懸架控制臂液壓襯套動態(tài)特性仿真與測試研究

胡浩炬，鄧小強，郭紹良，余家皓，羅 歡

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434)

液壓襯套作為懸架控制臂與副車架之間的連接件和隔振件，通過在橡膠襯套基礎上封裝液體，使其能在較廣的頻率范圍內(nèi)提供大阻尼，有效抑制因路面不平衡激勵引起的振動，在乘用車懸架系統(tǒng)中得到廣泛應用[1]。

為使搭載的液壓襯套能與車輛相適應，液壓襯套的動態(tài)特性與懸架系統(tǒng)的匹配是其設計的關鍵。本文以某車型懸架控制臂液壓襯套為研究對象，分別采用有限元流固耦合法和AMESim機械液壓系統(tǒng)法建模，對其動態(tài)特性進行仿真，并與試驗結果對比，最后通過已驗證的AMESim參數(shù)模型，研究其動態(tài)特性主要影響因素。

1 控制臂液壓襯套結構

本文所研究的液壓襯套為徑向型雙慣性通道式，其結構如圖1所示。其中液室2由橡膠主簧1、硬質(zhì)塑料板4及外套管6圍裹形成，兩個液室中充滿乙二醇水溶液，通過兩個慣性通道連接。當內(nèi)套管7與外套管6的相對位移變化時，兩液室產(chǎn)生壓力差，液體通過慣性通道3在兩液室中來回流動，通過液體流動的慣性損失、液體與壁面的摩擦損失以及局部損失衰減振動的能量。

(a) 三維模型 (b) 剖面圖

液壓襯套中存在液體與結構的耦合作用，因此其動態(tài)特性具有非線性特性，不能用線性系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)描述，但可以利用描述函數(shù)法定義[2]。當非線性系統(tǒng)受到正弦激勵時，其輸出量通常不是一個諧波響應，其中除了含有與激勵頻率(基頻)相同的成分外，還有高階諧波成分。由于該系統(tǒng)的非線性程度較弱，其高階諧量的幅值較小，所以可以將描述函數(shù)N定義為輸出量的基頻成分與輸入量的復數(shù)比值：

N=Y1/X·ej(φ1-φ0)

(1)

式中：X和φ0分別為輸入諧波的幅值和相位；Y1和φ1分別為輸出基頻成分的幅值和相位；Y1/X為系統(tǒng)的動態(tài)剛度；φ1-φ0為系統(tǒng)的阻尼滯后角。

2 仿真模型建立

2.1 有限元法流固耦合模型

控制臂液壓襯套工作時，被封裝的液體與固體橡膠相互作用，液體作用力施加于固體橡膠上，引起固體橡膠變形，進而又造成液體運動區(qū)域的改變。此類流固耦合問題，需采用任意拉格朗日歐拉法ALE來描述[3]。在流固耦合界面上需要滿足運動學和動力學的條件是：

df=ds，nτs=nτf

(2)

式中：d為耦合邊界位移；τ為邊界應力(下標f、s分別代表流體和固體)；n為邊界法線方向。

建立有限元網(wǎng)格模型如圖2所示，其中固體橡膠網(wǎng)格包含70 846個六面體單元，液體網(wǎng)格包含 13 832個四面體單元，固體橡膠網(wǎng)格與液體網(wǎng)格采用共節(jié)點連接。

模型材料參數(shù)如下：內(nèi)外套管及中間骨架均為鋁材質(zhì)，密度為2.73×106kg/mm3，泊松比為 0.33，彈性模量為70 000 N/mm2；塑料板的密度1.13×106kg/mm3，泊松比為0.35，彈性模量為5 000 N/mm2；橡膠主簧材料采用Mooney本構模型[4]，其C10=0.796、C01=0.019，密度為1.2×106kg/mm3；液體為70%的乙二醇與30%的水混合溶液，密度為1.053×106kg/mm3，20 ℃時的動力粘度為7.5×10-9MPa·s。

2.2 AMESim機械液壓系統(tǒng)法模型

控制臂液壓襯套的動力學模型如圖3所示：K和C分別代表橡膠主簧的剛度和阻尼；橡膠主簧的徑向運動等效于活塞的泵吸運動，圖中的Ap相當于液體泵吸運動的等效活塞面積，KVOL為液室的體積剛度，P1、P2分別代表控制臂兩液室的壓力；左右對稱的兩個慣性通道長度L1=L2，截面積都為AC，粗糙度都為R。當襯套內(nèi)管受到X(t)=Xsin(ωt+φ0)激勵時，襯套外管受到的反力Y(t)為[5]：

