Образец для исследования вибродемпфирующих свойств конструкционных материалов с использованием стендовой измерительной установки типа "оберст"

Полезная модель относится к области борьбы с шумом транспортных средств и энергетических установок и предназначена для определения вибродемпфирующих свойств конструкционных полимерных материалов, не обладающих ферромагнитными свойствами, используемых в качестве конструкционных для деталей и узлов транспортных средств и энергетических установок. Полезная модель представляет собой образец для проведения исследований вибродемпфирующих характеристик материалов (образец), не обладающих ферромагнитными свойствами, с использованием стендовой измерительной установки типа «Оберст».

Образец содержит консольно-закрепленную, динамически возбуждаемую, изгибно колеблющуюся, несущую пластину.

Отличительной особенностью является то, что пластина выполнена из заданного исследуемого конструкционного полимерного, неферромагнитного материала, на свободной незакрепленной концевой части которой адгезионно установлен фрагмент металлической пластинки, обладающей ферромагнитными свойствами, толщина b которой составляет 0,1...0,2 толщины В несущей пластины, ее длина I - не превышает 0,008...0,009 длины L свободной концевой части несущей пластины, ширина k фрагмента металлической пластинки равна 0,8...1,0 ширины К несущей пластины, а отношение массы фрагмента металлической пластинки к массе несущей пластины - не превышает значения 0.01. Кроме того, по крайней мере на одной из боковых сторон свободной незакрепленной концевой части несущей пластины может быть адгезионно закреплен слой исследуемого вибродемпфирующего материала.

Полезная модель позволяет, используя метод «Оберст», определять вибродемпфирующие свойства конструкционных полимерных, не обладающих ферромагнитными свойствами конструкционных материалов и оценивать эффективность их дополнительного вибродемпфирования путем, например, нанесения на их поверхность слоев веществ материалов в качестве дополнительных вибродемпфирующих покрытий (ламинатов).

1 н. и 1 з.п.п. ф-лы, 7 ил.

Полезная модель относится к области борьбы с шумом транспортных средств и энергетических установок и предназначена для определения вибродемпфирующих свойств полимерных материалов, не обладающих ферромагнитными свойствами (в общем случае - магнитными), используемых в качестве конструкционных для деталей и узлов транспортных средств и энергетических установок. Полезная модель представляет собой образец для проведения исследований вибродемпфирующих характеристик материалов, не обладающих ферромагнитными свойствами, широко применяемых в транспортном машиностроении и энергетике в качестве конструкционных материалов деталей и узлов машин.

Измерения степени вибродемпфирования отдельных деталей и узлов машин и механизмов, содержащих виброшумоактивные тонкостенные корпусные детали производятся, прежде всего, в связи с определением необходимости установки на них дополнительных вибродемпфирующих облицовок и покрытий, служащих для ослабления интенсивной звуковой вибрации и излучаемого ими шума, которой подвергаются и генерируют эти конструкции. Используемые при различных виброакустических исследованиях оценочные физические параметры и объективные характеристики затухания колебаний (вибродемпфирования) конструкций достаточно многообразны. Наиболее универсальной и широко применяемой в технической акустике характеристикой вибродемпфирования следует признать коэффициент потерь , характеризующий необратимые механические потери вибрационной энергии с преобразованием ее в тепловую энергию.

Введение в тонкостенную конструкцию колеблющейся детали дополнительных механических потерь ослабляет амплитуды колебаний, прежде всего в области ее резонансных частот. Вблизи каждой собственной резонансной моды (формы колебаний на резонансной частоте) колеблющуюся конструкцию или структуру, в виде исследуемого образца материала, можно уподобить системе с одной степенью свободы. При каждой частоте колебательного резонанса амплитуда ее виброскорости, в большинстве случаев определяющая звукоизлучение колеблющихся конструкций, в такой же степени зависит от коэффициента потерь, как и от жесткости системы при этой частоте. Коэффициент потерь характеризует степень вибродемпфирования в

колебательной системе, происходящего за счет преобразования колебательной энергии в тепловую благодаря необратимым потерям вибрационной энергии, как в обычных конструкционных материалах, так и в специально созданных демпфирующих материалах (например, установкой ламинатных покрытий из эффективного вибродемпфирующего вещества на стенках вибрирующей детали). Коэффициент потерь является показателем степени поглощения колебательной энергии в системе за цикл колебаний, т.е. представляет отношение механической энергии, поглощаемой в конструкции за цикл колебаний W_пог, к потенциальной энергии системы W _пот и, кроме того, при этом характеризует сдвиг фазы между возбуждающей систему колебательной силой и колебательным смещением системы, которую вызывает данная колебательная сила [1, 2].

, где

W_пог - энергия, поглощаемая за цикл колебаний;

W_пот - потенциальная энергия системы;

=3.14

Вибродемпфирующие характеристики механической колебательной системы оцениваются и другими физическими параметрами колебательной системы.

Коэффициент потерь , в частности, связан с добротностью колебательной системы Q и характеризует степень демпфирования колебательной энергии в следующем виде:

Соответственно, демпфирование колебаний тем больше, чем больше коэффициент потерь и чем меньше добротность системы Q, являющаяся обратной величиной .

