（车辆工程专业论文）汽车车身用喷涂型阻尼材料的应用研究.pdf

                         江苏大学工程硕士学位论文 摘要 车内噪声与振动直接影响乘坐的舒适性，阻尼减振降噪技术是有 效控制振动和噪声的有效方法之一，有机高分子材料因具有明显的减 振降噪的阻尼性能，在汽车车内噪声的控制上得到较为广泛的应用。 目前应用较多的是沥青阻尼胶片，但该材料在实际应用过程中，常发 生一些质量缺陷，如何消除这些缺陷，采用阻尼效果更佳、性能更好 且环保的阻尼材料，是目前国内外汽车厂商面临的一项重要工作。目 前国际上有采用喷涂型阻尼涂料取代沥青板的趋势。 本文以喷涂型隔声阻尼涂料为研究内容，对其机理、特点、发展 趋势进行了分析，对不同品种的喷涂型防振阻尼材料进行了性能研究， 通过试验选择出阻尼温域宽，性能好的防振阻尼涂料，探讨用喷涂施 工阻尼涂料取代沥青阻尼胶板的可行性，确定了合适的技术指标及施 工性能，根据设计部门提供的共振点进行喷涂试验，并对施工过程及 使用过程中可能出现的问题进行了分析，达到车内降噪、减轻车重及 环保的目的。 关键词：车身，阻尼涂料，喷涂，汽车涂装，噪声控制 江苏大学工程硕士学位论文 A B S T R A C T I n t e r i o rn o i s ea n dv i b r a t i o na f f e c tt h ec o m f o r to fa u t o m o t i v ep a s s e n g e r c o m p a r t m e n t D a m p i n gt e c h n o l o g yi so n e o fe f f e c t i v ew a y st or e d u c ea u t o m o b i l e n o i s e A sd a m p i n gm a t e r i a l s ，p o l y m e r sa r eu s e dw i d e l yt or e d u c ea u t o b o d y i n t e r i o rn o i s e A s p h a l tp a dh a sb e e na l li m p o r t a n td a m p i n gm a t e r i a l ，b u ti th a s s o m ed e f e c t si nt h ea c t u a la p p l i c a t i o n I ti sav e r yi m p o r t a n tw o r kf o ra u t o m o b i l e m a n u f a c t u r e rt oa p p l yd a m p i n gm a t e r i a l sw i t hm o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e A t p r e s e n t i th a st h ei n t e r n a t i o n a lt r e n dt ou s es p r a y a b l ed a m p i n gm a t e r i a l st o r e p l a c et h ea s p h a l tp a d I nt h i sp a p e r ，t h em e c h a n i s m ，c h a r a c t e r i s t i c s ，t r e n d so fs p r a y a b l ed a m p i n g c o a t i n gw e r ea n a l y z e d T h r o u g he x p e r i m e n t ，t h ev i b r a t i o nd a m p i n gc o a t i n gw i t h w i d eu s i n gt e m p e r a t u r er a n g ea n dg o o dp e r f o r m a n c ew a ss e l e c t e d T h ef e a s i b i l i t y o fu s i n gs p r a y a b l ec o a t i n gf o rr e p l a c i n gt h ea s p h a l tp a dW a se x p l o r e d ，a n d a p p r o p r i a t es p e c i f i c a t i o na n ds p r a y i n gp r o c e s sw e r ep r e s e n t e d I na c c o r d a n c e w i t ht h et h er e s o n a n c ep o i n tp r o v i d e db yD e s i g nD e p a r t m e n t ，s p r a y i n gt e s tW a s c a r r i e do u t ，a n ds o m ep r o c e s s i n gp r o b l e m st h a tm i g h to c c u rw e r ea n a l y z e d T h e r e s u l t si n d i c a t e st h a ts e l e c t e ds p r a y a b l ed a m p i n gc o a t i n gc a ns a t i s f yt h ep u r p o s e o fr e d u c i n ga u t o m o b i l ei n t e r i o rs t r u c t u r