麥弗遜懸掛的擺臂橡膠襯套優(yōu)化分析

馬良燦 紀(jì)浩 陳小燕 李小珊

摘 要：通過對(duì)某車型麥弗遜前懸擺臂橡膠襯套本構(gòu)模型參數(shù)識(shí)別，并搭建前懸系統(tǒng)的擺臂襯套有限元分析模型，分析襯套開口方向的接觸壓強(qiáng)，對(duì)襯套變形擠壓產(chǎn)生的NVH問題進(jìn)行了預(yù)測，并提出改進(jìn)方案。利用Isight優(yōu)化軟件聯(lián)合Aabqus有限元分析軟件識(shí)別了橡膠襯套的Mooney-Rivlin本構(gòu)模型C10、C01參數(shù)0.375和0.1011，并利用72通道振動(dòng)加速度數(shù)采儀實(shí)測了顛簸路的襯套NVH表現(xiàn)情況，驗(yàn)證了有限元分析方法的可靠性。

關(guān)鍵詞：橡膠襯套;本構(gòu)模型;參數(shù)識(shí)別;接觸壓強(qiáng)

中圖分類號(hào)：U463.33? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-105-04

Abstract： Based on the welding thermal stress field numerical simulation analysis of weld easy to crack on a torsion beam， compared the effects on welding residual stress from different welding parameters. The study shows that： 1.The residual stress mutated in the heat-affected zone and its peak value is obviously different because of the use of different welding current and voltage. The residual stress peak value on the torsion beam side is higher than on the reinforcement plate side. The residual stress peak value is decreased with the increase of welding current. When it passed 240A the residual stress increase quickly. 2. The residual stress fluctuates at the start and end of the weld and its peak value is higher than the stable stress in the middle of the weld. 3. The most optimal weld stress distribution can be obtained by using 220A welding current， 24V current voltage， 10mm/s welding speed， and controlling the length of arc starting and ending at 15mm. The torsion beam welded with those welding process parameters has passed the road test， and cracking problems of torsion beam weld has been solved.

Keywords： Torsion beam; Numerical simulation; Residual stress; Process parameters

CLC NO.： U463.33? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-105-04

1 前言

橡膠襯套作為軟連接部件，不僅提供各方向可調(diào)的支撐剛度，還能有效衰減各方向的振動(dòng)噪聲，對(duì)整車的操穩(wěn)及乘坐舒適性起關(guān)鍵作用，在現(xiàn)代汽車懸架系統(tǒng)中被廣泛運(yùn)用[1-3]。橡膠襯套的靜剛度、粘彈性等特性對(duì)整車動(dòng)力學(xué)的影響是行業(yè)研究的熱點(diǎn)重點(diǎn)。張平[4]等通過以橡膠的應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)橡膠襯套的本構(gòu)模型識(shí)別進(jìn)行了研究;彭福泰[5]等通過建立帶彈性襯套的動(dòng)力學(xué)模型，研究了不同的橡膠襯套剛度對(duì)懸架動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)的影響;M.J[6]等通過考慮了溫度、頻率、預(yù)載等外界激勵(lì)的影響，建立了橡膠襯套的動(dòng)力學(xué)模型，并通過有限元仿真驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

為了滿足整車的操穩(wěn)特性，通過擺臂襯套開槽方式能有效的調(diào)整襯套剛度進(jìn)而對(duì)整車操穩(wěn)有更直接的響應(yīng)。但在外載的作用下，開槽的襯套面會(huì)相互擠壓摩擦，產(chǎn)生耐久及NVH異響問題，目前還沒有相關(guān)問題分析的研究。本文意在通過建立Isight參數(shù)化模型擬合識(shí)別橡膠襯套本構(gòu)模型，通過Abaqus有限元分析軟件對(duì)麥弗遜懸掛系統(tǒng)下擺臂襯套變形分析，為襯套變形擠壓摩擦產(chǎn)生的耐久及異響問題具體研究方法及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 擺臂橡膠襯套本構(gòu)模型建立

2.1 擺臂橡膠襯套剛度試驗(yàn)

采用低頻動(dòng)靜剛度測試儀MTS-810對(duì)某車型擺臂后點(diǎn)襯套進(jìn)行剛度測試，測試裝配如圖1所示。分別對(duì)軸向、實(shí)心徑向、空心徑向的剛度進(jìn)行了12組的測試，并對(duì)各方向的測試結(jié)果進(jìn)行了均值擬合，以消除測試誤差。測試結(jié)果見圖4、5、6的實(shí)測實(shí)驗(yàn)剛度曲線值。

2.2 擺臂橡膠襯套有限元模型建立

根據(jù)橡膠襯套剛度的測試裝配結(jié)構(gòu)，有限元網(wǎng)格模型如圖2所示，共10470節(jié)點(diǎn)數(shù)，7010單元，其中橡膠單元采用C3D20H橡膠雜交單元，其余網(wǎng)格采用C3D8I單元。橡膠與內(nèi)外鋼套的的硫化采用Tie模擬，工裝夾具采用剛體單元模擬。采用Abaqus14.0 模擬實(shí)驗(yàn)剛度測試方法，求解分析擺臂襯套軸向、徑向剛度值。

2.3 Isight擺臂橡膠襯套參數(shù)優(yōu)化識(shí)別

采用橡膠本構(gòu)的經(jīng)典模型Mooney-Rivlin，對(duì)剛度值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)值與仿真值的擬合。Mooney-Rivlin的模型表達(dá)式見公式（1）：

