车载设备隔振设计方法探讨

车载设备隔振设计方法探讨

苏渤

（中国飞机强度研究所 西安 710065）

摘要：分析了道路运输时车厢内部振动环境特点，提出了车载设备的隔振安装方法，以某型车载设备为例，测试了设备载荷工况，设计了隔振安装系统，实验室环境及跑车试验对隔振系统进行了测试分析，具有较强工程指导意义。

关键字：车载设备 随机振动 隔振设计

Discussion on Design Method of Vibration Isolation for Vehicle-borne Equipment

Su Bo

（China Aircraft Strength Research Institute xi'an 710065）

Abstract:The vibration condition of road transportation is analyzed, and the vibration isolation installation method of vehicle-mounted equipment is put forward. Taking a certain vehicle-mounted equipment as an example, vibration conditions under various road conditions were tested, the vibration isolation installation system is designed, and We studied the vibration characteristics of the system in the laboratory environment and the actual environment, which has strong engineering guiding significance.

Key word：vehicle-mounted equipment；random vibration；vibration isolation design

作者简介：苏渤（中国飞机强度研究所，710065），

苏渤（1985.2-），男，汉族，陕西西安人，主要从事振动与噪声控制技术研究。

地址：陕西省西安市雁塔区电子二路86号，中国飞机强度研究所，联系人：苏渤，电话 13152135960

现代战争，非接触、非线性、精确打击越来越普遍，激光武器、微波武器等由于精度高、抗电磁干扰强等特点得到了长足发展，而战时复杂的道路运输条件，对高端装备尤其部分精密元器件的耐振精度、可靠性提出了较高的要求。同时，随着装备对机动性要求越来越高，车载环境振动也越来越大，针对高精度设备，根据振动条件进行有针对的隔振设计，是保证设备精度及可靠性的有效手段^[1-3]。

为保障产品的可靠性，需在产品设计阶段进行实验室环境试验验证。产品在进行实验室环境试验时，一般采用GJB150规定了标准路谱等进行跑车试验，而采用标准路谱进行试验时，有以下缺点：路面基础及路面材料复杂多变，装备精密设备车辆属于特殊定制车辆，其振动特点与标准路谱有差异，导致某些装备在试验室环境完成试验而实际使用中却出现精度降低、结构破坏等问题。

1 车载振动环境分析

车厢振动是发动机振动、路面不平衡激励引起车体的复杂强迫振动，表现为宽频随机振动。发动机一般位于车体前部，一般通过隔振系统与车体连接，其传输到车厢部的振动较小。路面不平衡激励是引起车厢振动的主要振动源，这些振动通过轮胎、悬架系统传输到车体底部，因此，车辆的结构布局、悬架系统、车厢结构、轮胎状态等都会影响车厢部位的振动，车载设备自身结构刚性、重量重心、连接形式、布置位移也会影响机箱部位的振动。

因此，车厢内部振动是一个多轴向复杂非线性耦合振动系统，系统对路面激励的响应很难预估。通过被动隔振安装能有效降低设备部位振动，但精密设备对宽频随机振动的敏感程度也无规律可循，而隔振系统的特性一般也具有非常强的非线性（这是由于组成隔振系统的弹性元气件、阻尼材料、结构等具有强的非线性），通过理论分析及试验测试验证，是解决此类问题的较好方法。

2 精密设备的隔振设计流程

振动对精密设备的影响规律较为复杂，如不同类型的惯性导航系统对振动的敏感频段不一样，而车载振动环境一般为宽频随机振动载荷，车体不同部位的振动也差别较大，隔振系统具有较强的非线性，不同振动载荷下的动态特性差别较大，因此，应采用实测谱进行精密设备的隔振安装。其隔振安装流程图见图1所示。

1）振动测试：进行实际路面载荷测试，获取系统所在部位的振动形式，测试时，应包括装备可能遇到的所有路况；

2）振动分析：分析振动对设备的影响规律。光学设备及惯导设备等精密设备对振动极为敏感，应分析不同频段、不同量值激励对其影响规律，为隔振提供依据，同时也可以通过有限元等方法对设备的响应、随机振动；

3）隔振设计：根据分析结果，设计隔振系统相关参数，安装形式；

4）实验室验证：试验室环境分析隔振系统的静、动态特性，采用实测谱进行设备的功能性能验证，采用耐久谱验证隔振系统的寿命。满足要求则进行跑车试验，否重复3步骤；

5）跑车试验：在实际环境中对隔振系统的效果进行检验，如不满足要求则重复步骤3。

图1 车载设备振动设计流程

3 某车载分子泵隔振设计

3.1问题描述与分析

某车载分子泵用于抽真空，其转速达到20000转/分钟，属于精密机械设备，在使用过程中，叶片常产生磨损破坏，分析原因是叶片与泵体内壁间隙非常小，在复杂道路振动中，叶片由于振动激励超限导致位移过大，与内壁摩擦导致损坏。要求至少具有10000Km使用寿命。

