橡膠元件在汽車懸架中的應(yīng)用分析

陳國瑞，李紹剛，錢愛東

（遼寧省鐵嶺橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，遼寧 鐵嶺 112000）

橡膠元件在汽車懸架中的應(yīng)用分析

陳國瑞，李紹剛，錢愛東

（遼寧省鐵嶺橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，遼寧 鐵嶺 112000）

對(duì)汽車懸架中使用橡膠元件進(jìn)行分析，針對(duì)橡膠套管的性能分析、動(dòng)特性測試以及有限元分析進(jìn)行了較為全面的闡述，再從整車性能和懸架彈性運(yùn)動(dòng)兩個(gè)方面對(duì)橡膠元件在汽車懸架中發(fā)揮的作用進(jìn)行分析，得出橡膠元件可以優(yōu)化汽車懸架運(yùn)動(dòng)性能的結(jié)論，并指出需進(jìn)一步對(duì)橡膠元件對(duì)汽車高頻動(dòng)態(tài)特性的影響作出研究，以推動(dòng)橡膠元件在汽車懸架中的應(yīng)用。

橡膠元件；汽車懸架；性能分析；應(yīng)用

在近些年的汽車懸架設(shè)計(jì)工作之中，橡膠元件的使用越來越廣泛，這雖然使得懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨向復(fù)雜化，但是也能夠?qū)崿F(xiàn)懸架性能的提升和穩(wěn)定。就當(dāng)前的實(shí)際情況而言，在汽車懸架系統(tǒng)中，橡膠元件主要涉及到橡膠襯套、緩沖塊、彈簧以及穩(wěn)定桿支撐等，而橡膠襯套作為懸架系統(tǒng)重要的零部件，具有承載的作用，對(duì)整車性能的影響非常突出。所以，本文就著重針對(duì)橡膠襯套這一元件在汽車懸架中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1 橡膠元件在汽車懸架系統(tǒng)的應(yīng)用性能分析1.1 性能分析

將橡膠元件運(yùn)用到汽車的懸架系統(tǒng)當(dāng)中，能夠表現(xiàn)出以下幾個(gè)方面的顯著優(yōu)點(diǎn)。一是可以降低汽車出現(xiàn)的噪聲和振動(dòng)，使汽車的運(yùn)行更加平穩(wěn)。二是汽車以及懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性會(huì)受到橡膠剛度的影響。三是使用橡膠元件不需要進(jìn)行潤滑。對(duì)于橡膠襯套而言，將其使用到汽車懸架系統(tǒng)中可以發(fā)揮出上述三點(diǎn)作用，而其按照制造工藝可以分為四種，即橡膠與金屬內(nèi)外筒粘結(jié)；外筒壓入，內(nèi)筒粘結(jié)；外筒及內(nèi)筒均壓入；單純內(nèi)筒粘結(jié)，無外筒。這四種不同的形式，在懸架系統(tǒng)中能夠表現(xiàn)出不同的作用。而為了使其在使用中的耐久性實(shí)現(xiàn)提升，可以對(duì)中間橡膠體進(jìn)行徑向預(yù)壓縮，壓縮形成控制在橡膠元件自身厚度的10%～30%范圍內(nèi)。在車輛行駛中，橡膠襯套會(huì)受到來自徑向、軸向以及扭轉(zhuǎn)這三個(gè)方面的綜合水，這就需要使橡膠襯套在多因素影響下保持良好的剛度性能。一般，在對(duì)橡膠元件進(jìn)行性能分析時(shí)，主要的手段是有限元分析、公式計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)測試等。因?yàn)榍皟烧哌^于偏向理論，對(duì)實(shí)際情況的考慮不夠全面，因此應(yīng)該將實(shí)驗(yàn)測試作為測試橡膠元件性能的主要手段。

