某車型后拉桿襯套耐久優(yōu)化設(shè)計(jì)

張向陽，孫士杰，張超海，張秉虎

（河南恒發(fā)科技股份有限公司，河南 長垣 453400）

汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)指動(dòng)力總成與車架或車身之間的彈性連接系統(tǒng)，包括汽車動(dòng)力總成和懸置元件，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響汽車的乘座舒適性。懸置元件則是由金屬支架與橡膠件組成，其主要起隔振、支撐和限位作用。

作為懸置元件的重要組成部分，橡膠襯套在車輛行駛過程中主要承受來自懸架的沖擊力，熱氧化、光氧化、輻射氧化、水解、溶脹、化學(xué)降解以及外力加載導(dǎo)致的老化是橡膠件失效的主要原因。其中外力加載所導(dǎo)致的耐久破壞是一個(gè)重要因素，一旦橡膠襯套發(fā)生破壞將嚴(yán)重影響襯套耐久及汽車噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise,Vibration, Harshness, NVH）性能[1-2]。因此，進(jìn)行懸置元件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首要考慮懸置襯套的剛度和疲勞特性[3-5]。

橡膠材料具有超彈性、黏彈性、振幅相關(guān)性、溫度相關(guān)性和Mullin等力學(xué)特性。橡膠減振件的疲勞性能主要由材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作環(huán)境等因素決定[6]，本文僅對橡膠疲勞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，不涉及橡膠配方和硫化工藝等因素。

某車型后拉桿襯套在臺架試驗(yàn)階段出現(xiàn)主筋根部開裂、與外管硫化包膠脫膠、限位塊根部出現(xiàn)裂紋等失效現(xiàn)象，本文擬對失效原因展開分析，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一款滿足剛度、耐久性能要求的襯套結(jié)構(gòu)。

1 襯套耐久失效原因分析

1.1 試驗(yàn)條件及失效部位

某車型后拉桿大襯套主方向X向，要求剛度值（180±27）N/mm，橡膠硬度為（52±3）HA，試驗(yàn)襯套剛度173 N/mm，橡膠硬度50 HA，滿足要求。在MTS耐久試驗(yàn)臺，以表1條件進(jìn)行耐久驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，襯套在高溫臺架試驗(yàn)32萬次主筋根部開裂、與外管硫化包膠脫膠、限位塊根部出現(xiàn)裂紋，該件主要失效部位如圖1所示。

表1 襯套疲勞試驗(yàn)條件（溫度范圍（90±3）℃）

圖1 襯套失效圖

1.2 耐久失效原因分析

影響襯套耐久結(jié)構(gòu)失效的因素（暫不考慮膠料配方）主要有兩個(gè)：橡膠的硬度、橡膠撞塊和主筋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

橡膠硬度：相同的結(jié)構(gòu)下，橡膠的硬度越高，疲勞耐久會越好，該結(jié)構(gòu)橡膠硬度為50 HA，在保證剛度的前提下可優(yōu)化橡膠結(jié)構(gòu)，提升橡膠硬度。

橡膠限位撞塊：+X向限位撞塊較小、剛度低，撞擊過程中位移量較大，導(dǎo)致根部出現(xiàn)裂紋。

橡膠結(jié)構(gòu)：（1）橡膠與金屬外管包膠厚度過厚（1.15 mm），外側(cè)橡膠倒圓角后距端面線性段只有0.629 mm，過短，工藝上存在風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致橡膠擠壓或拉扯變形后外管硫化包膠脫膠，如圖2所示；（2）主筋兩側(cè)面較平直，導(dǎo)致主筋在運(yùn)動(dòng)過程中被擠壓鼓脹，根部應(yīng)力集中，出現(xiàn)根部開裂，如圖3所示；（3）兩主筋之間通過限位塊過渡連接，易造成撞擊時(shí)兩主筋拉扯、應(yīng)力集中，損害襯套耐久，如圖3所示。

圖2 襯套包膠及線性段

圖3 襯套主筋及過渡限位塊

1.3 CAE分析確認(rèn)

通過懸置剛度曲線將疲勞力載荷等效為位移載荷[6]，疲勞載荷-2 380 N～2 450 N等效位移為-6 mm～11 mm、疲勞載荷-4 470 N～0 N等效位移為-7.2 mm～0 mm。根據(jù)轉(zhuǎn)換位移利用HyperMesh、ABAQUS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分、應(yīng)變分析[7-8]。

橡膠屬于大變形材料，耐久分析對網(wǎng)格質(zhì)量的要求較高。在HyperMesh中對橡膠結(jié)構(gòu)劃分六面體網(wǎng)格，在易發(fā)生疲勞失效區(qū)域進(jìn)行局部細(xì)化網(wǎng)格，ABAQUS中采用C3D8H單元類型進(jìn)行真實(shí)應(yīng)變Le分析，分析結(jié)果如表2所示（原數(shù)模）。

