懸架襯套剛度對(duì)硬點(diǎn)載荷的影響規(guī)律研究

白坤海

（淄博職業(yè)學(xué)院 教務(wù)科研處，淄博 255314）

0 引言

汽車懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)連接處越來越多地使用了橡膠襯套，研究表明，由這些襯套的非線性剛度對(duì)汽車的行駛平順性、操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性和NVH等均有顯著影響，這些方面吸引了越來越多的專家學(xué)者的關(guān)注。研究涵蓋了橡膠襯套非線性剛度模擬、橡膠襯套對(duì)懸架操控性的靈敏度分析、襯套對(duì)汽車NVH的影響等眾多方面。國外汽車公司在橡膠襯套選型、剛度匹配等方面有著完善的流程和規(guī)范。近年來，國內(nèi)汽車公司在該領(lǐng)域也有著長(zhǎng)足的進(jìn)步，正在形成或已初步建立自己的標(biāo)準(zhǔn)體系。

另一方面，汽車在行駛過程中，橡膠襯套又起到載荷傳遞作用，如果把汽車看成一個(gè)多體系統(tǒng)的話，顯然橡膠襯套剛度的變化必然會(huì)導(dǎo)致該系統(tǒng)中各連接點(diǎn)載荷的變化，而載荷的變化會(huì)影響到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其耐久性。

一般來說，動(dòng)力學(xué)分析工程師關(guān)注的焦點(diǎn)是懸架K&C和整車操縱穩(wěn)定性和平順性；在載荷明確的前提下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或耐久性分析工程師關(guān)注的是結(jié)構(gòu)本身的完整性。由于專業(yè)分工的原因，橡膠襯套對(duì)懸架硬點(diǎn)載荷的影響經(jīng)常會(huì)被設(shè)計(jì)（或CAE分析）人員所忽視。

一般來說，在懸架設(shè)計(jì)初期，襯套剛度經(jīng)常不確定，在設(shè)計(jì)過程及后期調(diào)校過程中，還會(huì)經(jīng)常改變襯套的剛度。分析人員又難以把握襯套剛度對(duì)所計(jì)算載荷的影響程度，導(dǎo)致載荷計(jì)算結(jié)果的精確度難以保證。

由此可見，開展這方面的研究工作，特別是找到不同懸架形式的襯套剛度參數(shù)對(duì)載荷的影響關(guān)系是非常必要的。

1 問題描述

以MacPherson形式前懸架系統(tǒng)為例，其構(gòu)成主要包括：車架、懸架、車輪、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等系統(tǒng)。

本文研究對(duì)象為下控制臂，示意圖如圖1所示。該控制臂通過兩個(gè)連接襯套（圖中標(biāo)記1、2位置）與副車架連接，為描述方便，1點(diǎn)和2點(diǎn)分別稱為控制臂前點(diǎn)和后點(diǎn)；另一端通過球銷（在圖中標(biāo)記3的位置）與轉(zhuǎn)向節(jié)連接。

當(dāng)車輛經(jīng)過不規(guī)則路面時(shí)，地面載荷通過襯套傳遞到車架上，同時(shí)襯套也會(huì)發(fā)生平移及扭轉(zhuǎn)變形，分別在圖1中1、2位置產(chǎn)生6個(gè)方向的載荷[1]。同時(shí)，控制臂在3點(diǎn)位置受到3個(gè)方向載荷作用（因球銷連接，無扭矩產(chǎn)生。

控制臂在3個(gè)連接點(diǎn)及慣性載荷作用下，將產(chǎn)生應(yīng)力和變形。在控制臂設(shè)計(jì)過程中，通常用多體動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算出各連接點(diǎn)的載荷，之后采用有限元分析軟件，計(jì)算出控制臂的應(yīng)力分布，以驗(yàn)證其是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

本文研究采用Adams軟件，重點(diǎn)分析控制臂連接襯套剛度對(duì)其連接點(diǎn)載荷的影響規(guī)律，為強(qiáng)度分析提供依據(jù)。

圖1 控制臂結(jié)構(gòu)示意圖

2 懸架連接襯套剛度

在設(shè)計(jì)階段，懸架連接襯套剛度獲取方法通常有以下三種。

1）同平臺(tái)車型沿用襯套剛度數(shù)據(jù)的借鑒；

2）獲取Benchmark樣車襯套剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

3）有限元仿真。

前兩種方法取決于汽車設(shè)計(jì)公司數(shù)據(jù)庫的積累和試驗(yàn)?zāi)芰Γ@里不再贅述。隨著有限元技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，近年來，采用有限元方法模擬橡膠襯套剛度的應(yīng)用越來越多。

通常對(duì)于橡膠類材料，不用楊氏模量和泊松比表示應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，而用應(yīng)變能來表達(dá)其本構(gòu)關(guān)系，此函數(shù)形式及其所包含的參數(shù)需要由試驗(yàn)確定。橡膠本構(gòu)關(guān)系中應(yīng)變能函數(shù)形式包含：Arruda-Boyce、Marlow、Mooney-Rivlin、Neo-Hookean、Ogden、Polynomial、Reduced Polynomial、Van der Waals、Yeoh等多種形式[2]。

