维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期（总第１１４期） ２００２年３月 山 西 机械 Ｎｏ．１ ＳＨＡＮＸＩ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ Ｍａｒ． 文章编号：１００８—８３４２（２００２）０１—００２５—０３ 重型汽车用阻尼减振降噪装置参数优化研究 赵 华 ，张宝珍 （１．中铁十七局物资总公司．Ｌｉ』西 太原０３００１２；２．ＬｉＪ西省饥｛戍设备成套局．ＬｉＪ西 太原０３００１３） 摘要：鉴于当今对重型汽车的振动和噪声控制越来越严的趋势．有必要升发一仲新型高放的阻尼减振降噪装 置．而Ｎ弹性约束层组合阻尼减振降噪结构正具有这些性质 根据阻尼材料的温度——频率的动态效应．把 其诺模图试验曲线拟合成方程并实现数字化；经对＾，弹性约束层组合阻尼结构参数的解耦．建立起优化模型． 实现了此仲结构参数的动态优化。最后经对研制出的橡胶缓冲装置的动态实验，结果显示出结构损耗因子实验 值与理论值有着良好的吻合性。 关键词：重型载重汽车；缓冲装置；参数；最，尤化 中图分类号：ＴＢ３２４：Ｕ４９１．９ 文献标识码：Ａ 随着环保法规对振动和噪声控制指标的日趋严格 化，如何消除重型矿用汽车作业所产生的振动与噪声 就成为一个新的研究课题。 高分子阻尼材料具有可把外部振动转换成材料内 部的摩擦能并进行散逸的良好性质，并且还具有加工 便宜、成本低的优点。早期的单阻尼层装置虽具有结 构简单、价格便宜的优点，但又由于其对振动能的耗 散率低（通常不超过２０％）的不足，目前正研究采用 多阻尼层的装置（弹性约束层数大于２，为Ⅳ弹性约 束层组合阻尼结构，简称Ⅳ层结构）。Ｎ层结构则具有 较高的振动能耗散率，是用作重型汽车减振降噪的一 种较为理想的结构。 由于高分子阻尼材料的外特性具有随使用温度、 振动频率和载荷振幅而变的动态特性，加上Ⅳ层结构 复杂，其参数诸多并且存在着复杂的耦连关系，倘若 式中：』９——阻尼材料的损耗因子； ｚ——复剪切参数ｘ 的实部，其表达式 ｂＧ ｚ一—ＫＨ—ｐ２ ’，，… …………………………………（ ）式中：ｂ——结构的横截面宽度； Ｇ ——复剪切模量的实部； Ｋ——弹性约束层的抗拉刚度； Ｈ ，——阻尼材料层的厚度； ｐ——振动波波数，为 ｐＺ一（２ 厂） ，………………………（４） 式中：厂Ｅｆ——振动频率； 结构的单位长度质量； ——弹性层的抗弯模量； ——弹性层对自身中性层的惯性矩； 参数选取不当，装置的实际耗散率有时仅为最优值的 １０ ～１０＿。。因此，必须对Ⅳ层结构参数的特性和其 参数的优化开展研究。 １振动能耗散率模型 采用复刚度理论可对Ⅳ层结构的振动能耗散率 作全面的描述，该结构的损耗因子为： Ｉｍ（Ｚ。）Ｙ （Ｅ，），——结构件耦合时的抗弯刚度，为 （Ｅ，），一（Ｅ，）ｏ（１＋Ｚ Ｙ）， ………………（５） 式中：（Ｅ，）。一一Ⅳ层结构对自身中性轴弯曲刚度之和； ｙ——刚度参数，为 、，（ＥＩ） （ＥＩ）。。一（ＥＩ）ｏ ， 一 一—■ ■一。……………… ） 结构完全耦合时的弯曲刚度。 式中：（ＥＩ） ，（ＥＩ）。。——分别为结构的传递弯曲刚度和 ２阻尼结构的参数 ２．１ 阻尼材料的参数特性 １＋Ｒｅ（Ｚ。）Ｙ’ 式中： ——结构的损耗因子； Ｚ ——耦连参数（复参数），其具体表达式为 ｚ 一 １ １／（＋ ｘ） ０＋ ＋ 。 （＋ １ １／ｘ） ２＋ ’， …… （２） 阻尼材料的物理参数 ，机械参数Ｇ 是直接影响 阻尼结构耗散率的重要参数。由于阻尼材料的温度 收稿Ｈ期：２００１—０９一ｌｌ 作肃简介：赵华（１９６５一）．女．山两洪洞人．Ｔ程师．１９８７年毕札于太原重礁机敞学院．本科；张宝珍（１９５０一）．女．山两安泽人．Ｔ程师．本 科。 维普资讯 http://www.cqvip.com ・２６・ 山西机械 ２００２年第１期 ——频率效应，其 和Ｇ 均为变数，改变温度、振频 状态对材料的 、Ｇ 进行测试，可获得能反映材料综合 性能的诺模图（见图１）。