3.2 振动载荷测试

应综合考虑装备在不同路况下的载荷形式，设计载荷工况如表1所示，分析测试频率范围为0-2000Hz，每种路况测试数据时长应大于1分钟。测点位置布置与分子泵与设备连接部位，如图2所示。

表1 测试路况

图2 测点位置照片

非铺装路面30km/h测试加速度谱线见图3所示，其中500Hz以后的能量非常小，谱密度小于10^-6g²/Hz，可以进行截断处理。

图3 A10状态Z向加速度谱

对所有测试状态的X、Y、Z向的数据进行合并包络处理，得到设备在实际使用中的功能振动条件见图4所示。由图4可知，设备能量集中于20-150Hz中高频段，这是由于车厢振动引起了分子泵所在设备的强迫振动。

图4 包络后功能振动加速度谱

3.3 隔振设计实例

3.3.1 隔振设计基础理论

产品隔振即通过柔性连接装置将原来硬联接变为软联接，隔离产品的高频振动，其隔振基本原理分析如下^[4]：

图 5隔振系统简图

隔振的运动微分方程为：

……………………………………………..（1）

……………………………………（2）

求得隔振传递系数T_f等于装有隔振器时作用于基础上的力幅f_t与无隔振器时直接作用于基础上的力幅f₀之比值

…..（3）

其中，频率比 ，阻尼比 ，固有频率 。

传递率的最大值即为放大倍数，当阻尼比较小时，放大倍数Q为：

…………………………………………（4）

隔振系统固有频率为：

………………………..……………………（5）

当频率比大于 ，隔振系统的隔振效率I：

………………………………….（6）

只有当系统激励频率大于隔振系统的频率的 时，隔振系统才有隔振效率，隔振系统频率越低，其静挠度越大，需要的位移空间越大，频率较大，达不到需求的隔振效率。工程设计中，激励频率一般为隔振系统频率的2-5倍。

3.3.2 隔振设计

主隔振频段开始频率为20Hz，按照3.3.1节分析，隔振系统的频率应小于14Hz，而频率过低时，会增加隔振系统的静挠度，考虑设备周边空间，隔振系统的频率设计为9Hz，阻尼比设计为0.1-0.2。

分子泵重心基本在结构几何中心，而重心较高，隔振系统设计时应考虑振动解耦，即隔振安装平面应通过系统惯性中心平面。

采用刚度对称分布设计，如图6所示，底部采用4个金属丝网隔振器与基体连接，顶部采用橡胶隔振器与设备侧壁刚度较好部位连接，隔振器采用等刚度设计，金属丝网隔振器和橡胶隔振器三向刚度分别为4000N/mm、16000N/mm。

图6 隔振系统示意图

图7 金属丝网隔振器和橡胶隔振器结构示意

3.3.3 隔振系统的试验验证

设计图8所示的试验工装，在实验室环境进行了系统的性能测试：按照HB5830规定的正弦扫频谱进行系统的性能测试（5-40.69Hz为峰值0.3mm的等位移扫频，40.69-100Hz加速度为2g的等加速度扫频），按照3.2节测试路谱进行系统耐久试验，试验方法按照GJB150.16中试验量值增加1.6倍，试验时间为每轴向2小时。

图8 试验工装示意图

图9 X、Y、Z轴向测试曲线

表2 隔振系统的性能参数

由X、Y、Z试验曲线可知，传递曲线光滑，100Hz以内无多次谐振峰，系统X、Y、Z向实现了振动解耦，隔振系统X、Y、Z向20Hz处的减振效率分别为75%、62%、63%，较好的隔离了20Hz以上对系统影响较高的中高频振动。

按照测试谱进行了系统耐久试验，耐久试验后系统的性能未发生变化。

隔振系统在交付使用后近一年时间内，未发生振动故障。

4 结论

1）分析了车辆振动特点，提出车载设备隔振设计方法；

2）对某分子泵进行了隔振安装设计，设计了一种金属丝网和橡胶组合的隔振系统，通过实验室性能检测及耐久试验验证，隔振系统达到设计要求。

参考文献

[1] 钱永明.车载仪器设备多维减振装置设计与应用研究.江苏大学，硕士论文，2010.

[2] 姚国年，张卫东，赵辉.弹药公路运输随机振动特性分析.测控技术，2004.23：67-69.

[3] 张阿周，诸德超，姚启航等.使用振动工程，振动控制与设计.航空工业出版社，1997：40-47.