动力总成悬置静、动刚度的测试研究
摘要：基于MTS831．10弹性体测试系统对某款车型上的发动机动力总成悬置进行静、动刚度特性的测试，阐述橡胶元件静、动刚度的测试原理，探索和总结影响结果的几个重要因素，为相关的汽车零部件及整车开发提供理论依据。随着现代汽车使用性能要求的不断提高，汽车中使用越来越多的橡胶元件．主要有动力总成悬置、各式各样的衬套、曲轴扭转减振器和排气管吊耳等。其中动力总成悬置系统在整车中的主要作用是支撑、限位、隔震、降噪，文中阐述了对其进行静、动刚度测试的意义，测试原理及影响测试结果的重要因素。汽车动力总成通过悬置安装在汽车底盘或车身上。它主要有以下几个功能：(1)支撑功能。当车辆静止时，主要靠悬置静刚度起支撑动力总成的作用，所以必须确保有足够的静刚度K。(2)减振功能。当车辆行驶时。悬置承受来自发动机与地面的激励．所以要求动力总成悬置在相对应的频率范围内，具有足够低的动刚度∥，以防止将发动机和地面共同产生的振动传导至车身内。影响乘坐舒适性。此外，悬置还应具有防振功能。即为控制共振(不可避免时)的传递率增幅，应有足够高的阻尼。因此。对于动力总成悬置进行静、动刚度测试非常有必要。静刚度K指在一定范围内。其所受压力(或拉力)变化量与其位移变化量的比值。其计算公式为：加载过程中。要求加载速度尽可能慢，一般加载变形速度为0．15 mm／s。静刚度的测定必须在一定位移范围内进行，不同位移范围测定的静刚度是不同的。图1即为静刚度测试过程。其中A、B、C、D和F段并非必选项。而E段为静刚度测试的正式试验阶段，此过程为从试验阶段水平1到试验阶段水平2然后又回到试验阶段水平1，在此期间得到各个点载荷与位移的值。最后画出一载荷与位移关系的曲线。以某一样件为例说明。条件为两终端力值为±3 000 N，测量点为±100 N。得到以下曲线。图2中直线2表示加载时当力分别达到一100和100 N时，连接两点所得的直线；直线3表示卸载时当力分别达到一100和100 N时，连接两点所得的直线：将这两条直线的斜率进行平均即可得到样件的静刚度，即为图2显示的计算所得的静刚度值57．52 N／mm。动刚度K’是指在一定的位移范围内、一定的频率下。其所受的压力(或拉力)变化量与其位移变化量的比值，其计算公式为：动刚度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，频率不同，所测得的动刚度值也不同。图3即为动刚度测试过程，其中J段与K段为动刚度的正式试验阶段，其余皆为可有可无的选项。此过程为样件在受到一定的预载、一定的动态幅值(力／位移)及特定的频率下进行周期性的往复运动．在此期间采集各个载荷峰一峰值与位移蜂一峰值．最后画出动刚度与频率关系的曲线．以某一样件为例说明。条件为预载为0，在频率为5 Hz、幅值为土1 mm。频率为10 Hz、幅值为±0．5 mill。频率为25 Hz、幅值为±0．1 mm。频率为100 Hz、幅值为±0．05 mm这些条件下测试样件的动刚度，结果如图4所示：频率为5 Hz时，动刚度为79．75 N／mm：频率为10 Hz时，动刚度为79．23 N／mm；频率为25 Hz时。动刚度为104．40 N／ram；频率为100 Hz时，动刚度为129．30 N／mm。总的来说。随着频率的上升，动刚度也随之增大。金属件的动、静刚度基本一样。橡胶件则基本不一样，橡胶件静刚度一般为非线性的。即不同载荷下静刚度值不一样，而金属静刚度为线性的。橡胶件动刚度随频率变化。基本上频率越高动刚度越大，低频时变化较大，到高频时趋于稳定；同一频率下，振动幅值越大，动刚度越小。在进行橡胶件静、动刚度的测定过程中，一般有以下几点影响因素：(1)从橡胶配方上考虑，主要因素有：生胶的选用，碳黑的选用和配合量及油的选用。例如，生胶的种类主要分为天然橡胶和合成橡胶。合成橡胶中又有诸多分类如丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁腈橡胶和乙丙橡胶等。如果改变顺丁橡胶的用量。对于静、动刚度并无影响。而如果减少丁苯橡胶的用量，虽然对静刚度无影响，但会降低动刚度；选用粒径小的碳黑可以提高静、动刚度。增大碳黑的配合量也有利于提高静、动刚度：使用芳香烃油比使用环烷烃油的配方有利于提高静、动刚度。(2)各种悬置的结构方式不同，以及进行测定时所选择的方向不同(如轴向或径向)，所得结果也不同。(3)如果样件自身刚度与夹具刚度较为接近时，必须测出夹具刚度，然后再将结果减去夹具刚度以做刚度修正。(4)夹具的影响。夹具做得是否合理．对于测试结果有相当大的影响。加工精度、表面粗糙度等是否达到要求．所设计的夹具结构是否能准确进行力的传导。都对测试结果有影响。如夹具中样件的放置孔过大。造成样件与夹具问有间隙，当进行试验时，由于间隙存在。样件外骨架并没有顶在夹具上，所测得的力将偏小，因此会对结果造成较大影响：还要确保夹具的作用面足够大，以保证将作动缸的作用力传导至整个面上。(5)加载速度、预载、频率、幅值(力／位移)的影响。对于静刚度，要求加载速度越小越好；对于动刚度，频率越高，动刚度越大；幅值越大，动刚度越小：幅值越小时，幅值引起的动刚度变化越大；当幅值逐渐增大时。这种影响将越来越小。预载越大，动刚度越大。图5所示的曲线为某样件在不同预载、相同幅值与频率下。进行动刚度测定的结果，可以看出预载对动刚度测试结果的影响。(6)环境温度。因此。要获得得较为准确的静、动刚度数据结果，必须对诸多因素进行综合考虑。汽车动力总成悬置除了以上提到的支撑、减振和防振功能外．还应保证动力总成在诸如汽车起步、制动和转向等特殊工况下位移值不能超过允许值，即对其进行限位，以防止和其他零部件有干涉现象。因此，在进行计算设计时。要综合考虑静态变形量与动态变形量。当车辆静止时，悬置承受发动机，产生的变形量为静变形；当车辆行驶时，在发动机与地面的激励作用下，在静变形基础上产生来回振动。所产生的变形量为动变形。因此，总的变形量为静变形量与动变形量之和。设计时一般要在此基础上留有足够的余量或者在悬置上采用限位装置来避免干涉。此外。在进行动刚度测试时，要探寻在哪个频率段样品会产生共振。在进行相关结构设计时要避开这些频率段。由此可见。对动力总成悬置进行静、动刚度的测试研究是十分必要。不仅为相关的设计提供理论依据，而且可提前避免许多需要等到实车试验时才能发现的问题。在进行静、动刚度测试时，夹具的设计极为关键。因为夹具对中性是否良好涉及载荷路径是否为一条直线，有无弯曲。也就影响到试验数据的准确性。此外。静、动刚度的影响因素还包括样品的材料与相关配方、加工工艺、样品自身的结构形状以及测试条件、环境温湿度等。所以要获得较为准确的数据必须综合考虑诸多因素，这是由橡胶自身独特的黏弹特性决定的。
