汽車前下擺臂球銷防塵罩結構設計及仿真分析

桂 軍

(青島天贏汽車底盤研究所， 山東 青島 266000)

汽車懸架系統(tǒng)前下擺臂球銷防塵罩的主要作用是，在車輛行駛過程中，防止雨水、沙石、灰塵進入球銷座，起到防塵密封的作用.前下擺臂球銷防塵罩的開裂或破損會導致球銷異常磨損，產(chǎn)生異響，長期磨損甚至會導致前下擺臂球銷脫出，輪胎失去前下擺臂約束，在車輛高速行駛過程中發(fā)生脫落，危及人的生命安全[1].防塵罩主要由橡膠經(jīng)過塑煉、混煉、壓延、成型和硫化等基本工序制作而成.橡膠作為一種高分子非金屬材料，力學性能參數(shù)與金屬材料相差很大.國外學者最早通過對橡膠結構和材料配方進行大量的試驗，得出不同的數(shù)學理論本構模型.伴隨著計算機信息技術的發(fā)展，CAE技術應用到了橡膠材料研究中，將復雜的理論模型可視化和參數(shù)化[2].目前，國內主要是借鑒國外的理論和仿真經(jīng)驗進行研究，針對輪胎和橡膠懸置研究較多，高?？蒲性核碚撗芯慷?，結構應用設計方面涉及較少.李曉芳博士對橡膠材料的超彈性本構模型進行綜述性研究[3].王國權教授團隊針對轉動軸防塵罩借助于Abaqus軟件進行了有限元法適應性研究[4].而下擺臂球銷防塵罩目前主要是借鑒國外車型進行逆向設計，相應的理論及仿真分析較少.前下擺臂球銷防塵罩由于緊鄰汽車輪胎，工作環(huán)境較為復雜惡劣，因此，需要跟隨球銷進行多自由度轉動工作，避免運動過程中產(chǎn)生干涉磨損.本文主要針對某款新能源汽車懸架系統(tǒng)前下擺臂球銷防塵罩橡膠本構模型及結構進行研究，借助Abaqus有限元軟件進行相應的仿真分析，旨在降低產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短設計和樣件試制周期，為產(chǎn)品設計提供理論科學依據(jù).

1 前下擺臂球銷防塵罩裝配結構

該新能源車型底盤前懸架系統(tǒng)選用了麥弗遜式獨立懸架.該類型懸架具有結構簡單、成本低、空間布置方便等特點[5].前懸架三維數(shù)模如圖1所示.前下擺臂在懸架系統(tǒng)中起到了將輪胎轉向節(jié)與副車架連接，進而與車身傳遞載荷的作用.球銷總成裝配簡圖如圖2所示.球銷總成處于前下擺臂與轉向節(jié)連接的關鍵位置，以球鉸接的方式進行連接.球銷球桿在轉向節(jié)臂中靠緊固螺銷連接，球頭在球銷座中球鉸接，球銷座焊接于前下擺臂主體鈑金上.而防塵罩位于轉向節(jié)與球銷座中間，對球銷進行密封防塵，防塵罩隨球銷進行RX、RY、RZ三個自由度轉動[6].

圖1 前懸架三維數(shù)模Fig.1 Front suspension 3D model

圖2 球銷總成裝配簡圖Fig.2 Ball pin assembly sketch

2 防塵罩結構及橡膠屬性

原車防塵罩采用紡錐形設計，中間鼓起，兩端縮口，上端與球銷桿接觸，下端與球銷座接觸.該種結構簡單，具體見圖3.

圖3 原防塵罩結構Fig.3 Original dust cover structure

防塵罩采用氯丁橡膠(CR)為主要材料.其中氯丁橡膠的化學式為CH2CHCClCH2.該橡膠添加炭黑、硫化劑、混煉劑等多種添加劑，再經(jīng)過多道工序加工后形成大分子網(wǎng)狀結構，具有超彈性和不可壓縮性，是一種非線性材料[7].超彈性非線性材料的力學分析，不能像具有線性應力應變曲線區(qū)間的金屬材料僅需參考彈性模量和泊松比參數(shù)[8]，超彈性非線性材料需要借助連續(xù)介質力學理論，采用Mooney-Rivlin模型和Ogden模型推導出力學性能公式，得到材料本構模型的系數(shù)[9].

連續(xù)介質力學理論應變能可以分解為應變偏能量和體積應變能兩部分，其多項式的形式為

(1)

式中：W表示應變能；Cij和Dk是材料常數(shù)，可以由相關材料實驗確定；I1、I2、I3是第1、第2、第3與主伸長率相關的Green變形張量不變量[10].

(2)

I2=(λ1λ2)2+(λ2λ3)2+(λ3λ1)2，

(3)

I3=(λ1λ2λ3)2.

(4)

式中:λ1、λ2、λ3為主伸長比.

λi=1+εi，i=1,2,3.

(5)

當N=1、Dk=0(表示完全不可壓縮)時，則是在橡膠超彈性力學研究中較為常見的Mooney-Rivlin本構模型

W=C10(I1-3)+C01(I2-3) .