e - b o r n ev i b r a t i o n sa n da s s o c i a t e ds o u n d t r a n s m i s s i o n ，a u t o - w e i g h ta n dt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n K E Y W O R D S ：A u t o m o b i l eb o d y D a m p i n g m a t e r i a l S p r a y a b l ec o a t i n g A u t o m o b i l ep a i n t i n gN o i s ec o n t r o l I I 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以 将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 学位论文作者签名：指导教师签名： 2 0 0 9 年月 日2 0 0 9 年月日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内 容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 9 年月日 江苏大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及意义 随着现代人们对高质量生活的追求和环保意识的增强，不管是驾驶员还是乘 员，对汽车内噪声都提出了更高的要求，科学研究表明【1 】：人在声强4 0 d B ( A ) 环境 中，睡眠会受到影响；到5 0 d B ( A ) 入睡困难；6 0 d B ( A ) 以上，将影响人们交谈和工 作；超过8 0 d B ( A ) 时，可能损伤听觉细胞，严重时引起耳聋。噪声会引起人体的紧 张反应，引起心率加快，血压升高，引起消化系统方面的疾病，会造成失眠、疲 劳、头晕及记忆力衰退，诱发神经衰弱症。汽车内部噪声不但增加驾乘人员的疲 劳，而且影响车辆行驶安全。 车内噪声的控制一直是各汽车制造商努力的方向，车内噪声水平的高低在很 大程度上反映了车辆制造商的设计和工艺水平。在我国汽车工业发展规划中，已把 改善汽车乘坐舒适性、降低车内噪声作为亟待解决的主要问题之一。近年来，国 际汽车界又制定了一项新标准【2 】，简称为N V t t 标准，即噪音( N o i s e ) 、振动 ( V i b r a t i o n ) 、平稳( H a r s h n e s s ) 三项标准，通俗称为车辆乘坐的“舒适感”。车 内噪声已成为确定车辆品质的重要因素，车内低噪声设计已成为产品开发的重要 任务之一，车内噪声级与乘座室振动级一样，已成为判断汽车舒适性的主要指标。 车内噪声主要取决于乘座室的减振隔振性能。实车测试表明，车内噪声主要为 2 0 - 2 5 0 H z 的低频噪声。车身壁板的振动和噪声有紧密关系，且乘座室空腔的共振 会放大噪声。 为了控制车内噪声，各汽车制造商除采取改进零部件结构、提高零部件加工 精度和装配质量及强化车体强度来降低共振频率等措施主动降低车外噪声，从而 减轻车内噪声外，还纷纷采用吸声、隔声、减振、密封等声学控制材料来降低车 内噪声。目前，在汽车上应用最多的阻尼材料是改性沥青类阻尼材料，它是以沥青 为主要基料，加入助剂混合均匀后，机械加工成薄片状材料。该类材料价格比较 低廉，使用简单方便，尤其对大面积的壳体振动和噪声控制具有明显的效果，同 时还能起到防腐蚀作用。 沥青阻尼胶片在汽车上已使用3 0 多年【3 】，在降低车内噪声方面有一定优势， 江苏大学工程硕士学位论文 但在实际应用过程中，常发生一些质量缺陷。如冬天时易出现发脆断裂、夏天易 出现粘附现象，由于强度差，经常出现断裂或碎裂。有的因脱气不彻底或粘贴( 磁 性) 强度不足，出现起泡或滑落现象。在成型过程中表面粘附的滑石粉等，也成 为车身涂装车间的粉尘源，引起颗粒、缩孔等漆膜缺陷。由于其密度大，铺放范 围大，有的要求整个车底都铺放，不仅增加了车体的重量，同时由于沥青胶板可 能存在的因受热和长期使用老化后分解有害物质损害人体健康的问题，在汽车向 轻量化及环保方向发展的大趋势下，沥青胶板在汽车车身中的应用将会越来越少， 该类产品逐渐向着低密度化及环保化方向发展。近年来，国外已经逐步淘汰沥青 型阻尼胶板，开发使用无沥青的环保型阻尼材料，并针对不同的生产线情况，开 发出塑溶胶喷涂型、热熔融板材型、喷涂型等不同种类的阻尼材料。由于喷涂型 隔声阻尼材料与预成型板材相比具有许多的优点，易于实现机械化操作而在国外 汽车厂得到较多应用。 1 2 车内噪声源分析及控制技术 1 2 1 车内噪声源分析 为了有效地控制汽车噪声，首先必须确定汽车的各类噪声源及其产生的机理。 根据车内噪声产生的不同振动源，噪声源主要有以下几种1 4 】：发动机噪声、 进排气噪声、风扇噪声及底盘噪声等。这些噪声源所辐射的噪声在车身周围空间 形成一个不均匀声场。车外噪声要向车内传播，有两个途径：一是通过车身壁板 上的孔、缝隙直接传入车内；二是车外噪声声波作用于车身壁板，激发壁板振动， 形成振动噪声。这种辐射声场的强度与壁板的隔声能力有关，也就是说它服从质 量定律。车内噪声的发生机理如图1 1 所示。 图1 1车内噪声的发生机理 F i g u r e1 1T h em e c h a n i s mo fa u t o b o d yi n t e r i o r n o i s e 图1 1 中的振动源有两种含义：一是发动机、底盘工作时产生的振动；二是路 2 江苏大学工程硕士学位论文 面激励产生的振动。后者频率较低，对激发噪声影响较小。