在具備橡膠材料試驗(yàn)參數(shù)的條件下，雖然可以采用適當(dāng)?shù)哪Ｐ陀?jì)算出襯套的剛度結(jié)果。但是，由于技術(shù)和設(shè)備的原因，一般的襯套供應(yīng)商和汽車企業(yè)很難獲取這些材料數(shù)據(jù)。如果在已知某（些）方向剛度特性時(shí)，可以計(jì)算模擬得出其它方向剛度，通常可以用在橡膠襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者試驗(yàn)曲線不完備的情況下[3]。圖2結(jié)果顯示的是根據(jù)某方向襯套剛度的設(shè)計(jì)值，應(yīng)用Mooney-Rivlin模型模擬其他方向的剛度結(jié)果，結(jié)果表明二者有很好的一致性。

圖2 橡膠襯套剛度對(duì)比曲線

3 懸架連接襯套剛度對(duì)連接點(diǎn)載荷的影響分析

如圖3所示為某車型前懸架模型，控制臂為研究對(duì)象，進(jìn)行如下分析。以控制臂后連接點(diǎn)襯套作為參考基準(zhǔn)，分別改變前點(diǎn)x、y和z向平動(dòng)剛度，計(jì)算得到控制臂3個(gè)連接點(diǎn)載荷，并進(jìn)行對(duì)比分析。前點(diǎn)和后點(diǎn)的剛度比值依次為：1/5、1/4、1/3、1/2、1、2、3、4、5。分析工況包括：制動(dòng)（brake）、駐車啟動(dòng)（Standing start）、轉(zhuǎn)向（Corner）和垂直起跳（Bump）。

圖3 前懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

結(jié)合Adams分析，可以很容易得到改變各方向剛度對(duì)不同工況連接點(diǎn)載荷的影響規(guī)律[4]，圖4僅給出了改變控制臂前點(diǎn)x向剛度對(duì)制動(dòng)工況連接點(diǎn)載荷的影響曲線。

圖4 Brake工況控制臂連接點(diǎn)載荷

表1 襯套剛度等對(duì)懸架載荷的影響程度匯總

計(jì)算結(jié)果表明，無論是改變控制臂連接襯套剛度，還是改變上限位緩沖塊參數(shù)，對(duì)控制臂連接點(diǎn)輸出載荷均有不同程度的影響，為了便于比較，影響程度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。表中顏色標(biāo)記表示參數(shù)改變對(duì)載荷有影響，影響的程度用有顏色方格的數(shù)量表示，如1個(gè)顏色方格代表有很小的影響，而5個(gè)顏色方格代表有很大的影響。

根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：

1）改變控制臂連接點(diǎn)x向剛度對(duì)所有工況的x向載荷影響顯著、對(duì)y向和z向載荷影響較小；

2）改變控制臂連接點(diǎn)y向和z向剛度，對(duì)控制臂連接點(diǎn)載荷影響較小。

除此之外，如圖4（a）所示，控制臂前后點(diǎn)載荷變化遵循一定的規(guī)律，在不同的剛度比下，其載荷變化規(guī)律是相反的，而且二者的代數(shù)和接近恒定，原因如下：

應(yīng)用Adams進(jìn)行硬點(diǎn)載荷計(jì)算時(shí)遵循達(dá)朗伯原理[1]，以圖1所示的控制臂作為研究對(duì)象，有如下關(guān)系成立：

改變控制臂前后連接襯套剛度，不會(huì)影響懸架結(jié)構(gòu)本身的變化，因而，球銷（3點(diǎn)）載荷和慣性載荷變化很小，可以忽略不計(jì)。因此，可以粗略判斷1、2點(diǎn)x向載荷的和保持不變，如圖4（a）所示。

4 結(jié)論

以MaPherson懸架為例、研究了控制臂襯套剛度對(duì)連接點(diǎn)載荷的影響規(guī)律，結(jié)果表明，x向剛度對(duì)x向載荷影響顯著，其它情況影響較小。由于懸架結(jié)構(gòu)形式的多樣性和差異性，本分析結(jié)論不具備通用性，但分析方法對(duì)其他形式的懸架系統(tǒng)依然有效。

[1] 雷雨成,李峰.橡膠襯套剛度對(duì)懸架系統(tǒng)影響的研究[J].上海汽車,2006(11).

[2] 趙振東,雷雨成,袁學(xué)明.汽車懸架橡膠襯套剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2006(2).

[3] Dae-Un Sung,Gi-Seob Jeong and Sang-Gun Joo.An Integrated Approach to the Development of Suspension Rubber Bushings[J].SAE.:2006-01-1623.

[4] 胡培龍,上官文斌.汽車懸架橡膠襯套靜剛度設(shè)計(jì)方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2011(3).