1.2理論研究

對(duì)于車輛懸架設(shè)計(jì)而言，靜剛度是橡膠元件運(yùn)用到車輛懸架中的基礎(chǔ)指標(biāo)。從性質(zhì)上來說，靜剛度是對(duì)橡膠元件的靜態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行了描述，主要通過載荷-變形曲線在緩慢加載情況下的實(shí)際變化進(jìn)行判斷。就當(dāng)前的實(shí)際情況而言，對(duì)汽車懸架運(yùn)用橡膠元件的研究主要集中在圓柱型橡膠襯套上。對(duì)于圓柱型橡膠襯套而言，通過分析整體受力可以發(fā)現(xiàn)，其具有圓錐剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、徑向剛度以及軸向剛度這四類，在小形變狀態(tài)下，可以將應(yīng)力-應(yīng)變看作線性變化。在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的表示上，因?yàn)槭窍鹉z材料，因此可以通過應(yīng)變能對(duì)其進(jìn)行表示，不需要使用泊松比或是楊氏模量。在橡膠發(fā)生形變的過程中，表現(xiàn)出了很強(qiáng)的物理非線性和幾何非線性，其中物理非線性是指應(yīng)力-應(yīng)變非線性，而幾何非線性是指位移平衡方程非線性。在汽車懸架中應(yīng)用橡膠元件時(shí)，還存在襯套過盈壓配工藝以及邊界不確定的問題。所以，需要通過一定手段對(duì)橡膠元件的非線性問題展開分析處理，才能使其在汽車懸架中的應(yīng)用更加深入。

1.3動(dòng)特性試驗(yàn)

對(duì)于汽車而言，振動(dòng)是衡量整車性能的重要指標(biāo)。而在懸架系統(tǒng)當(dāng)中，橡膠元件的動(dòng)態(tài)特性對(duì)整車振動(dòng)性能具有直接關(guān)系，通過對(duì)橡膠元件的阻尼和動(dòng)態(tài)剛度進(jìn)行測定，能夠憑借相應(yīng)測定數(shù)據(jù)對(duì)汽車懸架設(shè)計(jì)提供可靠參考。這就需要針對(duì)橡膠元件的粘彈特性進(jìn)行分析，可以將橡膠元件簡化為如下圖所示的模型，在外力作用下產(chǎn)生形變的時(shí)候，則會(huì)表現(xiàn)出應(yīng)變滯后于應(yīng)力作用的現(xiàn)象。

圖1　橡膠元件簡化模型

在動(dòng)態(tài)特性的測試方面，主要是通過一些設(shè)備進(jìn)行，而阻尼和動(dòng)態(tài)剛度對(duì)于這些測試方法或是測試設(shè)備都表現(xiàn)出了敏感性的特點(diǎn)。在測試方法、測試設(shè)備以及分析模型存在差異的情況下，可以通過不同的分析手段對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，像回歸法、矢量法等都是用于阻尼和動(dòng)態(tài)剛度分析計(jì)算的可靠手段。在進(jìn)行試驗(yàn)的過程中，一般是通過信號(hào)采集器對(duì)試驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行采集，以正弦振動(dòng)作為輸入力和形變量之間的關(guān)系。通過實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，橡膠元件在汽車懸架中所體現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)特性，會(huì)在振幅、頻率以及溫度等因素的改變下發(fā)生一定的變化，這就需要通過可靠的測試設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，并且要對(duì)振幅和頻率進(jìn)行有效控制。不僅如此，在測試橡膠元件動(dòng)特性的過程中，需要對(duì)預(yù)載要求、溫度控制以及設(shè)備夾具等因素進(jìn)行合理控制。

1.4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過對(duì)橡膠襯套的分析研究發(fā)現(xiàn)，其具有形變大、非線性以及邊界不確定這幾個(gè)特點(diǎn)，通過ANSY軟件對(duì)圓柱型橡膠襯套進(jìn)行研究，著重分析變形響應(yīng)。具體地說，該圓柱型襯套和金屬內(nèi)筒進(jìn)行了硫化粘結(jié)，而和外筒又是壓配過盈，其具體示意圖如2所示。

