預壓量對橡膠減振器減振效果的影響分析

楊杰 ，李宛駿 ，張祥 ，汪玲 ，張紅

(1. 合肥同智機電控制技術有限公司，安徽 合肥 230088 ；2. 安徽大學物理學院，安徽 合肥 230601)

0 引言

物體或結構系統在其平衡位置附近的往復運動，是普遍存在的一種運動形式。過于劇烈的振動往往帶來危害，比如地震波引起的房屋振動[1]，發動機振動產生的噪音，還有一些設備振動導致的結構失效等，強烈的振動對生產活動、科學研究和日常生活都有嚴重的危害[2]。如果把振動中產生激振力的物體叫做振源體，需要降低其振動強度的物體就稱為減振體，相應的減振措施則歸納為三類：抑制振源強度，隔振和消振[3]。其中，降低路面的不平衡度以減輕車輪受到的激勵，在振源和減振體之間安裝減振器，發動機艙上黏貼高阻尼黏彈性材料分別是三種減振措施的典型例子。顯然，抑制振源強度從理論上是解決減振問題的最佳方法，如果振源強度無法改變，則需要通過隔振措施進行減振。機電產品大部分都通過隔振措施進行減振，即加裝不同類型的減振器[4～7]。

減振器作為一種工業產品，廣泛應用在社會生產、生活的活動中，以降低振動帶來的損壞或不適，如汽車上的減振器，大型風機減振器等。對于輕量級的產品，市面上的大部分減振器產品承重量較大，無法為輕量級產品提供良好的減振效果，而承重適合的減振器多用于精密設備或航天設備等，成本較高。對于這種情況，需要設計與開發新的減振器。并進行試驗驗證。

橡膠減振器是最常見的減振器，通常包含金屬，由橡膠與金屬在制造過程黏貼而成。橡膠減振器基于橡膠的彈性和阻尼實現減振功能，其中的金屬部件主要提供限位和安裝固定螺栓之用[8]，如圖1 所示是常用的橡膠減振器。這類減振器的性能主要取決與膠料的特性和添加劑等。橡膠減振器的減振性能主要表現為動剛度，由于其彈性段為非線性，不同的壓縮量對其動剛度存在顯著的影響[9]。本文通過試驗考察預壓縮量對減振器的減振效果的影響。

圖1 常用橡膠減振器示意圖

1 材料和結構

本文選用邵氏硬度分別43 和51 的天然橡膠，通過模具制造如圖2 所示的橡膠塊。使用兩塊該橡膠配合加工的鋼套和墊片，得到如圖3 所示的組合式橡膠減振器。通過改變鋼套的高度，控制減振器組合后橡膠的預壓量，即當鋼套尺寸小于橡膠的原始高度時，減振器安裝后橡膠即會被壓縮[10]。根據橡膠的硬度，取預壓量分別為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm和2.5 mm，同樣作為試驗的變量，具體如表1 所示。

表1 減振器試驗安裝情況示意圖

圖2 減振器橡膠示意圖

圖3 減振器組合示意圖

振動試驗的設備是振動臺，試樣的安裝情況如圖4 所示，試驗過程中在試驗箱體上端黏貼加速度傳感器，結合振動臺上的加速度傳感器，記錄試驗過程箱體的輸入振動和輸出振動的量級，評價減振器的減振效果。

圖4 減振器試驗安裝情況示意圖

振動輸入量級遵循GJB 150.16A-2009 中的C.3圖譜，如圖5 所示，對水平橫向（箱體短邊方向）、水平縱向（箱體長邊方向）和垂直方向分別進行振動加載，每個軸向振動時間為30 min。同樣的，試驗結果以振動的加速度譜密度作為評價振動量級大小的指標，對試驗結果進行評價。

圖5 振動試驗條件GJB 150.16A-2009 C.3 圖譜示意圖

2 預壓量對減振效果的影響

通過對同一硬度橡膠的減振器在不同預壓量下的振動加速度譜密度進行對比，比較減振效果的差異。其中，代表譜密度的坐標軸為對數形式，因此，譜密度較大的頻率范圍在考慮減振效果時的比重更大。

如圖6～ 圖8 所示，是硬度43 的橡膠對應的減振器（編號1～4）在預壓量分別為0.5 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm 時的振動傳遞情況。由結果可知，減振器對于低頻段（水平橫向振動下低于約200 Hz，水平縱向和垂直方向振動下低于約100 Hz）的減振效果較差，幾乎是放大了振動，而高頻段的減振效果明顯。在水平橫向振動中，預壓量為1.5 mm 時的減振效果最好，隨著預壓量的增加，振動量級先變小后變大，預壓量為0.5 mm 時的減振效果最差；在水平縱向振動中，當預壓量為0.5 mm 時，減振效果最好，隨著預壓量的增加，振動量級先變大后變小，預壓量為1.5 mm 時的減振效果最差；在垂直方向振動中，當預壓量為0.5 mm 時，減振效果最好，隨著預壓量的增加，振動量級先變大后變小，預壓量為1.5 mm 時的減振效果最差。

