弹性体在汽车调谐质量阻尼器（TVD)中的应用：设计要点

摘要

引言

• 表1：常见的调谐阻尼器应用：
• 曲轴（扭转和线性弯曲）
• 车桥主动齿轮轴端（线性）
• 半轴和传动轴阻尼器（扭转和线性）
• 变速箱延伸部或分动箱（线性）
• 副车架（线性）
• 车架或车身（线性，用于抑制晃动）
• 换挡杆或方向盘（线性）
• 排气系统（线性）
• 等等！

调谐阻尼器的实际问题

开发有效调谐阻尼器的步骤

1. 首先，必须测量所选位置的频率响应。这通过驱动点频响函数程序完成，得到如图6所示的图。在所有可能放置调谐阻尼器的位置进行类似的测量是一个好主意。
    
2. 接下来，必须识别需要处理的共振。在上面的例子中，在车辆中观察到43Hz处存在不良响应，表明问题在于该频率处的共振峰。
3. 然后，应将测量数据中的峰值与一个“等效”单自由度系统的频率响应进行匹配。此类曲线拟合程序通常在模态测试软件中可用。图7屏幕显示左侧的“曲线拟合”框显示了由此得到的SDOF共振峰值频率、等效质量和阻尼比。
    
   “等效质量”一词用于描述一个单自由度系统的质量，该系统与适当的刚度和阻尼一起，产生的预测频率响应曲线与测得的频率响应曲线紧密匹配。这些特性特定于测量的TMD附着点（最好是上述的反节点）。随着TMD附着点离反节点越远，等效质量会增加。  
   公式1a和1b显示了在给定点确定等效质量的另一种方法。该方法只需要在建议的附着点附加一个已知质量（m_add）前后，分别确定峰值频率（f_n1和f_n2）。由此产生的两个包含两个未知数的方程允许计算刚度项k和等效系统质量m1。  
    
   公式1a和1b：等效质量的计算  
4. 必须选择TMD的质量。对于大多数汽车应用，建议的调谐阻尼器质量设计起点是阻尼器位置等效质量的约1/20。在所演示的案例中，我们开始时使用 M_TMD = 0.25 kg。
   图8的曲线显示了选择不同TMD质量的效果。在此示例中，等效质量为5kg，0.25kg的阻尼器质量符合建议的等效质量1/20的值。请注意，在此图以及后面的图中，图例中显示了每种调谐选项的改进dB值。可以看到，对于较高的TMD质量，边带处的响应变化很小，但产生的两个峰值分得更开。这提供了更宽的有效调谐范围。在调谐频率处，较高的TMD质量带来了更大的改进。因此，TMD质量的选择取决于需要多少响应改进，以及需要多大的失谐不敏感性。必须权衡高质量带来的正面效应与需要更多布置空间、增加车辆成本和重量的负面效应。  
    
   图9说明了阻尼对TMD性能的影响。阻尼有助于衰减边带响应，但会牺牲在调谐频率处的有效性。对于恒速机器，可能需要使用较小的阻尼。实际上，阻尼通常受到所选弹性体的限制，这些弹性体是从一组具有适合调谐阻尼器特性的有限材料中选择的。TMD的“最佳”阻尼比是TMD质量与等效系统质量之比的函数[1]。  
    
   阻尼性能通常必须与其他考虑因素进行“权衡”，例如耐久性、温度稳定性和制造问题。此外，达到所需调谐频率的能力也会因制造差异和阻尼器在使用中遇到的温度范围而降低。  
5. 必须选择一种实用的弹性体。图10显示了使用一种实用弹性体（40邵氏硬度的EPDM）进行曲线拟合的结果。这种选择必须考虑所需的温度范围以及对极端温度下性能下降的容忍度。请参考表2了解一些选项。
    
   图11显示了TMD在汽车使用中常见的温度范围内工作的效果。请注意，在30华氏度时，弹性体变硬，调谐频率向更高处移动，导致改进量减少到4dB。在120华氏度时，弹性体变软，性能从理想的7.5dB改进下降到5.3dB改进。质量更大的TMD将具有更宽的调谐带宽和更小的性能下降。  
    
6. 实践中另一个设计问题是制造差异。在成百上千个阻尼器的生产中，台架调谐能保持多精确？需要付出大量努力来维持严格的调谐公差。大多数差异来自弹性体成分的微小变化、未固化批料的老化以及制造过程中固化时间和温度的变化。图12说明了对于质量为0.25kg（系统质量的1/20）的TMD，调谐频率存在约±12%的分布。
    
   图13显示了当选择质量为0.1kg（系统质量的1/50）的TMD时的这种效应。请注意，对于较低的TMD质量选择，对调谐更敏感，改进也更少。同时要注意，这种变化可能来自制造、工作温度、激励幅度以及所有这些因素的组合。  
    
   当质量、弹性体类型、工作温度范围和制造差异都得到解决时，才能产生稳健的设计。  
7. 最后，TMD被制造出来并在台架或振动台上进行调谐，并验证其共振频率和阻尼值。在车辆上安装后，应在运行期间测量系统和TMD质量上的响应。有时需要进行调谐调整以优化阻尼器的有效性。注意：很容易证明一个阻尼器不起作用。设计者必须验证任何性能不足不是由于在测量和安装调谐质量阻尼器之间目标系统发生变化等问题造成的。必须验证其功能正常，而不能假设。

结论

• 调谐频率和生产差异
• 阻尼器质量
• 弹性体的阻尼
• 工作温度

参考文献

1. Jones, David, "Viscoelastic Vibration Damping", John Wiley & Sons, Ltd., ISBN 0 471 49248 5, West Sussex, England, 2001.
2. Nashif, A., Jones, D., Henderson, J., "Vibration Damping", John Wiley & Sons, Ltd., ISBN 0 471 867721, New York, New York, USA, 1985.
3. Harris, C.M., Crede, C.E., "Shock and Vibration Handbook", Second Edition, McGraw-Hill Book Company, ISBN 0 07 026799 5, New York, New York, 1976.