由于各振动源产生的 振动通过车身各支点激励车身壁板强烈振动，并向车内辐射强烈的噪声，此即所 谓的固体传声。必须指出，由发动机和底盘传给车身的振动，与上述车外噪声源 激发车身壁板的振动，实际上是叠加在一起的，用一般的测试方法很难将它们区 别开来。但它们的传播途径不同，所服从的规律不同，频率特性也不尽相同，所 采取的降噪措施也不同。车身壁板主要由金属和玻璃构成，这些材料都具有很强 的声反射性能。在车门窗都关闭的情况下，上述传入车身内的空气声和壁板振动 辐射的固体声，都会在密闭空间内多次反射，所以车内噪声实际是直达声与混响 声叠加的结果。 车内噪声可用下式描述： l c = 1 4 + ，+ I ， ( 卜1 ) 式中，为车内噪声总声强；I 口为传入车内的声强，1 4 = I f + I d ；I ，为 车外噪声透过乘坐室壁面进入车内的声强；d 为车外噪声通过壁板上的孔、缝隙 直接传入车内的声强，有时还包括仪表板、变速器盖、提升器盖等直接暴露在乘 坐室内的部分所辐射的噪声声强；I s 为发动机和底盘传给乘坐室，引起乘坐室壁 板振动所辐射的噪声声强；，为上述噪声在车内封闭空间中多次反射所形成的混 响声强。 综上所述，发动机、底盘和路面作为振源和声源均可激发出车内噪声，其传 播途径可分为空气传声和固体传声，如图1 2 所示。 图1 2车内噪声的主要来源及传播途径 F i g u r e1 2 T h em a i ns o u r c e sa n dt r a n s m i s s i o n so f a u t o b o d yi n t e r i o rn o i s e 3 江苏大学工程硕士学位论文 1 ) 发动机噪声发动机噪声起源于燃烧过程和与发动机动力学有关的机械 力。燃烧过程造成各缸大的压力变化，产生大动态气体负载和其它机械力，如活 塞的拍击力。这些力与惯性引起的动力相结合，不平衡效果产生作用于发动机结 构的激励，从而产生振动，从发动机的各个表面产生噪声传播。 2 ) 变速器噪声变速器噪声主要是齿轮噪声。当变速器中的主动齿轮和从动 齿轮相互啮合时，会在瞬间突然产生负荷传递，使从动齿轮加速，主动齿轮减速， 导致以齿轮啮合的频率产生噪声。 3 ) 进、排气噪声进气噪声是由流经进气门的空气流周期性地被切断产生的， 这些噪声通过空气滤清器传递并从进气歧管发出。排气噪声是由排气门打开和关 闭时，废气周期性的突然释放引起的。它的大小和特点随发动机类型、气门结构 和正时的差异有相当大的变化。 4 ) 空气动力噪声汽车高速行驶时，汽车冲破空气幕产生的碰撞及摩擦对车 身的激励造成车身高频振动，在车内产生高频噪声。空气动力噪声主要是与稳流 和涡流相关的压力波造成。 5 ) 轮胎噪声由于车轮不平衡引起的震动传至车身引起的振动，产生车内低 频噪声；轮胎与地面的摩擦声通过车底板传到车内，轮胎噪声产生于能量的释放。 其中经由空气传播的噪声主要是发动机表面辐射噪声和空气动力学噪声。固 体振动通过构件传播至车身，引起车身的振动，再由车身板壁振动辐射噪声至车 内，引起车内噪声；空气传播则将各种噪声源所辐射的噪声通过空气由车身的缝 隙或孔洞传播至车内，形成车内噪声。而对于车身而言，本身结构的固有频率、 振型、阻尼等模态参数，对车内噪声的形成有着重要的作用。当外界激励与车身 固有的频率一致时，车身发生共振，可使噪声放大；同时，车身上外界振动输入 点的动刚度对振动能量的输入也有很大影响，在一定程度上影响着车内噪声水平。 空气传播和固体传播的能量比例因车型结构和噪声的不同频率成分而有差别。实 践表明，中低频( 3 卜4 0 0H z ) 车内噪声主要由固体传播这一途径造成，而高频车 内噪声则以空气传播为主。如果能够削弱或消除固体传播，则可使车内噪声大大 降低。 1 - 2 2 车内噪声控制技术 几乎汽车上的所有噪声源都对车内噪声有贡献，而且车身为封闭空腔，受到 江苏大学工程硕士学位论文 振动时会发生空腔共鸣，本身具有放大车内噪声的作用，所以车内噪声的控制是 一项复杂的工作。汽车车身内部的噪声控制方法可分为主动控制与被动控制措施。 1 2 2 1 5 动控制 主动控制是在噪声控制过程中，在噪声源以外，人为加入能量( 次级声源或 次级力源等) 来控制噪声的方法【5 】，即A N C ( A c t i v eN o i s eC o n t r 0 1 ) 。随着微电 子学的发展，人们采用主动控制降噪。主动噪声控制是利用声波干涉原理，采用 次级声源产生一个与原噪声源幅值相同、相位相反的声波，两列声波在空间叠加 达到消声的目的，A N C 技术已经成功应用在管道系统、火车操纵室等领域。这种 控制的实现主要靠自适应滤波器、自适应算法，自适应算法决定了降噪的效果： 另外一种方法是将智能元件嵌入车身结构中，传感器感受车身振动，产生信号并 反馈给电子控制单元( E C U ) ，经相应的控制算法处理后产生相应的控制信号并经 过功率放大后，驱动器使车身结构产生应变改变结构的动态阻尼，实现对振动的 主动控制。主动降噪效果远比传统的方案好得多，而且整车质量减轻、性能更好。 但目前还处于发展阶段，受到技术和经济的限制，距离普及仍有一定的差距。 1 2 2 2 被动控制 车内噪声的被动控制方法是目前最常用的。达到控制车内噪声的途径很多， 但根据噪声产生和传播的机理归纳起来，主要有减弱振动噪声源强度、隔绝振动 噪声传播途径、保护噪声接受者等几方面1 4 ，6 _ 1 1 1 。 1 减弱噪声源辐射强度 对噪声源的控制是最根本、最直接的措施，包括降低噪声的激振力及降低发 动机部位对激振力的响应等，即改造振源和声源。降低车上任何噪声源都对车内 降噪有利，尤其是发动机噪声和底盘噪声。首先，在开发过程中，必须对汽车进 行减振降噪结构设计。