Одной из основных характеристик затухающих (во времени) колебаний является логарифмический декремент колебаний , определяемый путем сравнения амплитуд соседних или разнесенных друг от друга колебаний. Отметим при этом что, так как в формуле берутся отношения колебательных параметров, то при гармоническом колебательном процессе безразлично, какой из параметров брать - виброскорость, виброперемещение или виброускорение, т.е.

, где

A_i, A _i+1 - амплитуды колебаний через один период колебаний;

An - амплитуда колебаний через n периодов колебаний.

Коэффициент потерь связан с логарифмическим декрементом колебаний следующим образом:

Коэффициент потерь также может быть определен из уравнения огибающей амплитуд затухающих колебаний (А=А₀е ^-t, где А₀ - начальная амплитуда колебаний; t - время протекания колебательного процесса), представляющей собой экспоненциальную зависимость «е» и коэффициентом затухания :

, где

f - частота затухающих колебаний;

- коэффициент затухания.

Существуют известные различные экспериментальные методы определения демпфирующих характеристик материалов, основанные на количественных оценках рассеивания колебательной энергии в конструкционных материалах. Они построены либо на непосредственном измерении величины энергии рассеиваемой в исследуемом образце (прямые методы) либо на получении относительных характеристик рассеяния энергии (косвенные методы). Среди известных методов наиболее распространены энергетический, термический, методы гистерезисной кривой. Среди косвенных экспериментальных методов - метод затухающих колебаний, метод "кривой резонанса" и фазовый метод. Известные расчетные соотношения для определения характеристик рассеяния энергии получены в предположении гармонического деформирования и при неупругих сопротивлениях, пропорциональных первой степени скорости деформирования (вязкое трение), т.е. для случая линейных систем [3].

При сравнительно небольших потерях механической колебательной энергии в системе, более точными являются методы, при которых используются свободные затухающие колебания, т.е. измерение времени или скорости затухания амплитуд колебаний или их вибрационного уровня в течении времени после прекращения действия источника возмущающей силы (реверберационный метод). Большая точность измерения параметра потерь обусловлена тем, что кривые затухания колебаний могут быть сильно растянуты по времени и имеется, следовательно, возможность произвести более точный отсчет колебательных уровней в заданные промежутки времени.

При использовании реверберационного метода определения коэффициента потерь применяется такое понятие, как стандартное время реверберации вибрации Т_рев в секундах, соответствующее затуханию уровня колебаний на 60 дБ, т.е. в 1000 раз по амплитуде, что имеет место при значительном по эффективности демпфировании.

, где

f₀ - частота колебаний при которой производятся измерения, Гц.

Если вибрационные помехи при измерениях высоки и не удается получить спад логарифмической кривой реверберации на величину равную 60 дБ, а лишь на m, дБ (m<60), то величина Т_рев определяется из величины Т_m, соответствующей затуханию уровня колебаний на m, дБ, по формуле

, где

T_m - время спадания реверберации уровня вибрации на m дБ, с.

Реверберационный метод позволяет так же определять коэффициент потерь через скорость затухания колебаний D_T :

, где

A₁, A ₂ - амплитуды колебаний, отличающиеся по времени на 1 с.

В этом случае коэффициент потерь определяется по следующей формуле:

, где

f₀ - частота колебаний при которой производятся измерения, Гц.

Однако, точность определения коэффициента потерь данным методом весьма затруднена в системах с очень высоким демпфированием, характеризуемых резким темпом ослабления амплитуд последующих колебаний.

Параметры механических потерь в колебательных системах могут быть также найдены путем анализа вибрационных характеристик не только во времени, но и в пространстве. Наиболее простым и точным способом является исследование затухания колебаний в одномерной системе (стержни, пластины). Если длина облицованной вибропоглотителем пластины меньше длины волны изгиба в ней, то коэффициент потерь (при значении 0,3) находится из формулы [1]:

, где

L_И1 - затухание уровня регистрируемой вибрации (на каждой данной частоте) отнесенное к длине волны изгиба в пластине при той же частоте колебаний, дБ.

Коэффициент потерь линейно связан с логарифмической величиной L_И1. Возможно применение этого метода для определения коэффициента потерь по отношению к продольным изгибным волнам в пластине, причем численное значение в формулах будет не 13,6, а 27,2. Для получения необходимой точности измерений потребуется заметно большая длина пластины ввиду относительно больших длин продольных волн и значительно меньшего их затухания в вязкоупругих демпфирующих слоях (используемых ламинатных вибродемпфирующих покрытиях).

Известно также [3] использование энергетического метода, основанного на непосредственном замере расхода электрической или механической мощности вибровозбудителя на поддержание установившихся колебаний исследуемого образца. Энергия W_пог , поглощаемая структурой за цикл колебаний (относительное рассеяние энергии в материале исследуемого образца):

, где

N₁ - полная мощность вибровозбудителя, Вт;

N₂ - мощность, расходуемая на преодоление сопротивлений в самом вибровозбудителе, которая рассеивается во всей системе виброустановки, Вт;

f_уст, - частота установившихся колебаний образца, Гц

W_пот - потенциальная энергия деформирования образца, соответствующая амплитуде установившихся колебаний.

Сложность указанного выше метода заключается в трудности определения мощности, расходуемой на поддержание установившихся колебаний, поскольку рассеяние энергии в образце относительно мало.

