載貨汽車橡膠復合懸架設計

吳曉濤 張建振 李躍偉 卜凡龍

(中國第一汽車股份有限公司技術中心)

載貨汽車橡膠復合懸架設計

吳曉濤 張建振 李躍偉 卜凡龍

(中國第一汽車股份有限公司技術中心)

為改善載貨汽車用戶反映的平順性差問題，在綜合考慮空、滿載頻率的合理性與鋼板彈簧、橡膠彈簧設計壽命的前提下，正確匹配鋼板彈簧與橡膠彈簧的剛度特性，利用CAE仿真工具，開發出一種橡膠彈簧和鋼板彈簧組合的復合彈簧。通過正向設計使該復合彈簧比原車的主副鋼板彈簧質量輕20%、成本降低5%，舒適性明顯提高。后期試驗驗證表明，該復合懸架設計方法合理有效，解決了整車平順性差問題，提高了整車競爭力。

1 前言

結合載貨汽車用戶反映的某款整車平順性較差問題，從提高整車平順性和車身輕量化兩個方面對載貨汽車空、滿載變化較大的后懸架系統進行改進，最終選定橡膠復合彈簧形式懸架。在綜合考慮空、滿載頻率的合理性與鋼板彈簧、橡膠彈簧設計壽命的前提下，正確匹配鋼板彈簧與橡膠彈簧的剛度特性，利用CAE仿真工具，開發出滿足要求的橡膠復合懸架系統，并通過試驗證明了該系統滿足整車需求。

2 懸架型式的選擇

假定懸架主、副簧的剛度分別為C1、C2，副簧開始工作時主簧的靜撓度為fk，汽車空載時僅主簧工作，其固有頻率為:

式中，F0為空載時后懸架簧上載荷。

汽車滿載時，懸架主、副簧共同工作，此時固有頻率為:

式中，Fm為滿載時主、副簧上總載荷，Fm=Fmain+Faux，Fmain為滿載時主簧的簧上載荷，Faux為滿載時副簧的簧上載荷。

當副簧開始工作時，用線性方法計算懸架固有頻率。復合前、后的頻率值n1、n2為:

式中，Fk為副簧開始工作時懸架的簧上載荷，Fk=C1fk。

上述懸架空、滿載頻率變化較大問題極易造成整車平順性變差，因此經常采用兩級或多級彈簧懸架。按技術發展歷程，采用的懸架形式主要有以下幾種:

a.二級剛度的復式鋼板彈簧

解決空、滿載軸荷差過大的常用方法是采用主、副鋼板彈簧（圖1），該形式的彈簧彈性特性為一折線，此特性不能做到等頻，只能使自振頻率在各種載荷下變化較小。通過主、副簧剛度的匹配及副簧接觸點的選擇，可以保證空、滿載時頻率變化不大。

b.漸變剛度鋼板彈簧

漸變剛度鋼板彈簧由主、副鋼板彈簧組成（圖2）。當載荷增大時，主簧曲率半徑從根部向外逐漸增大，使副簧與其接觸的區域增多，接觸部分副簧共同承受載荷，彈簧剛度逐漸增大;當副簧未參加工作或副簧全部接觸后，彈簧特性為線性，而中間區段為漸變的非線性特性。設計時只要選擇合適的參數，就可以獲得較好的等頻性。一般此種結構承載能力較低，多用于輕型車。

c.多種復合的鋼板彈簧

當汽車空、滿載負荷變化很大時，采用單一的結構措施往往難以達到所期望的彈性特性或應力規范，此時可將上述幾種措施綜合起來，形成多種復合的鋼板彈簧（圖3）。該鋼板彈簧由兩端長滑板、漸變剛度的副簧以及常規副簧組合而成。選擇的參數和接觸位置合適，可以獲得很好的等頻性。此種彈簧需要用單獨的一根主片（或導向桿）來傳遞縱向力。20世紀80年代，美國載貨汽車后懸架廣泛采用此種形式。

d.橡膠復合彈簧

采用橡膠復合彈簧來取代鋼板彈簧作為副簧具有以下優點:結構緊湊，能有效利用空間;彈性變形大，易實現理想的非線性特性;形狀不受限制，可根據需要進行設計;內阻較高，對于突然沖擊和高頻振動的吸收效果良好，工作噪聲小;相同結構形式和尺寸的橡膠彈簧，可以通過改變橡膠硬度來改變剛度;安裝和拆卸方便;能夠有效減輕結構自身質量。此種懸架形式在歐美地區(圖4和圖5)得到廣泛應用，典型汽車設計公司為TIMBREN2、AllisChalmers、德國GUMMI公司等。