设计时，根据确定的减振降 噪指标，由诺模图选择合适的阻尼材料。研究表明，Ｎ 层结构的损耗因子 与阻尼材料的损耗因子 成正 比【１，故应选用 值大的阻尼材料，并有较宽的高 值域，所用段的 应大于０．７。这佯，可使设计出的减 振装置具有宽的高耗散率应用区域。 度，．／℃ ６０ ４０ ２０ ｜ｆ ｉ ｉ｜｜ｆ（３）～式（６）还可知，叩还与结构几何尺寸参数有关。 经研究发现，Ｎ层结构的耗散率与弹性约束层、阻尼 层的层数、各层的尺寸密切相关。 式（１）～式（６）仅为阻尼减振结构的简洁表达 式，其中各参数之间存在着复杂的耦连关系，往往当 某一参数取值稍许不当，就会导致结构耗散率的劣化。 ３阻尼结构参数的动态优化 ３．１参数的解耦 （） ｜ ２０ ｆ｜ 为对参数进行优化，先对其解耦。把式（２）代入 式（１），有： 。 ？，，，，， ， ７ ， ｛｝｝｝｛ｆ｛｛｜｝ｌ ’ｙ 叩一 。ｏ 。・ｏ ９ ｝ ，， ｜｜，｜ｆ｜ｆ ， ｜ ， ， ７‘，ｆ ｆ尹 ｜ ｝ ｌ０ｚ ｆ’ 肆 （１＋ ＋ ｙ＋ｙ）＋２＋ｙ＋１／Ｉ。 蘧 鍪１０￣罩Ｏ．１ 萱 ｜ ｝｜｜｜｜｛｝｜｜ ｝ｌ｝ｆ｝｝｛｛枣Ｇ／／ ｝ ｜｝ｆ｝｛｜｜ｆ Ｉ ｌ｝｜ ｆ按式（１２）计算结果绘制的 与 、 、 之间的关系 见图２所示。在各参数中， 对１７的影响最为显著，故 先对其解耦。不妨设结构的几何形状一定，即ｙ一定， 温度７１和振频厂不变，以式（９）中 对ｚ求偏导并令 其为０，即￣／３ｘ＝０，同时注意到 ≠０，Ｙ≠０，ｘ＞０， 有 的优化值 为： 斋 ｌ０ｔ ｜ｊｆ｜，ｉ｜ ｜｛ ｜ ？｝｝｝｝｝｛ １０‘ ｌ００ １０‘ ｛｝｝ １Ｏ０ １ ｌＯ ｉ，｝｝／ 下 ／／ ／／ 折锥频率ｆＪｔｌｚ 图１阻尼材料的诺模图 再把Ｘ！ｏｐｔ代回式（１２），又有 的优化值 。 为： 。 一。 剪切模量Ｇ 既决定装置的强度又决定其振动能 的耗散率，因此它是另一重要设计参数。由于在诺模 图中所测的是复剪切模量Ｇ 的实部Ｇ ，故在设计中 通常用Ｅ 近似代替Ｅ ，由Ｅ与Ｇ的关系式得： Ｅ ：＝＝２（１＋ｕ）Ｇ ， …………………………（７） Ｙ ｚ 州 （１＋ 。＋ ｙ＋ｙ）＋ｚ 。 （２＋ｙ）＋１。 ………………………………………………（１４） 式中：ｕ——阻尼材料的泊桑比。 对于通常的粘弹性阻尼材料，其ｕ≈０．５，而对于高阻 尼粘弹性材料，其ｕ一１ 。故式（７）又可写成 Ｅ 一（３～４）Ｇ 。 ……………………………（８） 式（１４）中的７１ ｏｐｔ与其它参数的关系如图２所示。 当阻尼材料选定后，Ｊ９、Ｇ 亦定，然而ｙ并未定；从图 ２中还可见，７１ ｏｐｔ与ｙ成正比例关系，故欲得到叩 …还 应使ｙ达最大值。 当温度、振频变化时，减振装置的性质会显示出 相当大的差异，这是因为阻尼材料的温度、频率特性 所致。根据温度、频率关系，特性参数存在以下关系： ，Ｔ ） ｌ（ｆ ｆＧ （厂７１）一Ｇ （厂尺）Ｊ’ …、 ８ 毒 ６ ０ ………………，（９） … 至 ４ ２ ： ： ２ 式中：７１——工作温度； 折算频率，为 ——一厅－，，……………………………………（１０） ＝Ｉ１．５ 式中： ——温度、频率转换系数，由根据试验所得的 经验公式确定， Ｃ１Ｃ／。－ ，） ．图２ 与ｚ、Ｙ的关系 ３．２，…………………………（１１） 优化程序 一１０一 而 式中：Ｃ ，Ｃ：——系数，经试验获得； ７１。——参考温度，选其为工作温度段的中 值。 按（１０）、（１１）式，把诺模图中的温度、频率二变数 转换为折算频率单变数，再把二参数拟合成方程，可 实现设计过程的数字化。 ２．２结构几何尺寸参数的影响 获得式（１４）的前提是暂定ｙ、丁和厂，但在实际 应用中这些参数均为变量。为得到最优设计参数，把 叩和ｙ为优化设计的目标，几何尺寸作为设计变量，利 用计算机优化方法充分调节各弹性约束层及阻尼层的 厚度尺寸值，以达到最佳阻尼减振效果．。