圖3 控制臂液壓襯套的力學模型

(3)

根據(jù)圖3所示的動力學模型，在AMESim軟件中建立其機械液壓耦合系統(tǒng)模型如圖4所示，其主要參數(shù)參考文獻[6-7]中的參數(shù)識別方法，即通過“試驗標定與計算”方法獲得，見表1。內(nèi)外套管采用LCON13元件模擬，橡膠主簧用彈簧SPR000A元件和阻尼DAM0000元件模擬，左右液室材料用HHAD11元件模擬，液室壓力用BHC11元件模擬，慣性通道用HL03元件模擬。

圖4 控制臂液壓襯套AMESim草圖模型

表1 AMESim模型中的主要參數(shù)

3 液壓襯套動態(tài)特性計算及分析

3.1 動態(tài)特性計算

此控制臂液壓襯套為徑向型結構，主要作用方向為徑向，故只針對其徑向動態(tài)特性進行仿真分析。定義幅值分別為0.1 mm、0.5 mm正弦波位移載荷曲線，選取1～50 Hz頻率內(nèi)的15個典型頻率分別通過有限元法模型及AMESim機械液壓系統(tǒng)法模型進行液固耦合仿真計算，并提取各頻率下襯套外套管的力與時間曲線，再利用幾何作圖法[8]獲得各頻率下的阻尼角及動剛度，然后繪制成阻尼角及動剛度隨頻率變化曲線。

為驗證計算結果，進行液壓襯套的動態(tài)特性試驗。將控制臂液壓襯套固定在MTS831試驗臺上，試驗方法見文獻[9]，在內(nèi)套管分別施加0.1 mm、0.5 mm幅值的掃頻位移載荷，頻率范圍1～50 Hz，頻率間隔1 Hz。將測得的試驗數(shù)據(jù)處理后最終得到試驗的阻尼角曲線和動剛度曲線。

通過對比分析發(fā)現(xiàn)：不同幅值下的兩種模型的阻尼角及動剛度曲線趨勢與試驗結果一致，阻尼角峰值出現(xiàn)頻率也與試驗結果吻合較好。可見兩種建模方法的計算結果均能很好地模擬控制臂液壓襯套的動態(tài)特性。其中0.1 mm幅值下兩種模型的仿真結果與試驗結果對比如圖5所示。

(b) 動剛度曲線

3.2 主要參數(shù)影響分析

基于上述已驗證的AMESim機械液壓系統(tǒng)法模型，研究主要參數(shù)對控制臂液壓襯套動態(tài)特性的影響，對其動態(tài)性能設計及優(yōu)化有非常重要的意義。

1) 慣性通道截面積AC。調(diào)整AMESim參數(shù)模型中AC為原來的0.75倍和1.25倍，其他參數(shù)不變。分別仿真計算控制臂液壓襯套動態(tài)特性，結果如圖6所示，表明增大AC，其阻尼角峰值與頻率都增大，動剛度則隨AC的增大而減小。

(a) 阻尼角曲線

(b) 動剛度曲線

2)慣性通道長度L。同樣固定其他參數(shù)不變，只改變L為原來的0.75倍和1.25倍。分別計算控制臂液壓襯套動態(tài)特性曲線如圖7所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著L增大，阻尼角峰值增加、峰值頻率減小，動剛度增加。

(a) 阻尼角曲線

(b) 動剛度曲線

4 結 論

1) 有限元法模型及AMESim機械液壓系統(tǒng)法模型的計算結果均能與試驗結果較好吻合。

2) 有限元法流固耦合分析屬于結構分析范疇，存在建模復雜、工作量大、計算時間長等缺點。而利用AMESim機械液壓系統(tǒng)法建模，計算效率高，調(diào)整參數(shù)方便，便于單變量趨勢性分析，但其仿真精度非常依賴于參數(shù)識別的準確性。

3) 可以通過改變慣性通道截面積與長度來實現(xiàn)其阻尼角的調(diào)整，但調(diào)整時還需綜合考慮其動剛度的變化規(guī)律。