目前国外已有用于研究汽车噪声与振动的软件工具，帮助 设计者识别，例如使用A N S Y S 有限元分析软件进行汽车的空腔声学模态分析，得到 声学模态频率和振型，并结合声学实验分析和轿车顶棚、前挡风玻璃有限元模态 分析，进行针对降低车内噪声结构的设计。另外，零部件生产企业也会遇到振动、 噪声问题，设计者考虑的问题也不是单纯零部件本身，而是零部件与零部件之间， 零部件与整车之间的关系。其次，在降噪处理时，减弱声源的途径主要有：对 发动机的噪声控制，除从发动机本身设计考虑，对发声部件采用消声器，对振动 5 江苏大学工程硕士学位论文 部件采用减振器外，对其采取加屏蔽罩处理，可以有效降低发动机噪声辐射，屏 蔽罩一般采用不同厚度的双层板，并在板上进行阻尼和吸声处理；采用或改进 密封元件来消除泄漏气流的间隙，增加密封性能。提高车室密封性是阻止噪声传 入车内的有效方法之一。加强车身地板、顶棚等大面积的钣件的刚度，尽量少 用大面积钣金件；覆盖件采用加强筋增大刚度，防止车身自身振动等。 2 噪声传播途径控制 噪声传播控制，又称无源噪声控制，是控制车内噪声的重要方法。主要技术 途径包括阻尼减振、吸声、隔振、隔声等，这些噪声控制方法的机理是相同的： 通过噪声声波与声学材料或声学结构的相互作用消耗声能，来改善振源和车身的 传递关系，从而达到降噪的目的。 ( 1 ) 阻尼 阻尼是指系统损耗能量的能力。从减振的角度看，就是将高阻尼 材料附着在结构件表面，利用其将机械振动的能量转变成热能或其它可以损耗的 能量，从而达到减振的目的。它是通过特殊的材料及其结构设计使车体外部噪声 入射到车体表面时一部分被反射，另一部分经过车体时被转化成其它形式的能量 或波形而被吸收。为了减少汽车行驶中传入车内的噪声，可以利用具有弹性和阻 尼的材料阻断结构噪声；也可利用涂布阻尼粘胶材料等提高车身壁板的隔声性能， 并减小车身壁板的孔缝数目和尺寸，从而增强车身结构的隔声量，削弱或阻断气 体传声。 振动与噪声的阻尼控制有三种方式：一是通过表面阻尼处理来提高结构阻尼， 抑制共振，改善结构抗振降噪性能。目前在汽车上使用的阻尼材料有：沥青类 阻尼材料；橡胶类阻尼材料；车用阻尼涂料，它是减少振幅、降低噪声和隔 热吸音的功能性涂料，已在汽车上得到了应用；采用新技术的宽温域阻尼材料， 此材料在各种复杂的条件下都能起到减振、降噪、隔音、隔热的作用。二是采用 高阻尼材料制作汽车零部件，目前高阻尼A Z 一历系合金己用于制作汽车发动机 盖的材料。三是通过阻尼隔振技术来防止振动传人车内。 ( 2 ) 吸声在声空间的界面上附加吸声材料，从而空气波入射到这些界面时， 声能量由吸声材料的内损耗而转变成为热能，避免反射而出现的混响作用，从而 减小声空间的声压级，达到控制车内噪声的目的。 吸声处理包括使用吸声材料或吸声结构来吸收声能，从而降低噪声强度。有 6 江苏大学工程硕士学位论文 限空间内的噪声都包括直达声和反射声两部分。在空间布置吸声材料，降低声的 反射量，就能达到降噪的目的。为了评价材料和结构的吸声性能，采用吸声系数 来表示，其定义为： 冒， K = - = 1 一r( 1 - 卜2 ) 一 、7 ，。t 式中，E ；为入射能量；E 。为吸收能量；，为反射系数。 吸声材料与吸声结构一般配合使用，或将吸声材料做成一定形状的吸声结构， 从而达到控制宽频带噪声的目的。 常用的吸声材料都是多孔材料，如矿渣棉、石棉、玻璃棉、毛毡、木丝板等， 这些材料表面富有细孔，孔和孔之间互相连通，并深入到材料内层，声波容易顺 利地透入。当声波进入材料孔隙时，引起孔隙中的空气和材料的细小纤维波动， 由于摩擦的粘滞阻尼作用，声能变为热能而消耗。吸声材料的吸声特性受声波频 率、材料孔隙率、厚度、使用条件( 如温湿度、空气清洁度) 、密度等因素影响。 表1 1 是部分常用材料的吸声系数。 表1 1 部分材料的吸声系数 厚度容量 频率( H z ) 材料名称 ( 锄)( 1 【g m 3 ) 1 0 0 02 0 0 04 0 0 01 2 52 5 05 0 0 石棉 2 50 2 1O 0 6O 0 6O 5 00 4 60 5 20 6 5 工业毛毡 20 3 70 0 7O 2 60 4 20 4 00 5 5 O 5 6 沥青矿棉毡30 2O 0 80 1 80 5 0O 6 80 8 l0 8 9 聚氨酯泡沫塑料 20 0 40 1 1O 1 30 2 70 6 90 9 8O 7 9 聚氯乙烯塑料 0 4 10 2 9O 0 3O 0 20 0 60 2 9O 1 30 1 3 甘蔗板 1 30 2 0 1 20 1 90 2 80 5O 5 90 7 0 泡沫酗穿孔软质 O 2 2 纤维板 1 40 0 3 0 1 1 0 1 8O 4 40 5 5O 5 2 0 4 4 硬聚氯乙烯泡沫 2 50 O lO 0 4O 0 4O 1 70 5 60 2 80 5 8 塑料板 常用的共振吸声结构有薄膜共振吸声结构、穿孔板吸声结构、微穿孔板吸声 结构等。 7 江苏大学工程硕士学位论文 在汽车车身的壁板上使用能减少声反射的吸声材料，可有效降低车身内的混 响作用，从而达到控制车内噪声的目的。吸声材料的布置应靠近目标声源。现代 汽车的内饰材料一般己考虑了吸声要求，乘坐室的吸声处理重点在顶棚。此外， 地板和侧壁也要做吸声处理。 ( 3 ) 隔声隔声方法就是用某种隔声装置将声源与周围环境隔开，使其辐射 的噪声不能直接传播到周围区域，从而达到控制噪声目的。常用措施有隔声材料 和隔声结构，隔声结构一般根据阻尼减振、隔声和吸声等多项要求，在不同部位 适当组合吸声防振材料而构成。应根据所隔噪声的特点、隔声材料、结构性能和 成本来选择。常用基本隔声结构有单层板和双层板两种。 ( 4 ) 隔振噪声是以空气为媒体传递，振动是通过固体传递的，虽然两者传 递途径不同，但都是振动，都可以通过隔离或吸收振动来缓和。隔振是在振源与 受控对象之间加入一个子系统，称为隔振器，用它减少受控对象对振源激励的影 响。