Следующим известным методом определения коэффициента потерь [3] является термический метод, основанный на предположении о том, что рассеяние энергии при колебаниях обычно сопровождается нагревом исследуемого образца. При этом, степень нагрева зависит от количества тепла выделяющегося за единицу времени, т.е. зависит в том числе и от частоты колебаний f (количества совершенных деформационных колебаний за время t). На измерении количества тепловой энергии, выделяющейся в образце в процессе колебаний, основаны различные варианты термической оценки вибродемпфирующих свойств материала. Это, прежде всего,

калориметрический вариант, основанный на измерении температуры воды, охлаждающей исследуемый образец. Зная температуру воды, определяют теплоту L, (ккал), выделяющуюся в образце в процессе его колебаний с частотой f за определенный промежуток времени t (с.).

, где

m - масса воды в калориметре, кг.;

T - разность температур воды в начале и конце эксперимента,°С.

Количество энергии W_пог, рассеиваемой в материале образца за цикл нагружения, определяется по формуле:

, где

L - теплота выделенная в образце в процессе колебаний, ккал;

f - частота колебаний образца, Гц;

t - время регистрации колебаний, с.

Таким образом, термический метод позволяет определить рассеяние колебательной энергии в интегральном виде. Представленный метод достаточно сложен в реализации, т.к. тепловая энергия, выделяемая при рассеянии в конструкционных материалах, требует высокой точности замеров и поддержания постоянных внешних условий.

Известен также метод оценки вибродемпфирующих свойств с помощью статической петли гистерезиса [3], который предусматривает непосредственное получение петли гистерезиса в координатах «внешняя сила (или напряжение) - перемещение (или деформация)» путем замера соответствующих перемещений или деформаций при ступенчатом статическом нагружении и разгрузке образца. Метод является графическим (например, W_пог - энергию, поглощенную за цикл колебаний, определяют как площадь петли гистерезиса, и.т.д.), требует повышенной точности замеров деформаций (перемещений) и не позволяет изучать влияние на вибродемпфирующие свойства образца таких факторов как частота колебаний.

Известен также метод динамической петли гистерезиса при котором путем одновременной регистрации внешней силы (или напряжения) и перемещения (или деформации) в процессе повторно-переменного нагружения образца с различной частотой нагружения получают экспериментальную петлю гистерезиса, площадь которой характеризует рассеяние энергии в материале исследуемого образца. Однако, точность данного метода уступает методу статической петли гистерезиса, т.к. чувствительность аппаратуры для измерения динамических деформаций обычно ниже, чем для измерения статических деформаций. Более высокая точность достигается при

одновременной регистрации внешней силы и перемещения в резонансном режиме колебаний исследуемого образца [3].

Известен метод кривой резонанса, основанный на зависимости ширины резонансного пика амплитудной кривой перемещения и резонансной впадины амплитудной кривой возмущающей силы [3]. Определение коэффициента потерь по ширине экспериментально получаемого резонанса предусматривает возбуждение колебаний с постоянной амплитудой возбуждения. Определение коэффициента потерь по ширине резонансной впадины амплитудной кривой возможно при любой амплитудной зависимости рассеяния энергии. Кроме того, этот метод пригоден для случаев возбуждения колебаний образца электромагнитом при амплитуде колебаний, соизмеримой с воздушным зазором между образцом и электромагнитом. Точность определения параметров резонансных кривых с помощью электронных цифровых измерителей частоты достаточно высока.

Ввиду большой трудоемкости и низкой точности определения параметров демпфирования вышеуказанными методами, наибольшее распространение в автомобилестроении получил метод измерения и анализа кривой резонанса, который лег в основу отдельных национальных стандартов (DIN 53440, DIN EN ISO 6721, E 756-04) в качестве метода «Оберст» названного по фамилии известного ученого-акустика. Это, в частности, наглядно иллюстрируется известными публикациями [4, 5, 6, 7, 8].

В работе [4] описывается исследование с помощью метода «Оберст» многофункционального вибродемпфирующего материала наносимого на днище кузова автомобиля. При испытаниях используется несущая стальная пластина, имеющая следующие размеры: толщина - 0,8 мм., ширина - 12,7 мм., длина - 225 мм (покрытие вибродемпфирующим материалом по длине пластины составляет 200 мм). Несущая стальная пластина устанавливается в массивном зажиме стендовой установки «Оберст» - консольно. Испытания проводятся в различных режимах возбуждения колебаний несущей стальной пластины с нанесенным слоем вибродемпфирующего материала в диапазоне частот 100-1000 Гц и в диапазоне температур от -5 до +55°С;

В работе [5] описывается метод и пакет программ, используемых для определения вибродемпфирующих свойств конструкционных материалов в зависимости от температуры и частоты. Вибродемпфирующие свойства конструкционных материалов определяются с использованием метода возбуждения несущей металлической пластины, обладающей ферромагнитными свойствами, (метода «Оберст»). Испытания проводятся в широких температурных и частотных диапазонах. При испытаниях, случайный сигнал возбуждения сообщается свободному

