汽車懸架橡膠襯套力學特性的研究

汽車懸架橡膠襯套力學特性的研究

1懸架用橡膠襯套的設計近年來，橡膠元素被廣泛應用于許多汽車的設計中。這不僅提高了設計分析的復雜性，而且可以根據需要準確設計懸掛性能。目前，汽車懸架用橡膠元件主要有橡膠襯套（包括減振器支承）、懸架緩沖塊、懸架彈簧、穩(wěn)定桿支承等。其中，橡膠襯套作為懸架重要的承載結構零件，因其對整車性能尤其對車輛高速性能影響至關重要，已成為懸架研究領域中的重要分支。以橡膠襯套為例，探討其分析方法和對車輛性能的影響。1.1橡膠元件的分析方法在汽車懸架上使用橡膠襯套主要基于其如下優(yōu)點在實際的車輛使用中，橡膠襯套經受軸向、徑向和扭轉的綜合載荷，因此不僅要求它們在一種或多種變形中的動靜剛度符合規(guī)范，而且要具有良好的疲勞壽命。為獲得橡膠元件的各項參數，可以采用計算公式、有限元分析和試驗測試等方法。很多情況下采用計算公式預測橡膠元件剛度，這些理論公式在有限的小變形范圍內具有指導意義。同時，人們也運用有限元方法分析橡膠元件的力學特性，通用的非線性有限元求解器能解出超彈性材料的應力—應變問題。盡管有限元技術已成為橡膠元件設計中不可缺少的分析手段，但試驗測試手段仍然是分析橡膠元件的重要方法，這是因為測試數據客觀、運用范圍廣。液壓伺服試驗臺是目前較為理想的測試設備。1.2汽車懸架橡膠襯套非線性分析的材料和方法橡膠元件的靜剛度是進行車輛懸架設計的基礎指標。靜剛度是指靜態(tài)力學特性,即在緩慢加載的情況下得到的載荷-變形曲線,通常用圓柱型橡膠襯套的彈性變形方向如圖3所示，其中K對于橡膠類材料，不用楊氏模量和泊松比表示應力-應變關系，而用應變能（W）來表達應力-應變關系，此函數形式及其中所包含的常數需由試驗確定。W由3個應變不變量J式中，J如視橡膠材料為不可壓縮超彈性材料，則J橡膠類材料具體應變能函數的種類很多，一般有二項Mooney-Rivlin模型、Neo-Hookean模型、Yeoh模型等。3種模型均較好地描述了橡膠小應變及中等程度的應變，材料試驗的需求條件相對較低，適合于汽車懸架橡膠類元件工程設計使用。其中，二項Mooney-Rivlin模型為：式中，C由于該模型簡單實用，在彈性體的有限元分析（FEA）中獲得廣泛的應用。在20世紀70年代，FEA已為設計者所使用。在設計初期需要詳細的橡膠零件性能參數以及處理復雜幾何外形的設計問題時，FEA具有更強的適用性。在汽車懸架應用中，橡膠元件一般承受著較大的變形，因此決定了橡膠在變形過程中呈現強的幾何和物理雙重非線性。幾何非線性是指大位移（或大應變）問題，當物體變形過大時，變形量對平衡方程的影響不可忽略，由此導致了平衡方程的非線性。物理非線性是指材料的應力—應變關系是非線性的。而對于過盈壓配工藝的襯套，還存在邊界不確定性問題。接觸問題是邊界待定的幾何非線性問題，它的非線性是由邊界條件引起的，因此對懸架橡膠襯套進行非線性有限元分析，應該是上述3種非線性問題的耦合。目前，商業(yè)化的分析軟件MARC、ANSYS、ABAQUS等可對橡膠元件進行非線性分析計算。1.3橡膠元件動態(tài)性能懸架用橡膠元件的動態(tài)性能與整車的振動特性緊密相關，準確測試出橡膠元件的動態(tài)剛度與阻尼，對于評價其工作性能和設計起著十分重要的作用。橡膠材料的粘彈特性簡化模型如圖4所示。當物體受到外力作用產生變形時，應變遲滯于應力。橡膠元件動態(tài)性能是指動態(tài)剛度與阻尼系數，其動態(tài)性能對于測試設備、測試方法非常敏感。因此，橡膠元件的動態(tài)測試技術與發(fā)展一直是橡膠工程領域中較活躍的研究分支動特性試驗采集到的信號一般是以力的正弦振動為輸入的力與變形量的關系，如圖5所示。取K式中，α為曲線所圍面積，表示在一個循環(huán)中橡膠的能量損耗。損失因子η=tanΦ，剛度與阻尼系數方程如下橡膠動態(tài)特性隨振動頻率、振幅和環(huán)境溫度的變化而改變，因此要求各種通用或專用的測試設備具有良好的頻率控制和振幅控制，同時還要注意試驗過程中的溫度控制、預載要求、設備夾具的摩擦力等因素。1.4材料模型與實驗條件基于橡膠襯套材料的非線性、大變形和邊界不確定性，采用ANSYS軟件的非線性分析程序對某懸架圓柱型橡膠襯套的變形響應進行研究。