控制臂舒適性液壓襯套的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張海莉

(恒大恒馳新能源汽車研究院(上海)有限公司 第一車型研發(fā)院，上海 201600)

0 前言

懸架襯套作為底盤(pán)重要彈性零件，能有效改善車輛行駛平順性和路面噪聲，尤其是控制臂舒適性襯套的作用更加顯著。舒適性襯套的功能為兼顧低頻振動(dòng)控制和中高頻結(jié)構(gòu)噪聲隔離。在接收低頻大振幅振動(dòng)時(shí)，尤其在車輪垂直跳動(dòng)振動(dòng)頻率范圍，一般在10～18 Hz之間，襯套需要較大的阻尼性能來(lái)衰減振動(dòng)；在高頻的小振幅振動(dòng)輸入時(shí)，襯套需要較小的動(dòng)靜比和阻尼以達(dá)到良好的隔離高頻噪聲的效果。普通橡膠襯套由于其橡膠固有特性，無(wú)法很好的同時(shí)兼顧高頻和低頻共同的需求，因此在中高端車型上通常會(huì)采用液壓襯套來(lái)實(shí)現(xiàn)在低頻輸入時(shí)通過(guò)大阻尼來(lái)衰減大振幅振動(dòng)，高頻輸入時(shí)使用小動(dòng)靜比和小阻尼來(lái)實(shí)現(xiàn)小振幅振動(dòng)的有效隔離。但液壓襯套因其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，容易發(fā)生襯套開(kāi)裂而導(dǎo)致漏液失效的問(wèn)題，本文結(jié)合某車型液壓襯套優(yōu)化過(guò)程，從橡膠體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、剛度曲線設(shè)定和橡膠材料選擇等方面進(jìn)行研究，為前期設(shè)計(jì)提供借鑒，降低后期開(kāi)發(fā)成本。

1 液壓襯套基本結(jié)構(gòu)

普通的液壓襯套由內(nèi)芯、內(nèi)殼體、防撞塊橡膠、主簧橡膠、中間骨架、流道板、外殼體和乙二醇液體組成，如圖1所示。其中防撞塊橡膠通過(guò)硫化連接內(nèi)芯和內(nèi)殼體，防撞塊橡膠一般選用硬度高、耐磨性好的NR材料。主簧橡膠將內(nèi)殼體、中間骨架硫化在一起，主簧一般選用較軟且阻尼較大的材料，主簧橡膠分別在加速側(cè)和制動(dòng)側(cè)設(shè)置泄壓裝置來(lái)緩沖在復(fù)雜工況時(shí)路面?zhèn)鬟f的沖擊，主簧上的皮碗結(jié)構(gòu)是液壓襯套最為薄弱的結(jié)構(gòu)之一，大部分耐久漏液都是因?yàn)槠ね腴_(kāi)裂導(dǎo)致。中間骨架和流道板共同起到支撐主簧橡膠的作用，中間骨架與外殼體又共同起到密封作用。乙二醇在主簧、流道板、外殼體三者之間儲(chǔ)存，可通過(guò)改變流道板上的流道寬度和長(zhǎng)度來(lái)改變峰值阻尼值和峰值頻率。

圖1 普通液壓襯套結(jié)構(gòu)