在设计与选用隔振器时，要注意确定振动激励的性质、规定振动隔离的性能 指标、选择适合振动控制方法等分析计算振动隔离系统，并依据载荷性质、安装 空间等选择合适的隔振器。汽车车身的隔振处理，主要是在车身与车架的安装支 承点或车身与发动机、传动系各总成的连接处加设橡胶挚或液压悬置机构等弹性 阻尼环节，削弱各振源向车身的振动传递。车身隔振可采用优化支承结构、改善 隔振器性能、改进车身结构动态特性等措施。 通常情况下，综合应用上述几种方法来进行减振、隔振和吸声降噪。 3 保护噪声接受者 这主要是对保护车内驾驶员和乘客而言，常用的方法有使用隔声耳塞、耳罩 和隔声帽盔等。 1 3 本文研究内容 综上所述，从车内噪声的控制情况介绍中可以看出，阻尼减振降噪技术是有 效控制振动和噪声的方法之一，阻尼材料在汽车车内噪声的控制中得到广泛应用 并起到了重要的作用。而喷涂型车用阻尼涂料做为减少振幅、降低噪声和隔热吸 音的一种新型的粘弹性阻尼材料，因其具有制造工艺简单、施工方便、性能优异 等特点得以迅速发展。 本文对喷涂型隔声阻尼涂料的性能进行研究，通过试验确定了合适的技术指 8 江苏大学工程硕士学位论文 标，根据设计部门提供的共振点进行喷涂试验，对使用过程中可能出现的问题进 行了分析，探讨用喷涂施工阻尼涂料取代沥青阻尼胶板的可行性，为后续的使用 做储备。希望能够在材料的应用方面提出自己的一点见解，作一点贡献。 9 江苏大学工程硕士学位论文 第2 章表面阻尼处理减振降噪技术 2 1 表面阻尼处理技术 车内的噪声与振动直接影响乘坐的舒适性，阻尼减振降噪技术是有效控制振 动和噪声的方法之一，阻尼材料在汽车车内噪声的控制中得到广泛应用并起到了 重要的作用，汽车车身表面阻尼处理技术因作用大，成本低及开发周期短而越来 越受到各汽车制造商的重视。无论是在基础理论方面，还是在新材料的研制以及 应用方面都已成为一个独立的科学分支，在解决车内振动和噪声问题方面有着其 他减振技术不可替代的功效【1 2 】。 阻尼是指系统损耗能量的能力。从减振的角度看，就是将机械振动的能量转 变成热能或其它可以损耗的能量，从而达到减振的目的。阻尼技术就是充分运用 阻尼耗能的一般规律，从材料、工艺、设计等各项技术问题上发挥阻尼在减振方 面的潜力，以提高机械结构的抗振性、降低机械产品的振动、增强机械与机械系 统的动态稳定性。 汽车表面阻尼减振降噪技术，就是将阻尼材料附着在汽车结构件表面，通过 耗散结构件的能量达到减振目的。这种方法不改变机器的声辐射特征，却能有效 控制其振动水平，从而使噪声减小。结构件振动噪声的大小与其自身结构、阻尼 材料的阻尼特性密切相关，在同样外界激励的情况下，材料的阻尼越大，结构振 动越弱、噪声越低。汽车减振降噪技术是随着阻尼材料的发展而发展的。 2 1 1 表面阻尼处理结构 尽管所有材料都呈现一定量的阻尼，然而钢材因内部阻尼非常小，从而成为 传递振动和噪声的良好介质，几乎不具备降低振动和噪声的能力，以致于它们的 共振性能使其成为了有效的声辐射器。但因钢材强度高，常作为结构材料使用， 而高分子阻尼材料由于本身的化学结构特性，使得它们具有较高的阻尼性能，具 备很强的降低振动和噪声的能力，是最主要的减振降噪材料之一，但这类阻尼材 料的强度较低，不能单独作为结构材料使用。因此人们就把这些高阻尼低强度的 阻尼材料粘贴在高强度低阻尼的钢材等金属材料上，形成复合阻尼结构，使复合 后的结构阻尼材料既具有钢材的高强度又具有阻尼材料的高减振降噪性能，起到 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 控制振动的作用。 阻尼减振技术是通过阻尼结构得以实施的，而阻尼结构又是各种阻尼基本结 构与实际工程结构相结合而组成的。在阻尼涂料的实际应用中，应首先确定最佳 涂层结构才能获得最佳阻尼效果。汽车的壳体都是由金属薄板材料制成，这些薄 板受激振动时，往往振动辐射噪声成为机器主要噪声源，汽车和发动机运行时产 生的机械噪声也是由于其各部件的振动及其相互作用产生的。为有效降低或控制 这类噪声，最好的方法就是采用表面阻尼处理减小振动。阻尼减振降噪的方法是 在发生振动的金属薄板上涂贴阻尼材料，通过抑制其振动降低噪声。其材料主要 为有机高分子材料，与金属板的结合方式有两种：一种是自由阻尼层，另一种是 约束阻尼层 L 1 3 , 1 4 ，如图2 1 所示。 髻一阻尼层髦琵一阻尼层I I 圈冒 a ) 单面自由阻尼层 b ) 双面自由阻尼层 ， 缀缀缓 约束层 c ) 约束阻尼层 图2 1阻尼层形式 F i g u r e2 1T h et y p e so fd a m p i n gs t r u c t u r e 自由阻尼结构是将一层粘弹性阻尼材料直接粘贴或涂覆在需要减振降噪的金 属板一面或两面，当板振动弯曲时，板和阻尼层都允许有自由压缩和延伸的变形， 从而使一部分机械能损耗的结构。根据阻尼材料的耗能机理，当阻尼材料内部产 生交变应力时，阻尼材料就会将有序的机械能转化为无序的热能，起到耗能的作 用。其损耗因子取决于选用的阻尼材料，和阻尼材料的厚度与金属板厚度之比也 有关。这种比值一般取2 - - - 4 为宜。比值过小，收不到应有的阻尼效果；比值过大， 阻尼效果增加不显著，会造成材料浪费。 所谓约束阻尼结构，是将粘弹性阻尼材料粘合在本体金属板和刚度较大的约 束层( 通常是金属板) 之间，当结构弯曲变形时，本体金属板与约束层产生相对 滑移运动，粘弹性阻尼材料产生剪切应变使一部分机械能损耗的结构。受弹性约 束的阻尼层被称为约束阻尼层。由于阻尼层与基本结构接触的表面所产生的拉延 变形不同于约束层接触表面的拉延变形，从而在阻尼材料内部产生剪切变形，达 江苏大学工程硕士学位论文 到耗能的作用。通常选用的约束层弹性远大于阻尼层的弹性模量，j # 厚度可与奉 体金属相同，也可为本体金属的1 2 1 4 。