концу несущей металлической пластины через электромагнитный вибровозбудитель. Отклик на переменное динамическое возбуждение измеряется с помощью кристаллического пьезоэлектрика, установленного у закрепленного конца несущей металлической пластины. Используемый метод основан на анализе в котором вибродемпфирующие свойства конструкционных материалов получают на основе измерений, сделанных на композитной (составной) или "гомогенной пластине". Композитная пластина - это обобщенное понятие, относящееся к двухслойной структуре, которая состоит из несущей металлической пластины и нанесенного слоя вибродемпфирующего материала, в то время, как гомогенная пластина - это однослойная металлическая пластина. Определяются вибродемпфирующие свойства материала при динамических деформациях изгиба или в состоянии пространственного напряжения. Определение влияния температуры на вибродемпфирующие свойства материала воспроизводится помещением испытательного оборудования (стенда «Оберст») в климатическую камеру;

В работе [6] описывается метод определения коэффициента потерь с использованием метода «Оберст» и модального анализа. С помощью данных способов оцениваются вибродемпфирующие свойства многослойных конструкций (материалов), а так же определяется влияние каждого составного слоя на вибродемпфирующие свойства всей конструкции. Приводятся примеры исследования вибродемпфирующих свойств различных конструкционных материалов, нанесенных на стальную ферромагнитную несущую пластину, а также различных монтажных клеевых слоев, используемых в вибродемпфирующих покрытиях;

В работе [7] описан метод, стендовые и аппаратные средства для исследования вибродемпфирующих свойств материалов. Метод включает использование аппаратных средств, ЭВМ и специального программного обеспечения, с помощью которых производится автоматизированное исследование вибродемпфирующих свойств материалов и последующее сведение результатов экспериментов к аналитическому выражению и использованию этого аналитического выражения при создании вибродемпфирующих покрытий для автомобильного кузова. В частности, это помогает исследовать влияние веса и толщины вибродемпфирующего покрытия на вибродемпфирующие свойства конструкции. При этом испытания проводятся по методу «Оберст» с использованием несущей металлической пластины, обладающей ферромагнитными свойствами, на которую при испытаниях наносятся слои исследуемых вибродемпфирующих материалов;

В работе [8] описана процедура испытаний вибродемпфирующих материалов, основанных на использовании метода «Оберст», где определение вибродемпфирующих свойств исследуемых материалов включает определение вибродемпфирующих характеристик конструкции, состоящей из вибродемпфирующего материала, прикрепленного к несущей стальной ферромагнитной пластине, возбуждаемой в различных режимах колебаний при ее консольном закреплении. Вибродемпфирующие свойства выражаются в виде композитного коэффициента потерь в частотном диапазоне 100-1000 Гц и в заданном изменения диапазоне температур образца материала. Исследуемые при этом вибродемпфирующие материалы могут представлять собой как однородные, так и неоднородные структуры, а также сочетание однородных и/или неэластичных армирующих (таких как алюминиевая фольга) материалов, применяемых с целью усиления вибродемпфирования и изгибной жесткости тонкостенных кузовных панелей в автомобиле.

Как известно, применяемый «стандартный» метод «Оберст» используется для определения количественных значений коэффициента потерь, коэффициента внутренних потерь и комплексного модуля упругости изгибных колебаний образца вибродемпфирующего материала (ВДМ), нанесенного на несущую металлическую, обладающую ферромагнитными свойствами, пластину заданных геометрических размеров, например, толщиной 1 мм, длиной 320 мм, шириной 20 мм, в заданном исследуемом температурном диапазоне, а также определения вибродемпфирующих свойств многослойных конструкционных материалов, также обладающих ферромагнитными свойствами, например, типа «МПМ» (металл-пластик-металл), обладающих, как правило, высоким внутренним трением в силу реализации в таких многослойных структурах преимущественно сдвигового механизма деформирования промежуточного вибродемпфирующего полимерного слоя, что, как известно, является наиболее эффективным механизмом рассеивания энергии деформирования (в сравнении с деформациями «растяжения - сжатия»).

Коэффициент потерь, определенный для однослойной структуры (материала), называется коэффициентом внутренних потерь и обозначается _вн. Комплексный модуль упругости Е материала структуры определяется по формуле

, где

E₀ - модуль Юнга, Н/м ²;

_вн - коэффициент внутренних потерь (безразмерная величина);

Комплексный модуль упругости Е характеризует жесткостные и демпфирующие свойства материалов нанесенных в данном случае на несущую металлическую, обладающую ферромагнитными свойствами, пластину, т.е. характеристики, которые оказывают определяющее влияние на вибродемпфирующие и звукоизоляционные свойства материалов. Кроме того, комплексный модуль упругости обычно представляется приведенным к базовой частоте 200 Гц. В этом случае он носит название приведенный модуль упругости Е_п . Аналогичным образом, коэффициент потерь приведенный к базовой частоте 200 Гц называется приведенным коэффициентом потерь.

В случае, если материал (исследуемая структура) является многослойным, т.е. состоит из нескольких слоев, коэффициент потерь данной структуры называется композитным коэффициентом потерь и обозначается _tot.

Общепринятая в технической виброакустике методика «Оберст» предполагает определение коэффициента потерь материала по ширине экспериментально определяемой резонансной кривой в зоне максимального значения резонансного амплитудного отклика по формуле:

, где

f₀ - резонансная частота колебаний образца, Гц, характеризуемая максимальным значением амплитуды колебательного отклика;

f₁ , f₂ - частоты правее и левее резонансного отклика, на которых амплитуда вибраций (виброперемещения, виброскорости или виброускорения) в 0.707 раза ниже, чем амплитуда на резонансной частоте f₀, т.е. регистрируется снижение уровня вибраций относительно отклика резонансного уровня на 3 дБ (фиг.1).

