汽车车身噪声及振动控制方案

1.车身阻尼的分类

车身阻尼有四类：黏弹性阻尼材料和结构、高阻尼合金结构、复合阻尼材料、智能阻尼材料和结构。

（1）黏弹性阻尼材料。

黏弹性材料是一种同时具有黏性液体和弹性固体特性的高分子聚合物材料。“黏”是指在外力的作用下，这种材料能够消耗能量；“弹”是指在运动过程中具备存储能量的特征。也就是在运动过程中，一部分能量被转化成热能或者其他形式的能量而消耗掉，而另一部分能量以势能的形式被存储起来。黏弹性材料的阻尼损耗因子是随温度、振幅和频率而变化的。黏弹性材料与基础板之间可以组合成不同的结构形式，以使组合结构同时具有良好的阻尼和弹性。

（2）阻尼合金

阻尼合金是特殊的金属材料，在应力和应变的交替作用下，由于磁弹效应和晶界效应等使能量损耗，一般金属的损耗因子非常小，几乎没有阻尼作用，而阻尼合金的损耗因子比较大，具有良好的阻尼性能。

（3）复合阻尼材料

复合阻尼材料是在固体基体材料中添加一些特别的材料来提升其阻尼。基体材料有聚合物基体材料和金属基体材料。在聚合物基体中改变纤维结构，在金属基体中添加一些颗粒，从而使得这些基体同时具有较高的强度和阻尼。

（4）智能阻尼材料和结构

智能阻尼材料或结构是利用材料本身性能随外界环境变化而变化的特征，来实现自身的大阻尼。仅仅是外界环境变化（如振动变化）而使材料或系统的阻尼变化，这就形成了半主动控制。具有代表性的半主动阻尼是压电阻尼材料。在高分子材料中加入压电粒子这类导电材料，当受到振动时，压电材料中的压电颗粒将振动能转换成电能，然后导电粒子将电能转换成热能而耗散掉，从而抑制结构的振动和噪声辐射。

需要通过控制手段施加到材料或者结构上来改变阻尼特征，就形成了主动控制。图3-50所示的是一个约束阻尼结构，但是与传统约束结构不同的是中间的材料不是黏弹性材料，而是特殊的液体。液体有极微小的极性粒子与绝缘介质，在外加电场的作用下，物体的状态发生很大变化，可以从液体到固体，损耗因子可以超过10，提供巨大的阻尼。

图3-50 主动阻尼

因为需要外界输入能量（电场），因此所产生的阻尼是主动阻尼。

汽车上使用的智能阻尼材料主要有电流变流体和磁流变流体。电流变流体是在液体中添加了微小的极性粒子和绝缘介质。当给液体施加电场时，悬浮液体的物理状态发展急剧变化，损耗因子急剧提升，从而达到抑制振动的作用。磁流变流体是在液体中添加颗粒，在外界磁场的作用下，流体的性能随磁场而变化，使损耗因子增加。

2.黏弹性阻尼材料的种类

黏弹性阻尼材料主要有三类：沥青类阻尼材料、橡胶类阻尼材料和水基阻尼材料。阻尼材料由三部分组成：基体材料、填充材料和添加剂。这三大类阻尼材料是根据基体材料的不同而划分的。沥青类阻尼材料的基体材料是沥青，橡胶类阻尼材料的基体材料是橡胶，水基阻尼材料的基体材料是树脂。

沥青类阻尼材料是以沥青为基材，加入石墨、锯末、石蜡、甲苯等有机和无机填料混合而成。沥青本身有一定的阻性。石墨能提高材料的导热性能，可以避免因为过热而使材料老化，避免因为阳光照射而降解，而且可以提高材料的刚度，加宽损耗因子的峰值。锯末轻，可以使材料的密度降低，减轻重量。

橡胶类阻尼材料是以橡胶为基体，加入云母粉、炭黑、石墨等而形成的材料。橡胶主要有丁基橡胶、氯化丁基橡胶、丁腈橡胶等。橡胶阻尼有良好的耐水、耐油和粘接性能。橡胶分为天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶主要来自三叶橡胶树，将树皮割开，流出白色的胶乳。合成橡胶是人工合成的高弹性聚合物。天然橡胶的性能比合成橡胶好，但是成本高。汽车上使用橡胶阻尼材料多半是合成橡胶。

水基阻尼是以树脂为基材，添加云母片、碳酸钙、石墨等填充材料。在添加填充材料之前，将水与树脂混合形成水溶性树脂液。水起着溶剂的作用，因此这种阻尼材料被称为“水基”阻尼材料。云母是主要添加材料，它的片层结构会增加聚合物的剪切变形，因此云母能提高材料的阻尼性能。

沥青主要来自石油的副产品。合成橡胶是以石油化工产品中提炼出的不饱和烃作为原料，然后经过复杂的化学反应而形成的材料。受热时，沥青和橡胶都会挥发出一些对人体和环境有害的物质。冬天，这些材料弹性降低，变硬，减振作用降低。

