橡膠懸架用橡膠彈簧疲勞壽命預(yù)測方法研究

劉建勛鄒波彭立華吳明珠張亞新陳柏松

（1.株洲時代新材料科技股份有限公司；2.清華大學(xué)）

橡膠懸架用橡膠彈簧疲勞壽命預(yù)測方法研究

劉建勛1，2鄒波1，2彭立華1吳明珠1張亞新1陳柏松1

（1.株洲時代新材料科技股份有限公司；2.清華大學(xué)）

橡膠彈簧的疲勞壽命直接反映出橡膠懸架的疲勞壽命。介紹了一種預(yù)測橡膠彈簧疲勞壽命的試驗方法。該方法通過試車場道路試驗里程對試驗室臺架疲勞試驗次數(shù)進行標定，根據(jù)橡膠彈簧的剛度損失率，分析出臺架疲勞試驗次數(shù)與道路試驗里程之間的關(guān)系，進而根據(jù)對橡膠彈簧臺架疲勞試驗效果的評價來預(yù)測其疲勞壽命。通過試驗驗證了該預(yù)測方法的可行性。

1 前言

橡膠懸架是一種新型的懸架系統(tǒng)，其彈性元件為金屬與橡膠硫化而成的橡膠彈簧。與鋼板彈簧相比，橡膠彈簧具有自重輕、剛度可變、承載能力強以及免維護等優(yōu)點，但是橡膠懸架的疲勞壽命較難準確且簡易地判斷，是值得各主機廠研發(fā)機構(gòu)探索的一個方向。

在利用疲勞壽命圖法判斷橡膠彈簧實際使用壽命時，因受限于橡膠材料本身特性，硫化橡膠在多應(yīng)力條件下的MINER疲勞累積法則并不適用于疲勞壽命的判斷[1]，所以橡膠彈簧疲勞壽命的判斷主要通過在試車場實地測試或采用臺架疲勞試驗來完成。但單獨采用試車場試驗則試驗周期長、成本高[2]，而采用臺架疲勞試驗則對加載次數(shù)和加載形式較難把握。

針對上述問題，本文提出一種確定橡膠彈簧臺架疲勞壽命預(yù)測方法。該方法通過橡膠彈簧剛度損失率標定試車場道路試驗里程和試驗室臺架疲勞試驗次數(shù)，確定臺架疲勞試驗次數(shù)與道路試驗里程之間的關(guān)系，進而根據(jù)臺架疲勞試驗次數(shù)來預(yù)測實際道路測試里程，達到預(yù)測橡膠彈簧疲勞壽命的目的，并通過實例驗證了該方法的可行性。

2 疲勞壽命預(yù)測方法

2.1 試驗方法

橡膠彈簧的主要作用是承載、隔振和緩沖，剛度特性是其關(guān)鍵特性之一。目前，橡膠彈簧的基本結(jié)構(gòu)有壓縮型和壓剪復(fù)合剪切型2種，前者主要用于承受較大載荷，后者則用于需要提供較大撓度或位移的場合[3]。針對橡膠懸架系統(tǒng)，為獲得更好的承載性和穩(wěn)定性，通常將剪切型橡膠彈性元件設(shè)計為對稱結(jié)構(gòu)，并將壓縮型橡膠彈性元件布置在其中間位置，共同組成復(fù)合橡膠減振系統(tǒng)，如圖1所示。

本文結(jié)合整車使用要求、橡膠彈簧的承載能力及整車的動撓度，設(shè)定如下判定指標：若橡膠彈簧未發(fā)生疲勞破壞，取其垂向靜剛度損失率ΔK＞20%為判定產(chǎn)品疲勞失效的臨界值，ΔK計算式為：

式中，K1、K2分別為橡膠彈簧疲勞試驗前、后的靜剛度。

在臺架疲勞試驗或道路試驗完成后，將對橡膠彈簧的垂向靜剛度損失率進行分階段檢測，若垂向靜剛度損失率能滿足設(shè)計要求，即認為壽命達到設(shè)計要求。制定的試驗流程如圖2所示。

因為本文的目的是根據(jù)臺架疲勞試驗次數(shù)來推斷實際道路試驗的里程數(shù)，所以必須選擇在同一試驗條件下，針對2組初始垂向靜剛度較接近的橡膠彈簧分別進行臺架疲勞試驗和實車道路試驗對比，以保證推斷結(jié)果的準確性。