2 液壓襯套開(kāi)裂失效模式及主要優(yōu)化措施

與普通橡膠襯套類似，液壓襯套常出現(xiàn)的耐久失效模式主要原因是主簧橡膠疲勞開(kāi)裂、防撞塊橡膠異常磨損、流道板異常磨損等導(dǎo)致性能衰減嚴(yán)重或異響。因?yàn)橐簤阂r套內(nèi)部封裝了乙二醇液體，在橡膠與金屬殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需兼顧車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中襯套內(nèi)部液體流動(dòng)和橡膠元件變形，所以液壓襯套橡膠體設(shè)計(jì)比普通襯套復(fù)雜。橡膠的疲勞失效是由于橡膠材料在受到重復(fù)的拉壓載荷時(shí)，橡膠體局部變形或承受的應(yīng)力超過(guò)了橡膠材料本身的延伸率或極限應(yīng)力時(shí)對(duì)橡膠體產(chǎn)生的破壞。橡膠體在受到周期性拉壓載荷作用時(shí)，載荷不斷地集中在橡膠分子鏈上的化學(xué)鍵能比較薄弱的部位而產(chǎn)生微裂紋，繼而發(fā)展成肉眼可見(jiàn)的初始裂紋。若初始裂紋出現(xiàn)在主簧的皮碗或其他位置裂紋延伸至主簧的皮碗，必然會(huì)導(dǎo)致乙二醇泄露，從而剛度和阻尼大幅降低，襯套性能衰減嚴(yán)重。

本文主要針對(duì)液壓襯套疲勞開(kāi)裂展開(kāi)分析，以某雙叉臂懸架的前下控制臂的舒適性液壓襯套為研究對(duì)象，在可靠性道路驗(yàn)證中，在行駛至67%里程時(shí)車輛的左側(cè)襯套出現(xiàn)漏液?jiǎn)栴}，在主簧橡膠的制動(dòng)側(cè)和加速側(cè)皮碗處呈對(duì)角位置開(kāi)裂，如圖2所示。

圖2 襯套皮碗處開(kāi)裂

完成100%路試后，拆卸襯套并對(duì)襯套進(jìn)行剛度、阻尼復(fù)測(cè)。如圖3所示，右件的襯套剛度和阻尼維持較好，滿足在輸入頻率15 Hz，振幅±0.5 mm振動(dòng)時(shí)，損失角大于50°的設(shè)計(jì)要求。但左件的剛度和阻尼大幅降低，均不滿足襯套性能目標(biāo)，初步推斷其內(nèi)部乙二醇泄露嚴(yán)重。對(duì)左、右襯套進(jìn)行解析，如圖4所示，檢查到右件雖未漏液，但初始裂紋從主簧邊緣的中部位置開(kāi)始沿襯套軸向方向向兩端擴(kuò)展；左件的裂紋從主簧邊緣中部起始，然后沿襯套軸向方向擴(kuò)展至主簧的皮碗處，進(jìn)而導(dǎo)致襯套漏液，左件質(zhì)量比右件小38 g。因此判定初始裂紋從主簧邊緣中部起始。

圖3 問(wèn)題件剛度和阻尼角復(fù)測(cè)

圖4 左右件裂紋對(duì)比

圖5 主簧中間位置解析圖

在左件襯套的主簧中間位置橫向剖開(kāi)，如圖5所示，裂紋最深為7～11 mm。從Adams模型中的提取常用工況載荷分析，此襯套最嚴(yán)苛的受力工況為徑向受力工況，同時(shí)通過(guò)對(duì)故障件檢查，發(fā)現(xiàn)左、右件開(kāi)裂位置為襯套主簧橡膠體的對(duì)角位置。故推斷襯套主要開(kāi)裂工況為徑向加載與繞軸向扭轉(zhuǎn)工況，在此工況下，主簧橡膠體達(dá)到最大拉伸行程。

針對(duì)橡膠體疲勞開(kāi)裂，主要從降低橡膠體應(yīng)變水平和提升橡膠體承受應(yīng)變能力2個(gè)方向優(yōu)化。見(jiàn)表1。

主簧橡膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮車輛制動(dòng)和加速工況下橡膠拉伸變形造成的應(yīng)力和應(yīng)變集中，問(wèn)題件的主簧橡膠體邊緣結(jié)構(gòu)過(guò)于飽滿，缺少設(shè)計(jì)缺口進(jìn)行過(guò)渡，如圖6所示。圖中原方案為原始結(jié)構(gòu)，主簧橡膠體從中心到邊緣厚度均勻，拉伸變形時(shí)應(yīng)力集中在邊緣位置，這是導(dǎo)致開(kāi)裂的主要原因。借助ABAQUS軟件，完成了4次在橡膠體中間增加缺口的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分別為方案1～4，使應(yīng)力集中區(qū)域從邊緣向缺口區(qū)域移動(dòng)，從而降低橡膠體邊緣位置應(yīng)變。在徑向增加4 mm位移，軸向扭轉(zhuǎn)加載15°工況時(shí)，應(yīng)變從原方案的202%降至方案1的130%，如圖7所示。