該圓柱型襯套橡膠體與金屬內筒硫化粘結，與外筒過盈壓配。分析時，固定內筒，對金屬外筒外壁施加Z向位移（圖6），考察約束反力與施加位移之間的關系。由于中間橡膠體與內筒粘接，為簡化模型，僅建立金屬外筒與中間橡膠體的幾何模型，固定約束直接施加到橡膠內壁節(jié)點上。幾何參數為：橡膠體L=43mm,R=12.5mm,r=10mm；金屬外筒L=43mm,R=15mm,r=12mm；橡膠與外筒過盈壓縮量20%。有限元模型由3850個20節(jié)點立方體單元組成，如圖7所示。橡膠與外筒過盈壓縮采用接觸模擬，接觸區(qū)域選用面對面接觸。材料模型選用二項Mooney-Rivlin模型，橡膠材料常數C為了驗證數值計算結果，對該零件進行了相同工況實際變形響應測量，試驗設備為MTS單通道試驗臺。對比結果如圖8所示，可見有限元結果與試驗值吻合較好。2橡膠套筒對整個產品的性能的影響分析2.1襯套對整車性能的影響橡膠襯套對整車性能的影響分析可以綜合運用多體動力學（MB）和有限元分析（FEA）方法，建立懸架與整車剛柔耦合的動力學模型，對狀態(tài)方程進行分析求解，觀察襯套參數變化對懸架及整車多方面性能影響的內在聯系。橡膠襯套對整車性能的影響關系如圖9所示，主要體現在低頻的操縱穩(wěn)定性、平順性和高頻的NVH特性。橡膠襯套變形特性直接影響懸架的運動學性能，從而影響汽車的操縱穩(wěn)定性。另外，橡膠襯套的剛度還影響懸架側傾角剛度的大小，一般認為橡膠襯套對于車身抗側傾性能貢獻約為10%車輛懸架系統垂向和水平方向剛度的合理設計取決于主簧和減振器的設計，同時還要借助于橡膠襯套來進一步改善其特性，因橡膠襯套能有效地減少來自地面的力對車身（或車架）的沖擊和振動，從而改善車輛平順性。由于橡膠襯套自身軸向及徑向剛度與阻尼的影響，襯套抑制汽車水平方向的低頻振動效果十分明顯（與襯套具體安裝位置有關）改變懸架橡膠襯套的剛度可以降低由輪胎與懸架傳遞的道路噪聲2.2橡膠襯套的多目標優(yōu)化分析懸架彈性運動學指考慮橡膠襯套的彈性作用，研究車輪定位參數與車輪跳動量之間關系的影響。現代汽車對于后懸架運動學要求根據懸架幾何模型和物理參數，運用ADAMS軟件建立該懸架的仿真模型，如圖12所示。橡膠襯套的連體坐標系（圖6）中每個橡膠襯套輸入X、Y、Z軸的平動剛度和扭轉剛度，共計6個剛度指標。將該懸架的8個橡膠襯套的各向剛度按序建立設計變量，共計48個。設計變量初始值由對各橡膠襯套進行臺架試驗而獲得，變量范圍取初始值的±50%。利用ADAMS軟件，分別建立前束角、外傾角和輪距的分目標測量函數，并分別以各分目標函數的絕對值最小為目標，進行單目標優(yōu)化分析。分別求出車輪前束角、外傾角、輪距的最小值f式中，當分目標函數f為了進一步減少設計變量數目，了解對目標函數影響最大的設計變量，利用ADAMS軟件進行了靈敏度分析。分析結果表明，橡膠襯套的平動剛度對懸架的運動學影響比扭轉剛度更大。為此，提取8個橡膠襯套的靈敏度絕對值較大的平動剛度的設計變量共計24個，進行多目標優(yōu)化計算。優(yōu)化計算后，函數值f(X）由初始值下降58%，效果較為明顯。輸入橡膠襯套優(yōu)化后的各向剛度值，進行懸架運動學對比分析，仿真結果表明，采用優(yōu)化設計后的橡膠襯套剛度值、前束角、外傾角、輪距等車輪定位參數變化特性均得到一定的改善，其中前束角變化特性改善程度最明顯，如圖13所示。為了使橡膠襯套在不同方向上具有不同的剛度，可以通過在襯套某個方向上增設減弱孔或增加復合鋼片等方法實現。3懸架橡膠元件的應用和分析技術研究利用通用的商業(yè)軟件進行橡膠元件較為復雜的非線性有限元分析可取得較好的效果。有限元方法在預測產品性能、處理復雜幾何外形的產品中，具有更強的適用性，在橡膠元件的性能分析中將獲得更多的運用。因此，綜合運用上述研究手段，探討橡膠元件在汽車懸架中的應用和分析技術，將有助于提高汽車懸架用橡膠元件的選型和設計水平。在設計橡膠件時應較多地考慮滿足車輛低頻性能要求，而橡膠元件對汽車高頻特性（下轉第35頁）（上接第22頁）影響的認識仍有待深入研究。目前，在懸架橡膠元件的規(guī)范中規(guī)定了靜態(tài)剛度和一種或兩種低頻下的動態(tài)剛度