試驗時，試驗載荷采用主機廠提供的實測隨機載荷譜，并設(shè)計專用的試驗工裝模擬懸架實際裝車狀態(tài)，加載頻率為1～2 Hz。試驗中不設(shè)定加載次數(shù)，每完成20萬次加載后檢測產(chǎn)品外觀是否發(fā)生疲勞破壞，若無破壞產(chǎn)生則對其進行垂向靜剛度檢測，并計算產(chǎn)品的垂向靜剛度損失率，若檢測的垂向靜剛度損失率達到20%，則試驗停止。最后通過檢測出的試驗數(shù)據(jù)對臺架疲勞試驗次數(shù)與剛度損失率進行擬合，同時也對道路試驗里程數(shù)與靜態(tài)剛度損失率的關(guān)系進行擬合，以此來標定臺架疲勞試驗次數(shù)與道路試驗里程數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。

2.2 試驗過程與分析

按照上述試驗方法，選取2套初始垂向靜剛度相近的橡膠彈簧分別進行臺架疲勞試驗與實車道路試驗，試驗結(jié)果如表1和表2所列。

表1 臺架疲勞試驗橡膠彈簧檢測結(jié)果

表2 實車道路試驗橡膠彈簧檢測結(jié)果

由表1可知，在臺架疲勞試驗過程中，當加載至200萬次后，橡膠彈簧外觀良好，最大垂向靜剛度損失率為13.2%，未發(fā)生疲勞破壞。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可擬合得到垂向靜剛度損失率與臺架疲勞試驗次數(shù)之間的關(guān)系為：

式中，y1為垂向靜剛度損失率；x1為臺架疲勞試驗次數(shù)。

由表2可知，在道路試驗過程中，當實車運行10 000 km后，橡膠彈簧外觀良好，最大垂向靜剛度損失率為12.1%，產(chǎn)品未發(fā)生疲勞破壞。根據(jù)表2中數(shù)據(jù)可擬合得到垂向靜剛度損失率與實際道路試驗里程之間的關(guān)系為：

式中，y2為垂向靜剛度損失率，x2為道路試驗里程。

臺架疲勞試驗次數(shù)、實際道路試驗里程與靜態(tài)剛度損失率之間的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可看出，垂向靜剛度損失率與臺架疲勞試驗次數(shù)是一一對應(yīng)的，垂向靜剛度損失率與道路試驗里程也是一一對應(yīng)的,通過這2個對應(yīng)關(guān)系，再結(jié)合式（2）和式（3）即可得出道路試驗里程與臺架疲勞試驗次數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，如表3所列。

表3 道路試驗里程與臺架疲勞試驗次數(shù)對應(yīng)關(guān)系

同理可以得到道路試驗里程與臺架疲勞試驗次數(shù)關(guān)系為：

式中，X為道路試驗里程；Y為臺架疲勞試驗次數(shù)。

圖4為道路試驗里程與臺架疲勞試驗次數(shù)關(guān)系曲線。

圖4直接反映出道路試驗里程與臺架疲勞試驗次數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，即通臺架疲勞試驗次數(shù)可預(yù)測出該橡膠彈簧在實車試驗過程中能承受的行駛里程。因此，可以間接地通過臺架疲勞試驗次數(shù)預(yù)測出橡膠懸架道路試驗里程，即橡膠懸架疲勞壽命。

3 疲勞壽命預(yù)測方法驗證

為驗證該疲勞預(yù)測方法的可行性，試制了2套初始垂向靜剛度非常相近的橡膠懸架進行驗證試驗。首先針對1套橡膠懸架進行道路試驗，當試驗里程分別達到3 000 km、6 000 km、9 000 km和12 000 km時測量橡膠彈簧垂向靜剛度損失率。同時，針對此4個試驗里程節(jié)點，按照式（4）計算出對應(yīng)的臺架疲勞試驗次數(shù)，分別為57萬次、117萬次、179萬次和240萬次。然后針對另一套橡膠懸架進行臺架疲勞試驗，當臺架疲勞試驗次數(shù)分別達到57萬次、117萬次、179萬次和240萬次時測量橡膠懸架的垂向靜剛度損失率。2種試驗結(jié)果對比如表4所列。

表4 2種試驗的垂向靜剛度損失率對比結(jié)果

由表4可知，臺架疲勞試驗的垂向靜剛度損失率與道路試驗得到的數(shù)據(jù)基本吻合，尤其是道路試驗里程越長，垂向靜剛度損失率偏差比值越小，說明在行駛里程或臺架疲勞試驗次數(shù)越多時，采用上述方法進行橡膠彈簧疲勞壽命的判斷越準確，同時也證明了該疲勞壽命預(yù)測方法的可行性。

4 結(jié)束語

本文以垂向靜剛度損失率為依據(jù)，得到橡膠彈簧臺架疲勞試驗次數(shù)與道路試驗里程之間的對應(yīng)關(guān)系，從而可通過臺架疲勞試驗對橡膠彈簧的疲勞壽命進行預(yù)測。通過驗證試驗表明，隨路試里程和臺架疲勞試驗次數(shù)的提高，臺架疲勞試驗和道路試驗過程中橡膠彈簧的垂向靜剛度損失率越接近，表明可通過垂向靜剛度損失率標定出臺架疲勞試驗次數(shù)或道路試驗里程數(shù)范圍，同時也證明了所提出的疲勞壽命預(yù)測方法的可行性。

1 左田哲彥.橡膠的疲勞與破壞-關(guān)于機理與配方設(shè)計.橡膠譯叢，1981.