從圖2可以看出，在進(jìn)行分析時(shí)，可以將內(nèi)筒進(jìn)行固定，同時(shí)對(duì)外筒外壁施加Z方向的位移，對(duì)施加位移和約束反力之間的關(guān)系展開分析。因?yàn)閮?nèi)筒和中間橡膠體處于粘接狀態(tài)，可以對(duì)模型進(jìn)行化簡，僅僅對(duì)中間橡膠體和金屬外筒構(gòu)建幾何模型即可，使固定約束施加到橡膠內(nèi)壁的節(jié)點(diǎn)上。具體的幾何參數(shù)為：橡膠襯套R(shí)=12.5 mm，L=43 mm，r=10 mm；金屬外筒R=15 mm，L=43 mm，r=12 mm；外筒和橡膠之間的過盈壓縮量為20%。由此可以構(gòu)建有限元模型進(jìn)行分析，通過3 850個(gè)20節(jié)點(diǎn)立方體構(gòu)成模型，如圖3所示。

圖2　圓柱型橡膠襯套示意圖

圖3　有限元模型示意圖

對(duì)于外筒和橡膠襯套之間的過盈壓縮進(jìn)行接觸模擬，選擇面對(duì)面的接觸形式。金屬外筒的泊松比為0.3，彈性模量為2.1×105MPa。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，需要對(duì)橡膠襯套的實(shí)際變形響應(yīng)進(jìn)行測量，這可以借助MTS單通道試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，有限元模型所分析得出的結(jié)果，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相吻合的。

2 整車性能受到橡膠元件的實(shí)際影響

2.1整車性能受到橡膠元件的具體影響

要分析整車性能受到的具體影響，可以通過有限元和多體動(dòng)力學(xué)這兩種方法綜合使用，達(dá)成研究目的。首先需要構(gòu)建整車剛?cè)狁詈吓c懸架的動(dòng)力學(xué)模型，并且求解狀態(tài)方程，深入分析橡膠襯套參數(shù)變動(dòng)對(duì)懸架系統(tǒng)以及整車性能造成的影響，以及其相互之間的內(nèi)在聯(lián)系。具體說來，整車性能在橡膠襯套參數(shù)的變化下，其會(huì)表現(xiàn)出一定的正比關(guān)系，如約束反力和軸向位移之間會(huì)表現(xiàn)出一定的正比關(guān)系，實(shí)驗(yàn)值和FEA值之間基本保持一致。而在整車性能的特性上，橡膠襯套使得整車性能表現(xiàn)出高頻NVII、平順性以及低頻穩(wěn)定操作這幾個(gè)方面。

橡膠襯套自身具有一定的形變特性，而其形變特性又和汽車懸架的運(yùn)動(dòng)特性直接關(guān)聯(lián)，還關(guān)系到汽車的穩(wěn)定性。不僅如此，橡膠襯套在剛度大小對(duì)懸架側(cè)傾角剛度大小也具有一定影響，通過實(shí)驗(yàn)分析明確車身側(cè)傾性能約有10%是由橡膠襯套貢獻(xiàn)的。車輛懸架在設(shè)計(jì)中，水平向和垂向的剛度是依靠減振器和主簧實(shí)現(xiàn)的，在此基礎(chǔ)上還需通過橡膠襯套進(jìn)一步提升其動(dòng)態(tài)特性。這是因?yàn)樵趹壹芟到y(tǒng)中，橡膠襯套能夠使車身受到的沖擊和振動(dòng)有效減少，強(qiáng)化其平順性。另外，由于會(huì)受到來自橡膠襯套自身徑向剛度、軸向剛度與阻尼的影響，會(huì)對(duì)汽車水平向的低頻振動(dòng)產(chǎn)生比較顯著的影響，而這又和襯套安裝的具體位置存在聯(lián)系。若是懸架系統(tǒng)變形范圍較小，那么在垂向剛度上，其對(duì)懸架產(chǎn)生的影響是比較小的。

