究不断深入，复合减振板必将会得到更广泛的应用。(end)
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(4/13/2013) |
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