圖6 水平橫向振動中，硬度43 橡膠在不同預壓量下的減振器減振效果對比示意圖

圖7 水平縱向振動中，硬度43 橡膠在不同預壓量下的減振器減振效果對比示意圖

圖8 垂直方向振動中，硬度43 橡膠在不同預壓量下的減振器減振效果對比示意圖

如圖9～ 圖11 所示，考察硬度51 的橡膠對應的減振器（編號5～8）在預壓量分別為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm 時的振動傳遞情況。由結果可知，減振器對于低頻段（水平橫向振動下低于約200 Hz，水平縱向和垂直方向振動下低于約150 Hz）的減振效果較差，幾乎是放大了振動，而高頻段的減振效果明顯。在水平橫向振動中，隨著預壓量的增加，振動量級先變小后變大，預壓量為1.0 mm 時的減振效果最好，預壓量為0.5 mm 時的減振效果最差；在水平縱向振動中，隨著預壓量的增加，減振效果沒有明顯的規律，當預壓量為1.5 mm 和2.0 mm 時，減振效果幾乎相同，預壓量為0.5 mm 時在頻率低于300 Hz 時的減振效果是最好的；在垂直方向振動中，隨著預壓量的增加，振動量級先變大后變小，當預壓量為0.5 mm時，減振效果明顯好于其他預壓量的情形。

圖9 水平橫向振動中，硬度51 橡膠在不同預壓量下的減振器減振效果對比示意圖

圖10 水平縱向振動中，硬度51 橡膠在不同預壓量下的減振器減振效果對比示意圖

圖11 垂直方向振動中，硬度51 橡膠在不同預壓量下的減振器減振效果對比示意圖

綜合以上結果，當預壓量為0.5 mm 時，減振器的減振效果在水平縱向和垂直方向的振動中均最好，在水平橫向的振動中反而最差。其原因是減振器安裝在箱體上時，箱體自重引起的橡膠壓縮量大于0.5 mm，此時安裝支角和減振器之間存在間隙，當水平橫向振動時，更容易時箱體發生傾斜，相同時間內更大的水平振動幅度引起了更大的加速度。垂直方向振動時，安裝支角和減振器之間的間隙會引起額外的摩擦，也會降低振動的幅值。這個過程可能對橡膠的使用壽命造成不良影響。

3 預壓量對減振器壽命的影響

基于前一節的結果，考慮到預壓量為最大的2.0 mm 或2.5 mm 時，減振效果不存在最差的情況，因此選擇水平縱向和垂直方向的振動中減振效果均最好0.5 mm預壓量和最大預壓量的試驗結果分別進行對比，觀察橡膠材料的完好情況。需要注意的是，同一個試驗通常先進行垂直方向的振動試驗，再進行水平方向的振動試驗，垂直方向振動和水平方向振動時，橡膠的受力方向有所不同。

硬度43 橡膠對應的減振器在預壓量0.5 mm 和2.5 mm 時，振動試驗結束后的橡膠試樣圖如圖12 所示，可看出，預壓量0.5 mm 組的橡膠存在裂痕在深度和長度上明顯大于預壓量2.5 mm 組的橡膠上的裂痕。

圖12 硬度43 橡膠預壓量不同時，振動后的材料損傷情況

硬度51 橡膠對應的減振器在預壓量0.5 mm 和2.0 mm 時，振動試驗結束后的橡膠試樣圖如圖13 所示，可看出，兩種預壓量下，橡膠表面均存在較淺的裂痕，且裂痕均。

圖13 硬度51 橡膠預壓量不同時，振動后的材料損傷情況

4 結論

橡膠具有良好的彈性和適宜的阻尼，常常被用在減振器上。本文分別采用了兩種硬度的橡膠、四種不同的預壓量，共設計八種減振器，并分別安裝與試驗箱體上進行振動試驗，通過箱體上的加速度傳感器計算振動過程中的振動譜密度曲線，對比不同減振器的減振效果。試驗結果顯示，橡膠減振器由于自身的頻率，對于低頻的振動的減振效果較差，甚至放大了振動，對高頻振動具有良好的減振效果。當預壓量為0.5 mm 時，兩種硬度橡膠對應的減振器在水平縱向和垂直方向振動下的減振效果均優于其他預壓量，但此時減振器在安裝后與安裝支腳之間存在間隙，在振動過程中會發生額外的摩擦，其中硬度為43 的橡膠上更容易產生明顯的裂痕，降低了橡膠的使用壽命。當預壓量增加到2.5 mm（橡膠硬度43）或2.0 mm（橡膠硬度51）時，橡膠上的裂痕較淺，其使用壽命更長。

綜上所述，橡膠減振器的使用過程應適當增加預壓量，減振效果的降低并不明顯且減振器的使用壽命將提高，本例中的設計可以根據硬度選擇預壓量為2.0 mm 或2.5 mm。