阻尼材料的厚度是本体板厚度的2 倍五 右。 2 1 2 汽乍用表面阻尼处理材料现状及趋势 常用阻尼材料是高分子阻尼材料，它足利用高聚物的粘弹忖! ( 即在玻璃化转 变区域内，由分子链运动产生的内摩擦) 将外场作用( 机械振动和卢振动) 的能 量转变为热能耗散掉，从而达到减振降噪的目的。主要仃丛料、填料、增塑剂、 溶剂等组成，根据基料的种类宵浙青型、聚氯己烯型、环氧树腊型、聚氨酯型、 丙烯酸型、橡胶型等；从产乩结构形式上分肯片状型材、涂料型等。 l 、片状型材 汽车用片状型材上要有丙烯酸类型、沥青型等。由于沥菏基隔声防振阻尼胶 板具有鞍好的减振隔声效果且成本较低，被围内外备汽车制造商广泛应用【犁5 J “。 它以沥青为主要成分，J u 以橡胶改性树脂、增强材料、填料等组成，是一种热融 型材料。为r 增强隔声防振效粜，也有采用一层型阻尼胶片的，其一层是普通型 沥青胶片，层是在层上再贴一层树脂材料，它进步吸收第一层阻振层未吸 收的振动，故两瑶型阻尼效果好。沥占型隔声防振阻尼胶板有热熔融型、粘贴型 和磁性型：种基奉类型，厚度在13 m m ，币掣汽车用一般d ：2 3 哪。热熔融型主要 用于车身底板内表面，此种板材熔点低加热后流动性好，能流遍整个汽车底部 等构件，在汽车烘漆加热时并进于：= 加热：粘贴型是在板材的表面涂L 层自粘 性压敏胶，并覆盖隔离纸；磁性型在扳材的配方中填充大茸的磁粉，经充磁机允 磁后具有磁性，可与金属壳体贴合。粘贴型和磁性掣一般用在车门部位，主要用 r 车门内板、侧围、车顶等部位。图22 为币形式的沥青型阻尼垫应用情况。 嬲 a )热熔融型 ? 敷 _ 漆 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 ) 粘贴型和磁忡型 C ) 沥菏刊阻恺船 刚22 小H 形式的洳菏型阻尼弗府用情况 F i g u r e 2 2T h ea p p l i c a t i o n so f d i f f e r e n ta s p h a l t p a d s 山_ 沥 字胶扳；制作筒竹，I 艺成熟【J 前嘣内牛J 6 厂家众多，打的汽乍“ 垒f j 己乍，“。胶扳根抓所贴i = I 位坝制成l 0 3 的温域为一5 7 - - - 9 0 " ( 2 ， t a n 万> 0 5 的温域为- 3 6 , - - , 5 4 。C ，其有效阻尼温域较单层材料的明显变宽。 研制和开发综合性能优异的环保型阻尼涂料已成为研究热点。I P N 技术、智 能材料、环境材料技术的出现给阻尼涂料的研制提供了广阔的前景。有关高聚物 阻尼材料阻尼机理方面研究的深入开展，为新阻尼材料的研制工作上升到分子设 1 7 江苏大学工程硕士学位论文 计水平奠定了基础【3 1 】。高聚物阻尼涂料作为一类功能材料，将会向着高性能、精 细化、环保化的方向发展。 1 8 江苏大学工程硕士学位论文 第3 章喷涂型阻尼涂料 3 1 阻尼涂料的阻尼机理 3 1 - 1 阻尼涂料的定义及作用 阻尼涂料由高分子树脂加入适量的填料以及辅助材料配制而成，是一种涂覆 在各种金属板状结构表面上，具有减振、隔声、绝热和一定密封性能的特种涂料。 主要涂布处于振动条件下的大面积薄板状壳体上，如汽车、火车、飞机的壳体等。 这些装置的发动机和传动部分往往直接或间接和壳体相连，其强烈的振动也将直 接或间接地传给壳体而引起壳体的振动，一旦其振动频率与壳体的固有频率相同， 则会引起壳体的共振。壳体共振会产生两种后果：一是壳体材料产生张力，引起 材料疲劳，使材料强度降低，甚至过早断裂；二是壳体的强烈振动成为噪音的二 次振动源( 发动机及传动系统是噪声的一次振源) ，使周围空间产生“噪音污染”。 若在这种振动的壳体上涂上一层阻尼涂料，就能起到减振降噪的作用。由于涂料 可直接喷涂在结构表面上，故施工方便，尤其对结构复杂的表面，更体现出它的 优越性。 阻尼涂料由特定功能的高分子材料和填料组成。这是由于高分子材料具有明 显粘弹性，它能将振动能的一部分吸收，再以“热”的形式释放出来，即发生所 谓力学损耗，也即产生减振降噪的阻尼性能。因而阻尼涂料的阻尼性能实质上就 是高聚物在特定条件下的力学损耗。 3 1 2 阻尼涂料的阻尼作用原理 1 、阻尼的含义 某振动物体在产生高的共振振幅前，先将振动能的一部分消耗在自身中，以 达到减小振幅值、降低振动能之目的，这就是阻尼。 根据弹性理论，一个物体在应力场中发生变形时，其弹性能做为内能的形式 而储存于该物体中。实验指出，所有物体在形变过程中，总有一部分弹性能被消 耗为不可逆的热能，此现象称为“力学损耗。例如，一条自由振动的钢条，即使 在“孤立" 条件下( 在真空中无任何阻力) ，其振幅值也会随时间而衰减，最后变 为零；一条自由振动的高分子材料( 如橡胶条) 振幅的衰减速度要比钢条快得多， 1 9 江苏大学工程硕士学位论文 也即高分子材料比钢条的力学损耗大得多。这就是为什么汽车壳体的内表面、机 器盖内壁要涂一层由高分子材料构成的阻尼涂料，用来减振的理由所在。 力学损耗可用不同的方法定义。从基本概念出发力学损耗为： A E E ( 3 卜1 ) 式中，E 为固体在变形过程中储存的总弹性能；A E 为在形变过程中的能量 损耗；A E E 称为损耗比，是物体阻尼性能的量度，物体的A E E 值小，则阻尼性 能差；A E E 值大，则阻尼性能好【3 2 】。 2 、聚合物的阻尼作用原理 ( 1 ) 聚合物的力学松弛。聚合物在外力作用下产生的形变与温度及外力作用 时间有密切关系。对于一个理想的弹性体，受力后形变在瞬时就能达到平衡，与 时间无关；对于一个理想粘流体，受力后形变与时间成线形关系。高分子材料受 力后形变与时问的关系，介于理想粘流体与理想弹性体之间，故高聚物又称为粘 弹性材料，或称“粘弹体" 。 