Если механическая колебательная система имеет одну степень свободы, то коэффициент потерь такой системы определяется по степени демпфирования колебаний на одной резонансной частоте (f₀) амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), оцениваемой шириной (f₁-f ₂) частотного резонансного отклика. Если система имеет несколько степеней свободы (и, соответственно, - несколько колебательных резонансов), то очень часто, при близости расположения этих резонансных откликов, происходит естественное взаимное влияние различных резонансных колебаний друг на друга с соответствующим «вырождением» АЧХ колебательной системы. В результате - резонансные отклики колебательной системы приобретают асимметричные формы на кривой АЧХ. Для того, чтобы исключить это взаимное влияние, затрудняющее впоследствии производить точное определение

коэффициента потерь на заданной приведенной (200 Гц) частоте, используется соответствующее программное обеспечение «Оберст - мультирезонанс», позволяющее рассчитать АЧХ без учета взаимовлияния резонансов и определить соответствующие значения коэффициентов потерь системы, характерные для каждого отдельного возникшего резонанса. При испытаниях по данной технологической процедуре метода «Оберст» используются следующие варианты образцов: несущая "голая" металлическая пластина, обладающая ферромагнитными свойствами; исследуемый композитный образец в виде несущей металлической пластины, обладающей ферромагнитными свойствами, с наклеенным или температурно приплавленным вибродемпфирующим материалом (двухслойная или многослойная структура); образец в виде пластины из многослойного композитного материала, содержащий более одного металлического, обладающего ферромагнитными свойствами, и полимерного промежуточного слоя, например - трехслойный материал типа «металл-пластик-металл» («М-П-М»).

В состав стендовой измерительной установки типа «Оберст» входит следующая измерительная, регистрирующая и анализирующая аппаратура (см. фиг.2):

- исследуемый образец 1, состоящий из металлической, консольно-закрепленной, динамически возбуждаемой, упругой, изгибно колеблющейся, несущей пластины 2, обладающей ферромагнитными свойствами, с установленным одним или несколькими разнородными слоями исследуемого вибродемпфирующего материала 3 (клеевой слой, демпфирующий слой, армирующий слой, и.т.д.), для его оценочных испытаний по эффективности вибродемпфирования;

- зажим 5;

- виброизолированная станина 6;

- виброизоляторы 4;

- корпус 7;

- климатическая камера 8;

- возбудитель изгибных колебаний исследуемого образца, содержащий генератор белого шума 9 и электромагнитный датчик 10;

- регистратор вибрационных откликов исследуемого образца, содержащий емкостной датчик 11 регистрации виброперемещений, измерительный усилитель 16, частотный анализатор 12 и компьютер с программным обеспечением 13 - для определения количественных значений физических параметров, характеризующих вибродемпфирующие свойства исследуемого вибродемпфирующего материала (приведенного коэффициента потерь, комплексного модуля упругости на изгиб);

- регистратор температуры исследуемого образца, содержащий контактную термопару 14 и цифровой мультиметр 15.

Климатическая камера 8, задает определенный температурный режим исследования (например, в диапазоне задания температур от - 50 до 150°С). Компьютер 13 используется для обработки и анализа результатов измерений вибродемпфирующих характеристик материала, содержит программное обеспечение для расчета характеристик вибродемпфирования, в соответствие с зависимостями физических приведенных выше параметров, характеризующих демпфирование.

Образец вибродемпфирующего материала 3 нанесенный на несущую пластину 2, обладающую ферромагнитными свойствами, образует исследуемый образец 1. Его верхний конец (часть металлической несущей пластины 2 без слоя вибродемпфирующего материала) закрепляется вертикально в жестком зажиме 5 виброизолированной станины 6 установки "Оберст". Нижний конец исследуемого образца 1 остается свободным (таким образом реализуется жесткое консольное закрепление исследуемого образца).

Возбуждающий сигнал случайного шума подается с генератора 9 на электромагнитный датчик 10, который используется как задающий динамический возбудитель колебаний исследуемого образца 1. Электромагнитный датчик 10 генерирует переменное электромагнитное поле, которое, взаимодействуя с несущей пластиной 2, обладающей ферромагнитными свойствами, исследуемого образца 1, создает пропорциональную возбуждающую силу. Поперечная составляющая возбуждающей силы генерирует изгибные деформационные колебания как несущей пластины 2, так и адгезивно-установленного на ее поверхности слоя вибродемпфирующего материала 3. Виброперемещения несущей пластины 2, как соответствующий сигнал отклика исследуемого образца 1 на динамическое возбуждение, измеряются емкостным датчиком виброперемещений 11, расположенным под зажимом 5 образца. Электрический сигнал от емкостного датчика 11 в виде соответствующей реакции отклика на возбуждающий сигнал - поступает на измерительный усилитель 16 и далее на частотный анализатор 12.