2 王霄鋒.汽車零部件耐久性試驗室內(nèi)模擬研究.北京:清華大學(xué),1990.

3 張亞新，劉建勛，黃友劍，等.新型復(fù)合橡膠懸架變剛度承載特性的研究.汽車技術(shù)，2011（5）：20～22.

（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年3月1日。

改進模型中，由于考慮到摩擦錐面間摩擦因數(shù)在同步器工作過程中并不維持一個恒定值，且其與主、被動端實時轉(zhuǎn)速差Δω之間存在函數(shù)關(guān)系，則式（8）被修正為：

將同步器試驗時相關(guān)參數(shù)的數(shù)值分別輸入到傳統(tǒng)模型和改進模型中，得到仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比如圖7所示。

從圖7可看出，在同步過程中，傳統(tǒng)模型得到的轉(zhuǎn)速差變化曲線以直線形式下降，這是由于接合齒圈受到的摩擦轉(zhuǎn)矩數(shù)值不變，其轉(zhuǎn)速呈線性變化；改進模型得到的轉(zhuǎn)速差變化曲線下降斜率逐漸增大，這是由于不斷增大的錐面摩擦因數(shù)導(dǎo)致接合齒圈受到的摩擦轉(zhuǎn)矩數(shù)值不斷增加。通過與實際臺架試驗結(jié)果對比可知，考慮了摩擦因數(shù)變化的改進模型得到的換擋時間更貼近真實值，能夠更好地反映同步器工作過程。

5 結(jié)束語

通過對變速器同步器工作過程進行的臺架試驗發(fā)現(xiàn)，在同步器同步過程中，摩擦錐面間摩擦因數(shù)并不是定值，而是與轉(zhuǎn)速差變化呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。據(jù)此在Matlab/ Simulink環(huán)境下建立了視該摩擦因數(shù)分別為定值和變化量的2種動力學(xué)仿真模型，比較了2種模型分析結(jié)果的差異。通過仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比，驗證了考慮摩擦因數(shù)變化的仿真模型能夠更準確地反映同步過程的真實情況，更有利于同步器各工作參數(shù)的精確計算。

參考文獻

1 Hua Huang,Sebastian Nowoisky,René Knoblich,Gühmann C.Modeling and Testing of the Hydro-Mechanical Synchro?nization System for a Double Clutch Transmission.Proceed?ings of the 9th International Modelica Conference.2012.

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3 H?ggstr?m D,Nordlander M.Development of a Program for Calculating Gearbox Synchronization.Sweden:Lule? Uni?versity of Technology.2011.

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5 任書坤.我國汽車變速器同步環(huán)用材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.汽車技術(shù),1993（10）:44～46.

6 Description of the FZG SSP 180 Synchronizer Testing Ma?chine.Zahnradfabrik Friedrichshafen AG.

7 張濤.基于電液比例閥的大功率AT換擋品質(zhì)控制：[學(xué)位論文].北京:北京理工大學(xué),2012.

（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年3月31日。

Research on Fatigue Life Predication Method for Rubber Suspension Spring

Liu Jianxun1,2,Zou Bo1,2,Peng Lihua1,Wu Mingzhu1,Zhang Yaxin1,Chen Baisong1
（1.Zhuzhou Times New Material Technology Co.,Ltd;2.Tsinghua University）

Fatigue life of rubber spring directly reflects that of rubber suspension.A test method to predicate fatigue life of rubber spring is introduced in this article.In this method,number of laboratory bench test is calibrated by road test mileage on proving ground.According to the loss rate of stiffness of rubber spring,the relationship between the bench test number and road test mileage is analyzed and the fatigue life of rubber spring is predicated by evaluation of bench test results of rubber spring.Feasibility of this predication method is proved by test.

Rubber suspension,Rubber spring,Fatigue life,Bench test

橡膠懸架 橡膠彈簧 疲勞壽命 臺架試驗

U463.33+4.5

A

1000-3703（2015）07-0042-04