树脂是从天然高聚合物中获取的。水基阻尼材料无味、无毒、没有有机溶剂挥发，因此它对环境没有污染，对人体无害。水基材料是一种安全、可靠的阻尼材料，应用范围正在逐步扩大。因此，汽车阻尼材料发展的趋势是逐步使用环保的水基阻尼材料。

3.阻尼材料的形态种类(www.xing528.com)

阻尼材料的使用形态主要有片状型阻尼和喷涂型阻尼。在片状阻尼形态中，按照与车身连接方式的不同又分成三类：热熔类片状阻尼、磁吸类片状阻尼和粘贴类片状阻尼。图3-51为阻尼使用形式的分类。

图3-51 阻尼使用形式

（1）热熔类片状阻尼

常温下，这种阻尼材料呈现固体片状。将它放置到钢板上，经过高温烘烤，阻尼材料熔化，冷却后，阻尼材料牢固地粘在钢板上。由于这种阻尼材料需要经过高温烘烤才能与金属板结合在一起，因此将它称为热熔型片状阻尼材料。热熔型片状阻尼材料主要应用在车身地板上。将阻尼材料放置在地板上，当车身经过涂装线烘烤时，阻尼材料和车身结合在一起。

（2）磁性类片状阻尼

在黏弹性材料中添加一些磁粉，使其具有一定的磁性，便形成了磁性阻尼材料。片状的磁性阻尼结构被吸附在钢板上，但是它们之间的结合力并不强。与热熔类片状阻尼类似，当磁性片状阻尼材料通过涂装线烘烤后熔化，冷却后牢固地与钢板贴合在一起。这类材料通常用在门板、侧围、顶棚、轮毂包等地方。由于这些部位有垂直的、有倾斜的、有带弧面的，只有磁性材料才能附着在钢板上。

（3）粘贴类片状阻尼

这类阻尼材料的表面有一层压敏胶（热熔胶），并覆盖一张保护纸。使用的时候，将保护纸撕掉，把阻尼材料直接贴在车身板上即可。粘贴片状阻尼材料可以用到车身的各种金属板上，也可以用在非金属板上（如空滤器表面）。由于使用方便，粘贴类片状阻尼材料在汽车开发过程中得到了广泛应用。

（4）喷涂型阻尼

与片状阻尼材料呈现的固体形状不一样，喷涂类阻尼材料呈现液体形态。通过喷射或者涂刷将阻尼材料与车身板结合在一起。这类阻尼材料应用在轮毂包外侧、地板外侧等地方。

4.阻尼板结构的种类

阻尼材料与车身板或基板的贴合方式有两种：一种是阻尼材料自由地粘贴在基板（如钢板）上，如图3-52所示；另一种是阻尼材料夹在两片板之间，如图3-53所示。根据贴合方式的不同，可将阻尼板结构分为自由阻尼结构和约束阻尼结构。

图3-52 自由阻尼结构

图3-53 约束阻尼结构

图3-52所示的自由阻尼结构由基板和阻尼层组成。将阻尼材料粘贴或者喷涂在基板表面，阻尼材料没有受到任何约束，这样的阻尼层被称为自由阻尼层。图3-52a中只在一个表面有阻尼层，它是单面阻尼结构，而在图3-52b中两个表面都有阻尼层，它是双面阻尼结构。当板弯曲振动时，由于钢板和阻尼都会产生自由的压缩和拉伸变形，阻尼材料承受着交变应力与应变，一部分振动机械能转换成了热能，从而抑制了钢板的振动。

自由阻尼结构的损耗因子取决于阻尼材料的特征和阻尼材料厚度与钢板厚度的比值。图3-54为一种自由阻尼结构的损耗因子随阻尼层厚度（H₂）和钢板厚度（H₁）比值变化的曲线。在比值低的区域，损耗因子很小；随着比值的增加，损耗因子迅速增加；当比值大于6时，虽然损耗因子随着比值的增加而增加，但是增加的趋势减缓；当比值大于9之后，损耗因子的增加非常平缓。所以，阻尼层过薄，阻尼结构的效果不明显，但是阻尼层过厚，阻尼效果增加不明显而且成本增加。通常阻尼层与钢板的厚度比取2～5。

图3-54 自由阻尼结构损耗因子随阻尼层厚度（H₂） 和钢板厚度（H₁）比值变化的曲线

图3-53所示的约束阻尼层结构由基板、阻尼层和约束层组成。将阻尼材料粘在钢板上，然后用一层刚度大的板（通常也是钢板）压住，形成了一个“三明治”结构。当板做弯曲振动时，由于基板和约束层的弹性模量远远大于阻尼层的弹性模量，因此基板和约束层之间产生相对滑移运动，使阻尼层产生剪切运动，从而使一部分振动机械能转换成热能。约束层的厚度与基板的厚度相当；与自由阻尼结构相比，约束阻尼层厚度与基板厚度比要小些。