Окончательным графическим результатом обработки сигнала является регистрация амплитудно-частотной характеристики в виде частотно-зависимой «кривой» амплитудных значений колебательных откликов исследуемого образца 1 к сигналу его динамического возбуждения как функции частоты колебаний с соответствующими резонансными откликами. Максимальные отклики сигнала, регистрируемого емкостным датчиком виброперемещений 11, соответствуют

резонансным частотам колебаний исследуемого образца 1 (несущей пластины 2 с установленным слоем вибродемпфирующего материала 3). Передача данных из частотного анализатора 12 в компьютер 13, обработка результатов испытаний и определение коэффициента потерь вибродемпфирующего слоя материала, нанесенного на несущую пластину 2, обладающую ферромагнитными свойствами, осуществляется автоматически с помощью использования соответствующего программного обеспечения («Оберст - мультирезонанс»).

Недостатком известного, приведенного выше, «стандартного» метода «Оберст», широко используемого в технических измерениях вибродемпфирующих свойств материалов, является невозможность проведения измерений коэффициентов потерь полимерных материалов, не обладающих ферромагнитными свойствами, являющихся в это же время широко распространенными конструкционными материалами многочисленных виброшумоактивных деталей, узлов и агрегатов, в особенности - тонкостенных корпусных деталей с интенсивно вибрирующими (и шумоизлучающими) стенками, что требует оценки (и последующих принятий конструкторско-технологических решений) по использованию (или преднамеренному приданию им) заданных (более высоких) вибродемпфирующих свойств. В это же время, известный, традиционно используемый метод «Оберст», подразумевает, как отмечено выше, использование несущей пластины 2, обладающей ферромагнитными свойствами и возбуждаемой электромагнитным датчиком 10, с нанесенным на ее поверхность вибродемпфирующим ламинатным слоем 3, с последующей оценкой вибродемпфирующих свойств данного покрытия. В этом случае, как уже было отражено выше, определяется эффективность вибродемпфирования несущей (стальной, обладающей ферромагнитными свойствами) пластины с адгезионно нанесенным на ее поверхность заданным вибродемпфирующим покрытием путем бесконтактного вибрационного возбуждения изгибных колебаний данной металлической несущей пластины (например, динамическим сигналом типа "белый шум"). Соответственно, данный метод не может быть использован для оценки вибродемпфирующих свойств полимерных материалов, не обладающих ферромагнитными свойствами путем их динамического возбуждения бесконтактным методом электромагнитного воздействия подводимого электрического сигнала к датчику. В это же время, не только необходима информация об вибродемпфирующих свойствах конструкционных полимерных материалов, не обладающих ферромагнитными свойствами, но и оценки возможностей их дополнительного вибродемпфирования путем, например, адгезионного нанесения на их поверхность

дополнительных вибродемпфирующих покрытий (ламинатов) по аналогии с тем, как это применяется для вибродемпфирования металлических пластин, обладающих ферромагнитными свойствами.

Техническим результатом полезной модели является возможность применения стандартного метода «Оберст» для определения вибродемпфирующих свойств полимерных материалов, не обладающих ферромагнитными свойствами, а так же эффективности их дополнительного вибродемпфирования путем, например, адгезионного нанесения на их поверхность дополнительных вибродемпфирующих покрытий.

Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известном образце для исследования вибродемпфирующих свойств конструкционных материалов с использованием стендовой измерительной установки «Оберст», содержащем металлическую, консольно-закрепленную динамически возбуждаемую, упругую, изгибно колеблющуюся, несущую пластину, обладающую ферромагнитными свойствами, в заявляемом техническом решении - последняя выполнена из заданного исследуемого конструкционного полимерного неферромагнитного материала, на свободной незакрепленной концевой части которой адгезионно установлен фрагмент металлической ферромагнитной пластинки, толщина b которой составляет 0,1...0,2 толщины В несущей пластины, ее длина I - не превышает 0,008...0,009 длины L свободной концевой части несущей пластины, ширина к фрагмента металлической пластинки равна 0,8...1,0 ширины К несущей пластины, а отношение массы фрагмента металлической пластинки к массе несущей пластины - не превышает значения 0.01. При этом, по крайней мере на одной из боковых сторон свободной незакрепленной концевой части несущей пластины может быть адгезионно закреплен слой исследуемого вибродемпфирующего материала.

Крепление фрагмента металлической пластинки 17 из ферромагнитного вещества на несущей пластине 2 (полимерной, не обладающей ферромагнитными свойствами), осуществляется, например, за счет применения соответствующего липкого клеевого слоя, например, клея «Cyanoacrylate 1741».

Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».

Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и

воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость». При этом, полезная модель может быть осуществлена в условиях промышленного производства с использованием стандартного оборудования, современных материалов и технологий.

Другие особенности и преимущества настоящей полезной модели станут понятны из следующего детального описания, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие предпочтительный вариант реализации, на которых:

Фиг.3 - схема монтажа заявляемого образца в стендовой измерительной установке «Оберст»;

Фиг.4, 5 - эскизы заявляемого образца;

Фиг.6 - результаты определения вибродемпфирующих свойств конструкционного полимерного материала типа полиамид («армамид» ПА СВ 30-2Т), не обладающего ферромагнитными свойствами, на стендовой измерительной установке «Оберст»;

Фиг.7 - результаты определения вибродемпфирующих свойств конструкционного полимерного материала типа полиамид («мегаамид» ПА СН 30-1Т), не обладающего ферромагнитными свойствами, при установленных различных размерах фрагмента металлической пластинки (Материал - Сталь 3).