粘弹性是高分子材料的一个重要特性，聚合物的粘弹性表现在力学性质上为 力学松弛现象。聚合物由于受外力作用的情况不同，可产生许多类型的力学松弛 现象，最基本的有三种：蠕变、应力松弛及滞后现象。 蠕变是指聚合物在较小的恒外力作用下，其应变( 即变形) 随时间逐渐增大 的现象。应力松弛是指聚合物在形变保持不变时，其内应力随时间而衰减的现象。 滞后是指聚合物在外力作用下其应变落后于外力的现象，聚合物的滞后现象与其 阻尼性能直接有关。 ( 2 ) 力学损耗与阻尼性能聚合物在交变应力下发生交变形变。在没有滞后 现象时，形变每循环一次，对聚合物所作的功等于它释放的功，没有功的消耗。 如果有滞后现象，则每循环一次就要消耗功，这种力学损耗统称为内耗。高分子 材料在受到交变力场的作用下发生的位移滞后现象，产生的力学损耗是其产生阻 尼作用的根本原因。由滞后产生的内耗可用从聚合物材料的拉伸和回缩的应力一应 变曲线加以说明，图3 1 为聚合物的滞后现象示意图。我们将应变落后与应力的 相角差万称为力学损耗角，常用力学损耗角正切t a n 万来表示内耗的大小。力学损 耗与阻尼性能关系非常密切，作为阻尼材料则希望聚合物的内耗愈大愈好。t a n 万 和模量的关系如下： 江苏大学工程硕士学位论文 E 宰= E t + i E " t a n6 = E H E 、 ( 3 1 - 2 ) ( 3 1 - 3 ) 式中：E 木为复数模量，E 为实数模量，又称储能模量，表示应力作用下能量在试 样中的储存；E ”为虚数模量，表示能量的损耗，称为损耗模量。 当振动或噪音由基体传递到高分子材料时，机械振动被转化为大分子或链段 的运动，通过分子间的内摩擦把力学能转化为热能，起到阻尼作用。一般在玻璃 化转变温度取附近，链段能充分运动，但形变又跟不上外加交变力场的变化，所 以滞后现象严重，阻尼效果好，在玻璃化转变区内出现一个内耗的极大值。玻璃 化转变温域愈大、温域值与环境愈符合，其阻尼效果愈好。 口 D 图3 1 聚合物的滞后现象 F i g u r e3 1T h el a go fp o l y m e r s ( 3 ) 阻尼性能( 力学损耗) 与聚合物分子运动 在宽广的温度范围内测定线形非晶态聚合物的力学损耗因子，可发现有许多 损耗峰，分别称为口、Y 峰，如图3 2 所示。每一个峰都反映了聚合物 长链分子的某种运动，故他们所对应的过程分别称为口、Y 等过程，也 可称口、Y 转变。 对于口、Y 转变，聚合物处在玻璃态，这些转变反映的分子运动为“主链上 小链段的局部运动" ，还包括侧链运动、长支链或大侧基运动。这些转变过程的活 化能较低，只有4 1 8 1 0 0 3 K J m o l ，力学损耗峰值也较低，对阻尼贡献很小。 2 1 江苏大学工程硕士学位论文 口 ： ： Y ：9 州 i ： ： i ： ： ： l ： - 图3 2 聚合物的多重转变模式 F i g u r e3 2T h em u l t i - t r a n s f o r m a t i o n so fp o l y m e r 对于口转变( 即o r 过程) ，聚合物处在玻璃转化区，所反映的分子运动是“主 链大链段的微布朗运动，大链段包括5 0 1 0 0 个C 弋键。这一转变只发生于非晶 态。这个过程活化能很高，可达1 6 7 2 - 5 0 1 6 K J m o l ，力学损耗峰值很高，对阻尼 性能贡献很大。图3 3 为不同温度下高聚物的阻尼性能示意图。 7 _ 田仁 邛 职 多跳蝮 _ < 土 ) 、L 坚里材料 阻尼性能低K。 砑 软质材科沁 阴最t 峰自 差： 乏乡 心 j 。Z U。1 001 U2 03 0D5 口5 0 使用温度厂c 图3 3 不同温度下高聚物的阻尼性能示意图 F i g u r e3 3 T h e d a m p i n gp e r f o r m a n c e o fp o l y m e ra tt h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 聚合物阻尼机理与分子链松弛过程和分子链相对滑动紧密相关，尤其是在玻 璃化转变附近，机械能转化为热能而耗散时更是如此。当温度和频率改变时，耗 散模量E " 和耗散正切即t a n 万呈峰形，此时阻尼达到最大值 3 3 1 。阻尼大小主要 受玻璃化转变温度范围及第二级松弛转变温度范围的影响，温区越宽，阻尼值越 大，因为口、松弛分别来自于聚合物主链和侧链基团的运动，对那些同时呈现口、 松弛的聚合物，口过程要受过程的影响。例如侧链长度增加，由于空间体积 效应，减少主链运动阻碍，侧基的旋转运动促使内增塑效应，这都影响阻尼行为。 巾囡霉暇 晒 吆 盯 嘣 。 霄十匝壤野 江苏大学工程硕士学位论文 3 2 阻尼涂料的组成 阻尼涂料主要是由基料树脂、填料、颜料及助剂等( 分散剂、固化剂、增塑 剂、消泡剂等) 组成。 3 2 1 树脂基料 阻尼涂料通常使用的树脂有聚氯乙烯树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、丙烯酸 树脂、乙酸乙烯酯树脂等，对于逐渐发展的水性阻尼涂料，采用混合树脂乳液作 为涂料基料，通常使用的树脂乳液有丙烯酸乳液、丙烯酸一苯乙烯乳液、丙烯酸一 丁二烯乳液、环氧树脂乳液、醋酸乙烯酯乳液、乙烯一乙酸乙烯酯乳液、丁二烯 苯乙烯乳液、聚氨酯乳液、苯酚乳液、聚酯乳液、合成橡胶胶乳等。 3 2 2 填料 填料是构成阻尼涂料的重要组成部分，对涂料阻尼性能的影响有重要意义。 一方面填料占据了高分子链段堆砌的空间，会降低低温区的阻尼值；另一方面， 在玻璃化转变区，填料与聚合物及填料之间的摩擦作用随分子运动而加剧，从而 提高阻尼值。此外，填料还有补强、降低成本的作用。 阻尼涂料通常使用的填料是无机填料，但也有人用废橡胶粉术填充得到性能 较好的阻尼材料。