此处以５弹 性约束层管状对称结构（见图３）为研究对象来进行优 化。 ３．３ 变量 由式（１）知，叩与刚度参数ｙ有关；另外由式 把结构横截面几何尺寸作为变量（见图３），有： 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第１期 赵华．等：重型汽车用阻尼减振降噪装置参数优化研究 ・２７・ Ｘ一［ 。， ：， 。， ， ｓ， ｓ ＝＝＝［ 。，Ｈ。，Ｈ。， Ｈ３，Ｈ ｌ，Ｈ ： 。………………………………（１５） 振法，测得试件的损耗因子实验值】７ ，并与理论值】７作 表ｌ各参数优化结果 ｄｌ Ｈｌ Ｈ２ Ｈｓ Ｈ １ ｍｍ Ｈ ２ 式中：ｄ。——结构内孔径； Ｈ。，Ｈ：，Ｈ。——３弹性约束层的厚度； Ｈ ．，．Ⅳ ：——阻尼层的厚度。 １ ． 初始值 上界值 下界值 ８５ ９８ ８Ｏ．５ ９２ ６ ２Ｏ ３ ８ ６ ２Ｏ ３ ５．５ ６ ２Ｏ ３ ５ ８ ３０ １ １３ ８ ３Ｏ １ １Ｏ ● 一 Ｄ２ ｆ，２ 优化值 … ， 比较见图４。由该图可见， ．与 具有良好的吻合性。 Ｉ ｆ ０．３ 多 Ｉ ｆＩ ，２ ≤ｊ Ｉ）．２ ０．Ｉ ，ＪＩ ’ 图３ ５弹性约束层管状对称结构 频率ｆ／ＩＩｚ 一一３．４ 目标函数 理论值；▲一试验值 ｆｌ（ ）一一】７， ………………………………（１６） Ｙ一 （Ｄ ，…………） 图４结构损耗因子的理论和试验值 ｆ２（ ）一一ｙ，…………………………・…一（１８） ５结束语 经对Ⅳ层结构参数动态特性、参数解耦的研究， 获得该结构产品设计参数优化方法，并已应用于重型 总目标函数为：ｒｎｉｎ｛ｆ。（ ）＋ （ ））。 ………（１９） 建立起优化模型后，就可在输入温度、频率变化 的动态中，对结构进行参数优化（各约束函数项略）。 ４优化计算与实验验证 ３个弹性材料层同为３５号钢，阻尼材料为天然橡 胶，硬度（邵氏Ａ）８８。，回弹率２５％，其诺模图见图 １所示。使用温度Ｔ＿－１５℃，取参考温度Ｔ。一１０Ｃ；取 式（１１）中系数Ｃｌ一８．８６，Ｃ２—１０１．６ ，各参数的优 化结果见表１。 为对耗散率模型进行验证，对按表１优化参数值 矿用汽车减振降噪装置的设计中。测试表明，可把汽 车的振动和噪声水平控制在预定指标范围内。 参考文献： ［１］ 孙大刚．大型履带式推土机行走系阻尼减振的研究 ＥＪ］．机械工程学报．１９９８．３４（１）：２７—３３． Ｅ２］ 戴德沛．阻尼减振降噪技术Ｉ－Ｍ］．西安：西安交通大学 出版社，１９８６．４８—１７８． ［３］ ． ［日］户原春彦（牟传文译）．防振橡胶及其应用．北 京：中国铁道出版社．１９８２．２３． ｃｏｅｌａｓｔｉｃ ｓｈｅａｒ・ｄａｍｐｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ［Ｃ］．ＵＳＡ： ＮＡＳＡ ＣＲ一７４２．１ ９６７．２８—３０． ［４］ Ｒｕｚｉｃｋａ Ｊ Ｅ．Ｄａｍｐｉｎｇ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｉｔｈ ｖｉｓ— 制作的橡胶减振装置进行了动态实验。实验采用非谐 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｄａｍｐｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ－ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｖｅ ｕｎｉｔｅｓ ｆｏｒ ｈｅａｖｙ ｄｕｔｙ ｔｒｕｃｋｓ ＺＨＡＯ Ｈｕａ。．ＺＨＡＮＧ Ｂａｏ—ｚｈｅｎ （１．Ｔｈｅ １７ｔｈ Ｒａｉｌｗａｙ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ、Ｔａｉｙｕａｎ ０３００１２．Ｃｈｉｎａ：２．Ｓｈａｎｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ｓｅｔｓ． Ｔａｉｙｕａｎ ０３００１ ３．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｈａｔ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｄａｍｐｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ—ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｖｅ ｕｎｉｔｅｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｄｕｅ ｔＯ ｔｈｅ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｓｅｒｉｏｕｓ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔａｒｇｅｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｆｏｒ ｈｅａｖｙ ｄｕｔｙ ｔｒｕｃｋｓ ｎｏｗａｄａｙｓ．ａｎｄ Ｎ—ｅｌａｓｔｉｃ・ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｕｓｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍｐｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ・ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅｓ ｉｎ ａ Ｎｏｒｍｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｔＯ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅｓ ａｒｅ ｍａｄｅ ｉｎｔｏ ｄｉｇｉｔａｌｉｚａ— ｔｉｏｎ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｕｎｃｏｕｐｌｅｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｎ—ｅｌａｓｔｉｃ—ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｒｔｕｅｔｕｒａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．ａｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｙ— ｎａｍｉｃ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｆｏｒ ｒｕｂｂｅｒ ａｂｓｏｒｂｅｒｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ，ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｂｅｔｔｅｒ ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ｖａｌｕｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆａｃｔｏｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｖｙ ｄｕｔｙ ｔｒｕｃｋ｝ａｂｓｏｒｂｅｒ｝ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