Позициями на представленных фигурах показаны:

1 - заявляемый образец,

2 - динамически возбуждаемая, упругая, изгибно колеблющаяся, несущая пластина, не обладающая ферромагнитными свойствами,

3 - один или несколько разнородных слоев исследуемого вибродемпфирующего материала,

4 - виброизоляторы,

5 - зажим,

6 - виброизолированная станина,

7 - корпус,

8 - климатическая камера,

9 - генератор белого шума,

10 - электромагнитный датчик,

11 - емкостный датчик,

12 - частотный анализатор,

13 - компьютер,

14 - контактная термопара,

15 - цифровой мультиметр,

16 - измерительный усилитель,

17 - фрагмент металлической пластинки, обладающей ферромагнитными свойствами.

Заявляемый образец 1 закрепляется вертикально в жестком зажиме 5 виброизолированной станины 6 установки "Оберст" (Фиг.3). Нижний конец исследуемого образца 1 остается свободным (таким образом реализуется жесткое консольное закрепление исследуемого образца). Фрагмент металлической пластинки 17, обладающей ферромагнитными свойствами, адгезионно закреплен, например, приклеен к свободному концу полимерной несущей пластины 2, не обладающей ферромагнитными свойствами, находится при этом в непосредственной близости ( до 2 мм) от активной зоны электромагнитного датчика 10.

Возбуждающий электрический сигнал случайного шума подается с генератора 9 на электромагнитный датчик 10, который используется как преобразователь электрического сигнала и динамический возбудитель изгибных колебаний исследуемого образца 1. Электромагнитный датчик 10 генерирует переменное электромагнитное поле, которое, взаимодействуя с фрагментом металлической пластинки 17, обладающей ферромагнитными свойствами, создает пропорциональную возбуждающую силу. Поперечная составляющая возбуждающей силы, воздействуя на фрагмент металлической пластинки 17, генерирует изгибные колебания полимерной несущей пластины 2, не обладающей ферромагнитными свойствами (или несущей пластины 2 с дополнительно нанесенным(и) одним или несколькими слоями исследуемого вибродемпфирующего материала 3). При этом, толщина b фрагмента металлической пластинки 17 составляет 0,1...0,2 толщины В несущей пластины 2, ее длина I - не превышает 0,008...0,009 длины L свободной концевой части несущей пластины, ширина k фрагмента металлической пластинки 17 равна 0,8...1,0 ширины K несущей пластины, а отношение массы фрагмента металлической пластинки 17 к массе несущей пластины - не превышает значения 0.01. (фиг.4, 5). Данные диапазоны геометрических и весовых параметров фрагмента металлической пластинки 17 в их взаимосвязи (соотношении) с геометрическими и весовыми параметрами несущей пластины, получены опытным путем, при этом, нижний предел диапазона ограничен тем, что фрагмент металлической пластинки 17 должен создавать достаточную возбуждающую механическую силу на несущую пластину, за счет взаимодействия с переменным магнитным полем, создаваемым электромагнитным датчиком 10. Т.е., при значениях геометрических параметров ниже заявленного нижнего предела амплитуда

вынужденных изгибных колебаний несущей пластины не будет достаточна для объективной регистрации отклика емкостным датчиком 11, получения «качественной» АЧХ и объективного расчета вибродемпфирующих характеристик. Верхний предел заявленного диапазона ограничен тем, что фрагмент металлической пластинки 17 не должен оказывать заметного влияния на массовые, жесткостные и демпфирующие характеристики исследуемого образца 1 в целом, а следовательно и на регистрируемую амплитудно-частотную характеристику колебаний несущей пластины без или с дополнительно нанесенным слоем вибродемпфирующего вещества, используемую при расчете объективных параметров вибродемпфирующих характеристик материалов. На Фиг.7 представлен пример исследований вибродемпфирующих свойств пластины из полимерного материала типа полиамид - «мегаамид» ПА СН 30-1Т (размеры пластины составляли: В (толщина)=3 мм, L (длина)=265 мм, K (ширина)=20 мм, масса 20,4 г), не обладающего ферромагнитными свойствами, с установленным фрагментом металлической пластинки 17 (Материал - Сталь 3) различных геометрических и весовых параметров:

- ниже нижнего предела - b (толщина)=0.1 мм, I (длина)=1 мм, k (ширина)=10 мм;

- в пределах заявляемого диапазона геометрических параметров - b (толщина)=0.4 мм, I (длина)=2.2 мм, k (ширина)=20 мм, массе 0.15 г.;

- выше верхнего предела - b (толщина)=0.8 мм, I (длина)=3.1 мм, k (ширина)=20 мм, массе 0.51 г.;

Виброперемещения (динамические деформации изгиба) исследуемого образца 1 измеряются емкостным датчиком виброперемещений 11, расположенным в зоне под зажимом 5 исследуемого образца 1. Электрический сигнал от емкостного датчика 11, в виде соответствующего сигнала отклика возбужденного сигнала виброперемещений, поступает на измерительный усилитель 16 и далее - на частотный анализатор 12.

