基于有限元技術(shù)的一種橡膠襯套疲勞試驗(yàn)夾具的研發(fā)

張 洋，趙遠(yuǎn)征，邸泉瑋，梁 卓，于 明，孫新蕾

(中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130103)

1 引 言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)汽車整車及其零部件的產(chǎn)品可靠性、節(jié)能舒適性、行駛穩(wěn)定性等要求越來(lái)越高。在整車懸架系統(tǒng)的傳遞及導(dǎo)向裝置，與車身連接的鉸接點(diǎn)越來(lái)越多地采用橡膠襯套連接，這是由于橡膠襯套具備彈性特征和衰減特征等優(yōu)點(diǎn)，能夠在不改變低頻段隔振性能的基礎(chǔ)上極大地提高懸架系統(tǒng)高頻段的隔振性能，在一定程度上減小路面不平整造成的車輛內(nèi)部噪聲。因此，橡膠襯套零件的疲勞性能質(zhì)量檢驗(yàn)變得非常重要，橡膠襯套疲勞試驗(yàn)成為試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用中不可或缺的一部分[1]。

市面上應(yīng)用較為廣泛的試驗(yàn)機(jī)是電液伺服試驗(yàn)機(jī)。電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)是中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司專項(xiàng)基金研發(fā)的全新系列產(chǎn)品，本文在該試驗(yàn)機(jī)主機(jī)加載框架的基礎(chǔ)上，對(duì)橡膠襯套試驗(yàn)的加載方式進(jìn)行了分析，開發(fā)了一種橡膠襯套專用夾具，并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證了該套夾具的可靠性及實(shí)用性。

2 橡膠襯套試驗(yàn)方法

橡膠襯套作為汽車懸架系統(tǒng)鉸接傳動(dòng)裝置的鉸接連接件，基本類型分為簡(jiǎn)單襯套、法蘭襯套、球面襯套和其他襯套等。本文襯套試樣所采用的是簡(jiǎn)單襯套，其包括內(nèi)套、橡膠層和外套(如圖1所示)。

圖1 橡膠襯套結(jié)構(gòu)

橡膠件的形狀有較自由的選擇余地，能相應(yīng)地選擇3個(gè)方向(徑向、軸向、扭轉(zhuǎn))的疲勞試驗(yàn)。橡膠襯套加載載荷如表1所示。

表1 橡膠襯套加載載荷

該產(chǎn)品試樣為商用車板簧橡膠軸套，根據(jù)其疲勞檢驗(yàn)試驗(yàn)方法，各通道加載載荷為實(shí)際最大載荷的70%。由表1中的載荷計(jì)算可得：

F徑=F徑max×70%=±63kN

F軸=F軸max×70%=±7kN

φ扭=φ扭max×70%=±12.6°

扭矩-扭角曲線見圖2，由圖2可得試驗(yàn)扭矩N扭=±350N·m。

圖2 扭矩-扭角曲線

3 橡膠襯套試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)

橡膠襯套的疲勞試驗(yàn)加載采用如圖3所示的三通道加載試驗(yàn)臺(tái)，其主機(jī)結(jié)構(gòu)包括擺動(dòng)作動(dòng)器、徑向直線作動(dòng)器、軸向直線作動(dòng)器、撓性聯(lián)軸器以及傳感器等。本文主要介紹橡膠襯套夾具。

圖3 主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

橡膠襯套試樣與整套夾具之間通過配合連接，襯套試樣需按指定的壓力壓入至襯套連接夾具中，襯套試樣及襯套連接夾具與加載梁通過法蘭止口和螺栓連接的形式固定，以保證試樣與夾具部裝整體連接的可靠性和定位對(duì)中性能。襯套試樣安裝結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

圖4 襯套試樣安裝結(jié)構(gòu)示意圖

由于橡膠層的自由度，橡膠襯套夾具分別預(yù)留三通道加載端口(軸向加載、徑向加載、扭轉(zhuǎn)加載)。為保證3個(gè)方向在橡膠襯套試樣上的同時(shí)加載，避免加載力之間的干涉，在每個(gè)加載通道的方向上設(shè)計(jì)安裝有軸承，保證加載通道的鉸接自由度，用以解耦。襯套夾具結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 襯套夾具結(jié)構(gòu)示意圖

該套試驗(yàn)夾具中，襯套試樣所受的軸向力與徑向力加載到襯套試樣外套上，扭轉(zhuǎn)加載應(yīng)與襯套試樣內(nèi)套相連接。由于結(jié)構(gòu)原因，該部分采用摩擦連接。采用鉸接螺栓穿過兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸承座及襯套試樣內(nèi)套并擰緊，通過螺栓連接的軸向預(yù)緊力達(dá)到摩擦效果。

4 夾具有限元分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的橡膠襯套疲勞試驗(yàn)機(jī)夾具的結(jié)構(gòu)性能，使用有限元分析軟件ANSYS-WORKBENCH對(duì)該套夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析。襯套試驗(yàn)夾具在結(jié)構(gòu)上同時(shí)承受3個(gè)方向的周期加載，底部通過襯套底板進(jìn)行固定約束，對(duì)3個(gè)加載方向中的最大載荷情況進(jìn)行有限元分析。

4.1 網(wǎng)格劃分

對(duì)整體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[3]，共計(jì)有節(jié)點(diǎn)數(shù)101303個(gè)，實(shí)體單元數(shù)55119個(gè)，網(wǎng)格劃分模型如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分模型

4.2 約束加載

對(duì)軸承座底板進(jìn)行約束后，對(duì)模型進(jìn)行加載，旋轉(zhuǎn)方向加載扭矩350N·m，豎直方向加載負(fù)荷63kN，水平方向加載負(fù)荷7kN，對(duì)該工況進(jìn)行靜力學(xué)分析。

4.3 結(jié)果分析

夾具加載變形如圖7所示，最大變形為0.13mm，最大變形位置發(fā)生在夾具豎直加載位置處。實(shí)際連接時(shí)，由于加載部件與夾具在該位置相連接，實(shí)際變形較小，滿足該套夾具設(shè)計(jì)要求。

圖7 夾具加載變形云圖

圖8 夾具加載應(yīng)力云圖

5 結(jié) 論

本文介紹了一種橡膠襯套疲勞試驗(yàn)夾具的特點(diǎn)、橡膠襯套試樣結(jié)構(gòu)，分析了橡膠襯套疲勞試驗(yàn)方法中各通道加載的類型，并對(duì)夾具結(jié)構(gòu)及連接形式進(jìn)行了介紹。對(duì)該試驗(yàn)夾具在3個(gè)不同加載方向上最大載荷情況進(jìn)行了有限元分析，最大應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，安全系數(shù)大于許用安全系數(shù)，驗(yàn)證了該套夾具設(shè)計(jì)的可靠性，為橡膠襯套疲勞試驗(yàn)夾具的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。