式中? 和? 分別為一階、二階應(yīng)變不變量[7，8]。本文通過Isight專業(yè)參數(shù)優(yōu)化軟件與Abaqus有限元分析軟件聯(lián)合仿真，以剛度曲線區(qū)域面積差的絕對(duì)值最小為優(yōu)化目標(biāo)，識(shí)別出擺臂橡膠襯套Mooney-Rivlin模型的參數(shù)C10和C01。在Isight中搭建的優(yōu)化模型如圖3所示。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，初擬C10、C01分別為0.6和0.15，最終優(yōu)化的結(jié)果見圖4、圖5、圖6。從圖可知，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)剛度的擬合存在較大的誤差。同向剛度擬合最好，能達(dá)到97%的擬合相似度。同時(shí)優(yōu)化擬合軸向、徑向剛度時(shí)誤差小于5%，滿足工程需求。最終優(yōu)化識(shí)別的Mooney-Rivlin模型C10、C01參數(shù)分別為0.375和0.101。

3 擺臂橡膠襯套的有限元分析

3.1 輪心載荷的采集

采用MSC車輪六分力測試系統(tǒng)對(duì)麥弗遜懸掛系統(tǒng)擺臂襯套變形大的顛簸路面進(jìn)行了輪心六分力的采集，采集數(shù)據(jù)結(jié)果見圖7所示。讀取六分力載荷最大時(shí)刻的數(shù)值作為有限元系統(tǒng)模型的邊界輸入值。

3.2 帶擺臂橡膠襯套的麥弗遜系統(tǒng)懸掛系統(tǒng)有限分析

搭建某車型的單邊前麥弗遜懸掛有限元系統(tǒng)模型，擺臂橡膠襯套為6面體C3D20H橡膠雜交單元，并賦予Isight優(yōu)化識(shí)別的橡膠襯套Mooney-Rivlin模型C10、C01參數(shù)。帶擺臂襯套的前麥弗遜懸掛系統(tǒng)有限元模型如圖8所示。約束與車身相連接的硬點(diǎn)，在輪心處施加顛簸路面采集的最大輪心載荷。襯套的開孔接觸面上設(shè)置接觸對(duì)，后處理中讀取開孔接觸面的接觸壓強(qiáng)，分析結(jié)果如圖9所示。橡膠襯套的接觸面處接觸壓強(qiáng)為15.8Mpa，切向應(yīng)力為13.1Mpa，襯套受載變形嚴(yán)重，有極高的接觸摩擦異響產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。

通過優(yōu)化擺臂襯套的開口角度和膠料的起筋結(jié)構(gòu)，重新按上述方法對(duì)擺臂橡膠襯套進(jìn)行分析，分析應(yīng)力云圖如圖10所示。橡膠襯套接觸面處接觸壓強(qiáng)降為3.6Mpa，切向應(yīng)力為2.4Mpa，襯套受載變形有極大的改善。

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

使用LMS SCADAS Mobile 72通道數(shù)采儀對(duì)整車以25Km/H的速度過顛簸路面采集麥弗遜前懸異常敲擊振動(dòng)信號(hào)，分別對(duì)擺臂前點(diǎn)、擺臂后點(diǎn)、轉(zhuǎn)向節(jié)、減振器下點(diǎn)、Topmount點(diǎn)、轉(zhuǎn)向器布置了振動(dòng)加速度傳感器。未優(yōu)化的擺臂襯套結(jié)構(gòu)前懸各點(diǎn)的振動(dòng)加速度表現(xiàn)如圖11所示。擺臂后點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)響應(yīng)最先發(fā)生，且幅值大于其他測點(diǎn)，表現(xiàn)出該點(diǎn)位置發(fā)生了異常的摩擦接觸，車內(nèi)有異響聲，與有限元分析結(jié)果相同。擺臂后點(diǎn)更換優(yōu)化后的擺臂襯套再進(jìn)行相同條件的測試，更換前后振動(dòng)加速度幅值對(duì)比如圖12所示。從圖知，更換優(yōu)化后的擺臂襯套幅值有大幅的降低，Z向加速由21.5G下降到3.7G，降幅達(dá)到580%，優(yōu)化后的襯套NVH性能表現(xiàn)優(yōu)異，沒有出現(xiàn)異常的接觸異響，與有限元分析結(jié)果一致。

5 結(jié)論

本研究對(duì)某車型麥弗遜前懸擺臂橡膠襯套Mooney- Rivlin本構(gòu)模型C10、C01參數(shù)優(yōu)化識(shí)別，搭建前懸系統(tǒng)的擺臂襯套分析模型，施加實(shí)測六分力值，分析襯套開口方向的接觸壓強(qiáng)，對(duì)襯套變形擠壓產(chǎn)生的NVH問題進(jìn)行了預(yù)測，并提出改進(jìn)方案。實(shí)車測試擺臂襯套的NVH表現(xiàn)情況，驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果，主要得到以下結(jié)論：

（1）利用Isight優(yōu)化軟件聯(lián)合Aabqus有限元分析軟件，優(yōu)化識(shí)別出橡膠襯套的Mooney-Rivlin本構(gòu)模型的C10、C01參數(shù)分別為0.375和0.101。

（2）利用識(shí)別出的橡膠襯套本構(gòu)模型，搭建帶橡膠襯套的麥弗遜前懸系統(tǒng)有限元模型，使用實(shí)測的顛簸路六分力載荷，分析了襯套接觸變形的接觸壓強(qiáng)，對(duì)襯套變形擠壓產(chǎn)生的NVH問題進(jìn)行了預(yù)測，并提出改進(jìn)方案。

（3）通過72通道振動(dòng)加速度數(shù)采儀實(shí)測了顛簸路的襯套NVH表現(xiàn)情況，驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的可靠性。

（4）本研究為橡膠襯套本構(gòu)模型參數(shù)識(shí)別，橡膠襯套變形擠壓摩擦產(chǎn)生NVH問題提供了可行的研究方法及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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