Окончательным графическим результатом обработки сигнала является регистрация амплитудно-частотной характеристики в виде частотно-зависимой «кривой» амплитудных значений колебательных откликов деформаций (виброперемещений) исследуемого образца 1 к сигналу его динамического возбуждения как функция частоты колебаний с соответствующими резонансными откликами. Максимальные отклики сигнала, регистрируемого емкостным датчиком виброперемещений 11, соответствуют резонансным частотам исследуемого образца 1 (полимерной несущей пластины 2, не обладающей ферромагнитными свойствами, с приклеенным на ее свободной концевой части фрагментом металлической пластинки

17 или аналогично оборудованной фрагментом металлической пластинки 17 несущей пластины 2 с установленным на ней одним или несколькими разнородными слоями исследуемого вибродемпфирующего материала 3). Передача данных из частотного анализатора 12 в компьютер 13, обработка результатов испытаний и определение коэффициента потерь исследуемого образца 1, осуществляется автоматически с помощью соответствующего программного обеспечения («Оберст - мультирезонанс»).

Возможность получения технического результата с использованием заявляемого образца подтверждается результатами исследований опытных образцов:

Пример определения вибродемпфирующих свойств конструкционного полимерного материала «армамид» ПА СВ 30-2Т (разновидность полиамида), не обладающего ферромагнитными свойствами, применяемого для изготовления верхнего экрана двигателя полноприводного легкового автомобиля ВА3-2123, представлен на фиг.6. При этом, размеры пластины 2 из исследуемого полимерного материала «армамид» ПА СВ 30-2Т составляли - В (толщина)=3 мм, L (длина)=265 мм, K (ширина)=20 мм. Фрагмент металлической пластинки 17 из ферромагнитного вещества (материал - Сталь 3) был выполнен в соответствии с заявляемыми диапазонами соотношений размеров фрагмента металлической пластинки 17 и несущей пластины 2, т.е. b (толщина)=0.4 мм, I (длина)=2.2 мм, k (ширина)=20 мм. Масса несущей пластины 2 из полимерного материала «армамид» ПА СВ 30-2Т составила 19.4 г, а масса фрагмента металлической пластинки 17 из стали - 0.15 г.

Разумеется, полезная модель не ограничивается описанными конструктивными приемами ее осуществления, показанным на прилагаемых фигурах. Остаются возможными изменения различных конструктивных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема притязаний настоящей полезной модели.

Ссылки:

[1] - И.И.Клюкин, А.Е.Колесников. Акустические измерения в судостроении, Л. "Судостроение", 1982, стр.151...157;

[2] - И.И.Иванов, А.С.Никифоров. Основы виброакустики, СПб.: Политехника, 2000, стр 89...92;

[3] - Н.С.Соломатин, В.Е.Крутолапов. Основные методы определения демпфирующих свойств конструкционных материалов, применяемых в автомобилестроении, Весник №3 Автомеханического института Тольяттинского

государственного университета, Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции. Современные тенденции развития автомобилестроения в России, 22-23 мая 2003, г.Тольятти, стр.52...60.

[4] - Daniel Sophiea, Hong Xiao (SoundAlliance Division, Essex Specialty Products, Inc.). A New Light Weight, High Performance, Spray Applied Automotive Damping Material. Noise and Vibration Conference & Exposition Traverse City, Michigan, May 17-20, 1999 (SAE 1999-01-1674).

[5] - Thomas Lewis (Damping Technologies, Inc.), Peter Jackson and Oliver Nwankwo (Collins and Aikman, Ltd.). Design and Implementation of a Damping Material Measurement/Desing System. Noise and Vibration Conference & Exposition Traverse City, Michigan, May 17-20, 1999 (SAE 1999-01-1675).

[6] - Shih-Wei Kung (Delphi Automotive Systems), Rajendra Singh (The Ohio State University). Determination of Viscoelastic Core Material Properties Using Sandwich Beam Theory and Modal Experiments. Noise and Vibration Conference & Exposition Traverse City, Michigan, May 17-20, 1999 (SAE 1999-01-1677).

[7] - Thomas M Lewis, Richard D Branch (Anatrol Corp.). Routine Damping Material Evaluation and Design of Surface Damping Treatments. SAE 870986.

[8] - Pranab Sana, John Cahine (Kolano and Saha Engineers, Inc.). The Testing of Vibration Damping Materials. Sound and Vibration, May 1995, p.38...42, - ПРОТОТИП.

1. Образец для исследования вибродемпфирующих свойств конструкционных материалов с использованием стендовой измерительной установки «Оберст», содержащий консольно-закрепленную, динамически возбуждаемую, изгибно колеблющуюся несущую пластину, отличающийся тем, что пластина выполнена из заданного исследуемого конструкционного полимерного неферромагнитного материала, на свободной незакрепленной концевой части которой адгезионно установлен фрагмент металлической пластинки, обладающей ферромагнитными свойствами, толщина b которой составляет 0,1 - 0,2 толщины В несущей пластины, ее длина l не превышает 0,008 - 0,009 длины L свободной концевой части несущей пластины, ширина k фрагмента металлической пластинки равна 0,8 - 1,0 ширины К несущей пластины, а отношение массы фрагмента металлической пластинки к массе несущей пластины не превышает значения 0,01.

2. Образец по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере на одной из боковых сторон свободной незакрепленной концевой части несущей пластины адгезионно закреплен слой исследуемого вибродемпфирующего материала.