(6)

根據(jù)GB/T528—2009進行橡膠單軸拉伸力學特性試驗，得到應力-應變關系數(shù)據(jù)曲線，如圖4所示[11].

圖4 應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curve

將應力-應變數(shù)據(jù)導入Abaqus，擬合得到Mooney-Rivlin本構模型材料系數(shù)為[12]：C10=0.521，C01=0.186，D1=0.

3 有限元仿真分析

3.1 前處理

主要研究防塵罩非線性大變形.防塵罩材質為橡膠，僅需要設置超彈性材料參數(shù).選擇Mooney-Rivlin本構模型，賦予上文中C10、C01、D1材料系數(shù)[13].因防塵罩結構較為復雜，選用8節(jié)點線性降階積分混合單元C3D8RH，單元大小為0.5.相較于橡膠制品，球銷總成中球銷、球銷座、卡簧、骨架及轉向節(jié)臂為鋼鐵材質，彈性模量遠大于橡膠材質，為加快運算速度，皆只保留約束和接觸用面， 簡化為離散型殼剛體.選用4節(jié)點雙線性剛體四邊形殼單元 R3D4， 為防止發(fā)生接觸穿透，剛體單元大小>1.有限元模型簡化為1/2三維旋轉模型，如圖5所示.

圖5 簡化的有限元模型Fig.5 Simplified finite element model

3.2 約束及后處理

球銷座與防塵罩下端模擬卡簧建立綁定連接，并將球銷座進行固定約束，防塵罩卡簧槽表面直接建立固定約束.轉向節(jié)臂下表面與防塵罩頂端面建立接觸，骨架與防塵罩建立綁定連接.防塵罩中部內外表面建立自接觸，與底座潛在發(fā)生碰撞的面建立接觸[14].為最真實模擬防塵罩在車輛行駛過程中的運動狀態(tài)，第一步先對轉向節(jié)臂剛體面施加下壓載荷，將防塵罩下壓8 mm;第二步為工作工況，在球銷中心施加旋轉載荷，使防塵罩轉動25°，模擬車輛在轉向、制動、加速時球銷帶動防塵罩的擺動.兩步仿真與實際效果對比如圖6、圖7所示.兩步仿真結果與實際樣件運動效果接近，最大應力為1.829 MPa.第二步為工作工況下，防塵罩運動極限位置與前下擺臂主體鈑金接觸，發(fā)生了干涉，需進行相應結構優(yōu)化.

圖6 施加下壓載荷時的仿真結果與實際效果對比Fig.6 Simulation results compared with the actual results when the downforce load is applied

圖7 施加旋轉載荷時的仿真結果與實際效果對比Fig.7 Simulation results compared with the actual results when the rotating load is applied

4 結構優(yōu)化及仿真分析

在防塵罩與球銷座、球銷安裝尺寸不變的前提下，主要針對防塵罩中部結構進行優(yōu)化，由紡錐形變更為多段圓弧逐漸平滑過渡型曲線，上端壁厚增加，往下厚度逐漸減小，可以實現(xiàn)上端變形量相對于下端變形量小的效果，從而減少防塵罩整體的變形量，如圖8所示.

采用與上文相同的前處理及接觸約束方式對優(yōu)化后的防塵罩進行有限元仿真，得到分析結果如圖9、圖10所示，最大應力為1.684 MPa，工作工況下， 即轉動時未發(fā)生干涉.相對于優(yōu)化前的防塵罩，優(yōu)化后扭轉剛度也得到提升，如圖11所示.

圖8 優(yōu)化后結構圖Fig.8 Optimized structure

圖9 優(yōu)化后施加下壓載荷時的仿真結果與實際效果對比Fig.9 Simulation results compared with the actual results when the downforce load is applied after optimization

圖10 優(yōu)化后施加旋轉載荷時的仿真結果與實際效果對比Fig.10 Simulation results compared with the actual results when the rotating load is applied after optimization

圖11 扭轉剛度曲線對比Fig.11 Torsional stiffness curve comparison

5 結 論

研究了在汽車行駛過程中因球銷擺動導致防塵罩干涉磨損的問題.借助Abaqus有限元軟件進行相應的仿真分析.通過擬合應力-應變數(shù)據(jù)得到本構模型系數(shù)，并對球銷裝配總成進行彈性體和剛體簡化，能夠快速和較為準確地模擬出橡膠防塵罩運動形態(tài).對防塵罩本體進行結構優(yōu)化后，避免了運動干涉的現(xiàn)象，與實際產(chǎn)品效果接近.在汽車前下擺臂球銷防塵罩結構設計中，以上方法可以預先探測出防塵罩在運動過程中的失效和缺陷， 降低了產(chǎn)品模具開發(fā)和試制成本，縮短了設計和樣件試制周期.由于主要是針對防塵罩本體結構運動的干涉進行研究，對裙邊及唇口只進行了設計簡化，將來需要對裙邊及唇口的接觸應力和密封效果進行深入研究.