為了降低汽車懸架和輪胎傳遞道路噪聲的問題，可以適當(dāng)改變橡膠襯套的剛度。比如，對(duì)于某型轎車而言，在明確車身加速度與車輪加速度之間的幅頻特性后，可以從考慮橡膠襯套和不考慮橡膠襯套兩個(gè)層面針對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行分析，最后可以得出對(duì)應(yīng)的振動(dòng)傳遞特性變化。

2.2應(yīng)用分析

通過實(shí)例對(duì)汽車懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，主要核心在于對(duì)橡膠襯套的作用進(jìn)行探究，明確車輪跳動(dòng)量和車輪定位參數(shù)之間的相互關(guān)系。就現(xiàn)代汽車的發(fā)展而言，其對(duì)懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)要求是：車輪外傾角、前束角以及車輪間距的變化量在車輪出現(xiàn)上下跳動(dòng)的過程中，需要保持在最小水平。通過剛度設(shè)計(jì)變量對(duì)懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)受到橡膠襯套的影響進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)襯套各向剛度實(shí)現(xiàn)不斷優(yōu)化。為了設(shè)計(jì)變量有效減少，可以針對(duì)目標(biāo)函數(shù)的最大影響進(jìn)行設(shè)計(jì)變量的控制，通過ADAMS軟件分析靈敏度。通過實(shí)際研究表明，在懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)影響因素中，橡膠襯套平動(dòng)剛度的影響程度要大于扭轉(zhuǎn)剛度。因此，可以在8個(gè)靈敏度絕對(duì)值較大的條件下，得出24個(gè)平動(dòng)剛度的設(shè)計(jì)變量，以此進(jìn)行優(yōu)化多目標(biāo)的計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)值明顯下降，再輸入優(yōu)化后的各向剛度進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)橡膠襯套在優(yōu)化之后的外傾角、前束角以及車輪間距等得到了一定程度的改善。其中，改善效果最為明顯的當(dāng)屬前束角，其在優(yōu)化之前，隨著車輪跳動(dòng)高度的增加，其前束角呈現(xiàn)出劇烈的下降趨勢。而在優(yōu)化之后，車輪跳動(dòng)高度從-100～100 mm的變化過程中，前束角基本能夠維持在-0.0 025o的水平，不會(huì)出現(xiàn)太大的變化。此外，為了在不同方向上能夠使橡膠襯套表現(xiàn)出不同的剛度，可以在襯套上設(shè)置適當(dāng)?shù)臏p弱孔，或者增加復(fù)合鋼片。

3 結(jié)束語

分析橡膠元件在汽車懸架中的應(yīng)用，需要針對(duì)橡膠元件的自身特性展開分析。不論是各向剛度、還是汽車的穩(wěn)定性和平順性等，都和橡膠元件在懸架中的實(shí)際應(yīng)用存在緊密聯(lián)系。通過有限元以及其他分析軟件對(duì)橡膠元件在懸架以及整車中表現(xiàn)出的實(shí)際作用進(jìn)行分析，得出橡膠元件能夠?qū)崿F(xiàn)減噪、減震等作用。這需要進(jìn)一步通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，對(duì)汽車動(dòng)態(tài)特性受到橡膠元件的影響深入剖析，在汽車懸架設(shè)計(jì)中合理運(yùn)用橡膠元件，不斷提升汽車性能。

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Application analysisof rubber components in automotive suspension

U463.33

1009-797X（2016）10-0075-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.030

陳國瑞（1964-），男，高級(jí)工程師，橡膠彈簧，橡膠減震制品的研發(fā)設(shè)計(jì)，遼寧省鐵嶺橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院院長。

2016-04-20