表1 開(kāi)裂優(yōu)化方向

圖6 主簧橡膠體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

圖7 主簧橡膠體形狀優(yōu)化后應(yīng)變分析

主簧的剛度曲線拐點(diǎn)設(shè)定直接決定主簧的拉伸行程，并且影響過(guò)坎沖擊舒適性等動(dòng)力學(xué)性能。如圖8所示，該開(kāi)裂襯套在液室方向的剛度定義為450 N/mm，而剛度曲線直線端拐點(diǎn)定義在3.5 mm，即在液室方向只需要1 575 N的力，襯套在液室方向變形就要到拐點(diǎn)位置，而該襯套常用工況受力遠(yuǎn)大于1 575 N，即襯套在液室方向上常用工況為剛度曲線拐點(diǎn)以上區(qū)域。

圖8 問(wèn)題件剛度曲線設(shè)定

襯套剛度曲線直線段越長(zhǎng)，橡膠在極限工況會(huì)被拉伸得越長(zhǎng)，橡膠應(yīng)變?cè)酱蟆偠惹€直線拐點(diǎn)位置縮短可減少主簧拉伸行程。在圖6各方案基礎(chǔ)上，分別將靜剛度直線段行程由3.5 mm縮短至2.5 mm，由此生成方案5～9，如圖9所示。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)分析，橡膠應(yīng)變進(jìn)一步減少，最大應(yīng)變最小減至120%以下。

圖9 襯套應(yīng)變水平分析

剛度曲線直線段縮短會(huì)影響汽車動(dòng)力學(xué)和流道板耐久性。襯套線性段的設(shè)計(jì)需要平衡操控性和平順性，在側(cè)向力工況，舒適性襯套受力較小，線性段的改變對(duì)襯套的受力和變形影響非常小。在縱向力工況(制動(dòng)工況)，如表2所示，VD板塊分析舒適性襯套的線性段對(duì)制動(dòng)力轉(zhuǎn)向、制動(dòng)力外傾、制動(dòng)力主銷后傾、輪心縱向柔度影響明顯。襯套線性段縮短，導(dǎo)致輪心縱向柔度降低至2.5 mm，會(huì)對(duì)舒適性有一定影響。但輪心縱向力柔度的線性段可接受經(jīng)驗(yàn)范圍值為在2.5～3.5 mm，因此需進(jìn)一步主觀評(píng)價(jià)實(shí)車樣件。

表2 Adams模型仿真結(jié)論

通過(guò)將流道板內(nèi)部加厚1 mm來(lái)縮短剛度曲線直線段，防撞塊會(huì)更容易與外側(cè)的流道板接觸，而防撞塊兩側(cè)硬接觸橡膠層只有0.5 mm厚度，該橡膠層容易被磨損掉，這時(shí)防撞塊會(huì)與外側(cè)流道板處于鋼與塑料的接觸，更容易導(dǎo)致流道板異常磨損，甚至?xí)a(chǎn)生噪聲，因此后續(xù)實(shí)車驗(yàn)證時(shí)需對(duì)流道板磨損進(jìn)行評(píng)估。經(jīng)分析，最終結(jié)構(gòu)和曲線優(yōu)化方案選擇圖9中的方案6。