表2 新舊結(jié)構(gòu)應(yīng)變對比

根據(jù)分析結(jié)果可以得出，（1）實(shí)測襯套疲勞斷裂位置與理論分析應(yīng)力集中位置相吻合，即均在橡膠主筋根部位置；（2）根據(jù)真實(shí)應(yīng)變LE值可推斷出該橡膠結(jié)構(gòu)損傷系數(shù)大于1，不滿足耐久。

2 懸置新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 懸置新老結(jié)構(gòu)更改對比

根據(jù)對原結(jié)構(gòu)耐久失效從工藝、結(jié)構(gòu)、CAE等方面綜合分析，決定從以下幾方面優(yōu)化數(shù)模：

（1）限位撞塊加大，限制撞擊過程主筋位移量，增強(qiáng)襯套疲勞耐久；

（2）提升橡膠硬度，在保證襯套主方向剛度要求的前提下，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)將膠料硬度由50 HA提升到了54 HA；

（3）針對橡膠擠壓或拉扯變形后外管硫化包膠脫膠問題，橡膠與金屬外管包膠厚度由1.15 mm優(yōu)化為0.7 mm，外側(cè)橡膠倒圓角后距端面線性段由0.629 mm優(yōu)化為1.5 mm；

（4）兩主筋進(jìn)行優(yōu)化，使其與限位塊不關(guān)聯(lián)，避免擠壓、拉扯時(shí)主筋應(yīng)力集中；

（5）主筋兩側(cè)面須做成內(nèi)凹1 mm～2 mm的曲面，防止橡膠在運(yùn)動(dòng)過程中過多的擠壓鼓脹，影響耐久。

2.2 新結(jié)構(gòu)懸置靜剛度分析

新結(jié)構(gòu)剛度分析，HyperMesh網(wǎng)格劃分、ABAQUS剛度分析[9]，線性段新舊結(jié)構(gòu)基本重合，根據(jù)要求取值范圍±150 N，橡膠硬度54 HA，X向剛度值175 N/mm。新結(jié)構(gòu)分析剛度曲線如圖4所示。

圖4 新舊結(jié)構(gòu)剛度曲線對比

由圖4可以看出，新結(jié)構(gòu)剛度曲線拐點(diǎn)靠前，在相同載荷下其主筋位移量減小，可更好改善耐久。

2.3 新舊結(jié)構(gòu)襯套應(yīng)變分析

新結(jié)構(gòu)襯套應(yīng)變分析結(jié)果如表2所示，可以看出，在相同載荷下新結(jié)構(gòu)應(yīng)變LE值均小于原結(jié)構(gòu)，應(yīng)變位置基本一致且與耐久失效件位置吻合，根據(jù)應(yīng)變值推算出損傷系數(shù)為0.75，小于1，理論分析耐久合格。

2.4 新結(jié)構(gòu)樣件疲勞試驗(yàn)結(jié)果

采用表1襯套疲勞試驗(yàn)條件在MTS試驗(yàn)臺做耐久試驗(yàn)，50萬次襯套無損傷，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足試驗(yàn)條件，臺架試驗(yàn)與有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）分析對比如表3所示。后期客戶處送樣，路試反饋無問題。

表3 臺架試驗(yàn)與FEA對比分析

3 結(jié)論

通過對后拉桿襯套耐久失效原因分析，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；并通過有限元分析、實(shí)測驗(yàn)證，得到了合格產(chǎn)品。針對該分析、對比驗(yàn)證過程，可以得出以下結(jié)論：

（1）襯套耐久優(yōu)劣與襯套結(jié)構(gòu)、膠料硬度（膠料配方暫不考慮）有很大關(guān)系，在相同結(jié)構(gòu)下膠料硬度越高在撞擊下其位移量越小，對耐久越有利，不過膠料硬度不能過高，對懸置襯套來說一般不超過55°，要兼顧NVH；

（2）襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注包膠厚度、主筋形狀、撞塊大小、主筋倒角距骨架端面線性段距離等，此外主筋拔模角度、長寬高尺寸、倒角大小，底部兩筋?yuàn)A角角度、限位長度等也是影響襯套耐久因素；

（3）襯套有限元分析應(yīng)變集中位置與實(shí)際較吻合，在襯套疲勞預(yù)測與整改過程中可采用ABAQUS 分析襯套在實(shí)際疲勞載荷下的應(yīng)變，其分析的應(yīng)變值、推導(dǎo)的損傷系數(shù)對襯套耐久預(yù)測有參考意義。