為避免產品風險，提高產品一次成功率，中國一汽技術中心借鑒歐美成熟的空心橡膠副簧技術進行橡膠復合懸架創新設計，并成功應用到載貨汽車上。

3 橡膠復合懸架參數的匹配

匹配計算橡膠復合懸架參數時，在保證空載時整車后懸架具有合適頻率的情況下，根據空載時的簧上質量確定主簧剛度（公式（5））。與橡膠緩沖塊不同，橡膠副簧在滿載之前已經接觸，一般接觸載荷按平均負荷法確定比較合適（公式（6）），由于橡膠副簧具有變剛度特性，滿載剛度急劇增大，因此接觸載荷點較公式（6）確定的載荷點還要偏后些。滿載頻率推薦范圍如表1所示，同理計算出滿載復合剛度，利用橡膠副簧在小變形時剛度為線性特性的特點，在滿載點做出初始接觸時復合剛度線性區，根據極限載荷和動撓度的推薦范圍確定最大載荷點；綜合考慮橡膠副簧的接觸載荷、后懸架極限載荷、鋼板彈簧極限應力及橡膠副簧的變形特性等因素，初步確定復合懸架的剛度特性曲線（圖6）；通過剛度合理匹配（匹配結果見表2）進而確定橡膠副簧的剛度特性曲線（圖7）做為橡膠副簧供應商的設計輸入。若利用已有的橡膠副簧，按該方法也可以匹配鋼板彈簧進行設計。

表1 載貨汽車后懸架參數推薦范圍

主簧剛度計算公式:

式中，me為空載時簧上質量。

平均負荷法確定的接觸載荷:

式中，Fk為接觸時簧上載荷；F0為空載時簧上載荷;Fm為滿載時簧上載荷。

表2 某載貨汽車后懸架剛度匹配結果

4 橡膠副簧設計

橡膠副簧開發目標:極限載荷為13 t，最大變形為100 mm，剛度特性曲線見圖7。

為避免經驗設計失誤造成后期大幅更改，節省研發成本，利用ABAQUS軟件優異的幾何、材料非線性計算分析功能對橡膠副簧進行剛度特性模擬[4～5]，并進行多方案對比分析。

4.1 計算模型及多方案設計

有限元計算模型如圖8所示。

約束:底板固定;橡膠與上、下板配合。

載荷:頂板施加分布載荷，其中，工作載荷為2.5 t，極限載荷為13 t。

橡膠硬度：分為55HD、60HD、65HD和70HD共4種不同硬度。

方案設計：方案1為原始方案；方案2為方案1基礎上橡膠高度增加10 mm，橡膠寬度增加6 mm。

4.2 各方案結果評價

a.方案1（圖9a）中，硬度為55HD的橡膠材料在0～60 mm位移區間內比較接近理想的載荷-變形曲線。

b.方案2（圖9b）中，硬度為60HD的橡膠材料在0～60 mm位移區間內比較接近理想的載荷-變形曲線，但其線性變形區間大于方案1，說明抗屈服強度比方案1高。

c.在硬度相差不大的情況下，屈服強度的提高及屈強比的提升造成疲勞壽命增加，因此認為方案2中硬度為60HD的橡膠材料更符合設計要求。

Innovative Design of Rubber Composite Suspension for Medium-duty Truck

Wu Xiaotao,Zhang Jianzhen,Li Yuewei,Bu Fanlong
（China FAW Corporation Limited R&D Center）

To improve the poor ride comfort of medium-duty truck,we develop a composite spring consisted of rubber spring and leaf spring with CAE simulation tool based on the comprehensive consideration of the rationality of empty and full load frequency as well as the design life of leaf spring and rubber spring,and also accurate matching of stiffness characteristic of leaf spring and rubber spring.Through top-down design,this kind of composite spring is 20% lighter in weight,5%lower in cost,whereas the ride comfort is improved significantly.Test verification shows that this composite suspension design method is reasonable and effective,improves the poor ride comfort and competitiveness of vehicle.

Truck,Composite suspension,Rubber,Ride comfort

載貨汽車 復合懸架 橡膠 平順性

U463.33

A

1000-3703（2015）02-0001-03