通常使用的填料有：碳酸钙、二氧化硅、氧化铝、粘土、高岭 土、滑石粉、云母、硅藻土、玻璃粉或者玻璃纤维、氢氧化铝、珍珠粉、硫酸钡、 碳酸镁、磷酸钙、石棉、钙硅石、石墨等。无机填料对高分子聚合物的填充作用 主要表现是p 4 】：它能够使高聚物的玻璃化转变温度上升，阻尼峰半宽增加，通过 粘弹减振机理来达到吸声性能是利用阻尼材料在变形时把动能变为热能的原理降 低材料结构的共振振幅，增加疲劳寿命和降低结构噪声。 为适应阻尼涂料在汽车应用上的轻量化问题，使用低相对密度的填料来部分 取代碳酸钙，使阻尼涂料的相对密度由1 4 1 5 降低到1 2 以下。一台车身使用 5 1 0 蚝阻尼涂料，采用低密度材料后可减轻重量1 2k g 。轻量填料包括增加材 料容积的中空填料如玻璃微珠、陶瓷微珠、塑料球、发泡剂等。 3 3 阻尼涂料的常规性能评价 阻尼涂料的常规性能评价包括涂料物性、涂装施工性能、涂层常规性能评价 三个方面。一个好的阻尼涂料配方，不但在结构阻尼构成之后要有好的阻尼特性 及长的使用寿命，而且涂料本身在成膜前应有很好的稳定性，涂布时具有优良的 江苏大学工程硕士学位论文 施工性能。优良的涂料是获得高质量涂层的基础，但涂料在生产、储运过程中， 由于种种原因，其性能可能会发生变化，影响到成膜后的性能，同时涂料的施工 性能差也不会得到外观、性能具佳的涂膜。涂层性能是我们最终目的，是涂料性 能、涂装施工质量、涂装管理水平的综合反映，是判定涂层是否达到预期性能的 手段之一。涂料质量、涂装施工、涂装管理是获得高质量涂层的三要素，三者相 辅相成，缺一不可【3 5 l 。对阻尼涂料国内外都没有统一的汽车用阻尼涂料标准，但 各汽车生产商针对自己公司车型的实际情况制订了企业的内部标准，但很不一致， 有的从液态涂料、施工直至成膜后的性能都进行了控制，涵盖的内容比较齐全， 也即为材料标准，有的单纯控制成膜后的性能。经比较，阻尼涂料性能评价主要 包括以下内容： 3 3 1 阻尼涂料物性评价 涂料物性从某一方面较直观地反映了涂料产品的质量，其评价指标主要有涂 料的外观、固体含量，灰分、储存稳定性等。 1 ) 外观：控制涂料外观的目的，是为了检查涂料的均匀性、防止涂料中混有 异物、变质等，避免在施工时出现堵管路、枪等，同时也可观察涂料的储存稳定 性。 2 ) 固体含量：又称不挥发物含量，是指涂料中实际成膜的那一部分的数量， 通常用试样在一定温度下加热一定时间，以加热后试样与加热前试样质量的百分 比值表示。固体含量的多少，体现了阻尼涂料中的有效成分，意味着在相同的价 格下，固体含量越高，采购成本越低，直接影响质量价格比，同时在使用中影响 涂料的粘度、涂层厚度等，是一个非常重要的指标。 3 ) 灰分：即阻尼涂料中无机填料的含量及其化学性质，是指涂料在一定高温 下灼烧完全后的剩余物所占的百分比。 4 ) 储存稳定性：是指在一定条件下，阻尼涂料仍能保持其操作性能和规定强 度的存放时间。要求阻尼涂料有一定的储存期限，在规定的期限内不能出现增稠、 结块、变质等。 3 3 2 阻尼涂料施工性能评价 阻尼涂料施工性能评价指标主要有粘度、触变性、流动极限、固化性能等。 1 ) 粘度：有的也订为稠度，是施工的主要技术指标，喷涂型阻尼涂料一般采 江苏大学工程硕士学位论文 用高压无气喷涂机直接进行施工，不象一般涂料还要加入稀释剂，因此要求其有 适宜的粘度，粘度太高，使输送、雾化都变得困难，造成能源的浪费及设备的损 坏；粘度太低，容易造成流淌。 2 ) 触变性：喷涂型阻尼涂料般为非牛顿流体，具有剪切变稀的特性，而其 采用高压无气喷涂机施工时，在管路中、喷嘴处都会受到很大的剪切力，使粘度 变稀，易于输送和雾化，但喷涂到工件上后，又要求其粘度迅速增大，避免出现 流挂现象。 3 ) 流动极限：阻尼涂料喷涂施工时，一定厚度的垂直面出现流淌的最大距离。 4 ) 固化条件：是指在一定温度条件下，一定厚度的涂层从液态达到规定干燥 状态的时间。由于受涂料材料的限制，往往要求有一定的固化温度及时间，才能 保证成膜后的质量。固化条件是研究阻尼涂料固化性能的重要数据，也是检验其 成品性能的一个重要依据。过长的干燥时间不但宜使涂层受污染，并且占用生产 场地，拖长施工周期，降低生产效率；过高的固化温度浪费能源，加大设备的投 资费用。适宜的固化条件不但能保证生产及质量，而且降低投资费用。 3 3 3 阻尼涂层常规性能评价 阻尼涂层常规性能评价是判断涂料成膜后是否达到预期使用性能的手段之 一，评价指标较多，包含了涂层的常规物理性能、耐各种液体介质、耐各种环境 性能。常规物理性能主要包括涂膜外观、膜厚、硬度、附着力、冲击强度、抗石 击性、柔韧性；耐液体介质主要包括耐水、耐酸、碱性能；耐环境性能主要包括 耐温变性、耐热性、耐老化、耐盐雾、耐湿热等。其中任何一项不合格都会影响 到阻尼涂层的使用性能，甚至使其作用丧失。 1 ) 涂膜外观：是判断施工质量的一个方面，涂层目视应连续均匀，无流挂。 2 ) 膜厚：膜厚是阻尼涂料施工中需要控制的一项重要指标，厚度控制的是否 合理，将直接影响到涂膜的外观质量及其它性能，特别是阻尼性能。合适的厚度 不但能保证涂层的各项性能，而且可以节省材料，提高效率。 3 ) 硬度：是表示涂层机械强度的重要性能之一，其物理意义可理解为涂层被 另一种更硬的物体穿入时所表现的阻力。反映了涂料的固化程度。 4 ) 附着力：是指涂膜与被涂物面之间( 通过化学和物理作用) 牢固结合的坚 牢程度，被涂物面可以是裸露底材，也可以是涂漆底材。良好的附着力对实现涂 江苏大学工程硕士学位论文 层的功能是至关重要的，一种涂料产品的其它性能无论多么优异，但如果与被涂 物面的结合力太差而过早脱落，也就谈不上有什么效果了。 5 ) 冲击强度：是指涂膜在在高速冲击负荷作用下达到破坏时所需要的冲击力。 冲击强度可反映阻尼材料承受动载荷的能力，与其附着力、