橡膠材料的撕裂強(qiáng)度是決定橡膠承受應(yīng)變能力的關(guān)鍵指標(biāo)，可以有效減少橡膠開(kāi)裂。前期設(shè)計(jì)是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)橡膠材料性能及工藝水平，主簧橡膠選擇撕裂強(qiáng)度為28 N/mm的材料，襯套在可靠性路試中出現(xiàn)較嚴(yán)重開(kāi)裂并造成漏液。優(yōu)化橡膠材料將撕裂強(qiáng)度提升至34 N/mm，通過(guò)路試耐久試驗(yàn)后，剛度和阻尼維持良好，僅主簧內(nèi)部出現(xiàn)較輕微裂紋，并未漏液。因此，可通過(guò)提升橡膠撕裂強(qiáng)度等優(yōu)化橡膠材料耐久性能的方法，改善襯套的耐久開(kāi)裂問(wèn)題。

3 液壓襯套開(kāi)裂問(wèn)題優(yōu)化驗(yàn)證

液壓襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變、剛度曲線調(diào)整、橡膠材料更換不僅影響液壓襯套結(jié)構(gòu)可靠性和耐久性，同時(shí)會(huì)影響車輛的駕乘舒適性。因此需要通過(guò)循環(huán)臺(tái)架耐久試驗(yàn)、實(shí)車路試耐久試驗(yàn)和實(shí)車舒適性主觀評(píng)價(jià)綜合判斷。

如表3所示，通過(guò)路譜載荷轉(zhuǎn)化，襯套小循環(huán)臺(tái)架耐久試驗(yàn)要求為7種工況，1個(gè)小循環(huán)為10%壽命要求，襯套在通過(guò)10個(gè)小循環(huán)即滿足100%壽命要求。經(jīng)問(wèn)題件、優(yōu)化件的循環(huán)臺(tái)架耐久試驗(yàn)對(duì)比，問(wèn)題件在60%～70%循環(huán)之間(即6～7個(gè)小循環(huán))出現(xiàn)漏液，優(yōu)化件在130%～140%(即13～14個(gè)小循環(huán))出現(xiàn)漏液，同時(shí)兩者失效模式與路試問(wèn)題吻合，可以判定路譜載荷與路試情況吻合度較好，而且襯套優(yōu)化方向是有效的。對(duì)臺(tái)架驗(yàn)證件進(jìn)行解析檢查，流道板無(wú)異常磨損現(xiàn)象。

表3 路譜小循環(huán)要求

通過(guò)實(shí)車路試耐久試驗(yàn)，優(yōu)化件完成全里程道路驗(yàn)證，路試過(guò)程中無(wú)異響、漏液等問(wèn)題。對(duì)路試后優(yōu)化件進(jìn)行剛度及阻尼復(fù)測(cè)，剛度損失為18%，并滿足在15 Hz時(shí)損失角的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)實(shí)車動(dòng)態(tài)主觀評(píng)價(jià)，對(duì)問(wèn)題件、優(yōu)化件進(jìn)行評(píng)估，如表4所示。優(yōu)化件雖然在“減速帶沖擊”項(xiàng)的評(píng)分略低，但如表5所示，評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)也維持在較好范圍內(nèi)，因此優(yōu)化件可通過(guò)車輛動(dòng)力學(xué)主觀評(píng)價(jià)。

表4 問(wèn)題件和優(yōu)化件主觀評(píng)分表

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于控制臂舒適性液壓襯套在路試驗(yàn)證時(shí)出現(xiàn)的開(kāi)裂問(wèn)題展開(kāi)分析，對(duì)主簧橡膠體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、剛度曲線設(shè)定、橡膠材料選擇等維度展開(kāi)分析，借助CAE分析軟件進(jìn)行論證，最終通過(guò)優(yōu)化主簧橡膠體結(jié)構(gòu)、剛度曲線直線段拐點(diǎn)優(yōu)化、材料優(yōu)化選擇實(shí)現(xiàn)優(yōu)化襯套的設(shè)計(jì)，并通過(guò)臺(tái)架循環(huán)耐久、路試耐久、實(shí)車主觀動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了驗(yàn)證，有效解地解決了控制臂舒適性液壓襯套開(kāi)裂問(wèn)題。本文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為液壓襯套前期優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考，可為整車開(kāi)發(fā)節(jié)約后期模具修改及驗(yàn)證成本。

表5 評(píng)分體系