橡膠襯套疲勞失效案例分析與優化

李奕寶 羅謝盼 林家榮

摘 要：針對某車型控制臂襯套整車耐久路試失效問題，通過分析路譜載荷，以提高襯套抵抗大扭矩變形為目標，重新定義與之相應的試驗條件，并對襯套剛度和結構進行優化設計，優化后的襯套通過了新試驗條件的臺架驗證，并通過整車耐久路試驗證。臺架試驗和整車耐久路試結果表明，通過分析路譜載荷重新定義的試驗條件合理，襯套經優化設計滿足整車耐久性能要求。

關鍵詞：結構;路譜;耐久;靜剛度

中圖分類號：U462.1? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）13-28-03

Analysis And Optimization Of Fatigue Failure Case Of Rubber Bushing

Li Yibao， Luo Xiepan， Lin Jiarong

（GAC Automotive Engineering Research Institute， Guangdong Guangzhou 510640）

Abstract： To solve the control arm bushing failure problem in real car endurance test， an optimazation design of bushing stiffness and structure to improve the torque deformation is carried out by analyzing road load. And a novel corresponding bench test method is proposed. The optimized bushing has passed the bench test according to the novel bench test method， and its endurance performance is validated by the real car endurance test. The validity of the novel corresponding bench test method derived by road load and the endurance performance of the optimized bushing have been proved by the results of bench test and real car endurance test.

Keywords： Structure; Road Spectrum; Durability; Static stiffness

CLC NO.： U462.1? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）13-28-03

引言

隨著汽車零部件制作工藝和精度的不斷提升， 路面等級的不斷優化，發動機及底盤本身引起的振動噪聲問題凸顯出來，消費者對于整車的舒適性要求越來越敏感，橡膠襯套，作為底盤的重要減振部件，發揮著極其重要的作用。通常，主機廠針對零部件開發時，會進行零部件臺架耐久和整車路試耐久試驗驗證，臺架耐久驗證合格后則進行整車路試驗證，以便提高整車路試的成功率，降低整車路試的試驗成本，然而在實際開發過程中，也會出現臺架耐久和整車路試耐久矛盾的情況，即臺架耐久滿足設計要求，而整車路試耐久卻失效。本文中的案例，介紹了橡膠襯套的初始結構和試驗條件滿足臺架耐久的要求，卻不能滿足整車路試，從而引出重新定義臺架試驗條件和重新設計襯套結構。

1 問題描述

某車型控制臂襯套靜態、動態剛度以及臺架耐久試驗均滿足要求，臺架耐久試驗完成后，進行整車路試驗證，在整車強化路試過程中5千公里左右兩件均出現開裂失效。

2 原因分析

首先，通過對懸架系統所有零部件尺寸，裝配關系，受力狀態進行排查，確定無異常情況，進一步排除裝配、材質、制作工藝及尺寸超差等因素;其次，路試樣件與臺架試驗樣件屬于同一批次，可以推斷臺架試驗條件不能完全模擬整車路試條件;最后，針對襯套橡膠裂紋位置，深度及斷裂表面分析，初步認為襯套同時在徑向及擺轉方向（見圖2 b）存在較大受力，橡膠應力過大造成開裂失效，此襯套定義的性能要求和臺架試驗條件不能滿足整車實際工況要求。

為了證實此判斷，通過路譜采集，懸架系統動力學模型仿真（見圖2 a），得到襯套的分路譜受力數據。

通過專業的路譜分析軟件nCode對路譜信號進行處理、迭代分析，并根據線性損傷累計理論（Miner）重新得出襯套的疲勞試驗條件，與初始試驗條件進行對比，如表1所示。

表1表明，原襯套定義的加載振幅（力值）遠小于由路譜分析后重新定義的受力加載振幅（力值），另外加載頻率也有所提升。

利用新的試驗條件重新對初始結構的襯套進行臺架疲勞耐久試驗，結果顯示襯套在V2 方向49萬次左右出現裂紋，不滿足耐久性能要求，且橡膠失效位置和模式與整車路試情況相似，詳見圖3，此襯套結構不能滿足整車耐久性能要求，需要進行結構改進，并進一步表明更新后的實驗條件與整車路試工況相仿。因此，產生失效的根本原因是初始的實驗條件不能充分模擬整車路試工況，初始結構設計因為臺架實驗條件原因產生虛度設計。

3 結構優化設計

兼顧襯套失效模式，以及新的試驗條件下，加載振幅大幅度加大，因此，初始襯套靜態剛度需要提升，來降低襯套在大載荷作用下產生的位移，同時，為了最大化的隔離振動，產生較高的隔振效果，動態剛度又不能過高，橡膠材料需要較好的動靜比和隔振性能，因此，最終決定采取兩方面措施來提升其耐久特性。

一方面，在結構上增加襯套橡膠本體徑向寬度，增加橡膠本體的膠體體積，增加其靜態剛度和動態隔振性能，同時，略減小橡膠本體軸向的厚度，兩側的阻尼孔由原來不對稱改為對稱結構，尺寸相對減小，目的是緩解其徑向V2方向和V1 扭擺方向應力，詳見圖4。

另一方面，為了減低橡膠本體的剪切成分，增加其壓縮成分，將襯套的內骨架初始為冷拔直管，改為冷鐓成型的中間弧形內管，詳見圖5。

對比初始結構和新結構的分析結果，可以看出：

1）在橡膠本體寬度和高度尺寸相同的情況下，直管的實心方向剛度小于球形內管實心方向的剛度，在同樣的實心方向載荷作用下，球形內管的位移行程要小于直管，從而在同等載荷作用下，球形內管的應變要小于直管的應變，同理球形內管的應力也會小于直管的應力，目前球形內管的橡膠本體在寬度和高度尺寸上都要略大于直管的橡膠本體，這樣徑向的剛度會變得更大，更有利于改善應力。通過改變襯套結構，起到降低襯套應力的目的，使得襯套的疲勞壽命更長。

2）從阻尼孔尺寸方面分析，直管空心方向為不對稱結構，這種結構在受到偏擺15°工況作用下，結構的不對稱導致兩邊空心方向的應力、應變不能對稱分布，使得應力、應變不能均勻分散，這樣更容易導致襯套橡膠本體在一邊空心處應力集中且很大，另一邊空心處應力較小。由于這種不對稱結構導致的應力集中，使得應力較大，縮短了襯套的疲勞壽命，不容易滿足臺架、路試的耐久要求。球形內管的空心方向為對稱結構，這樣在同樣偏擺15°的工況下，由于空心結構的對稱使得襯套橡膠本體上的應力分布更均勻，應力集中相對直管而言更小，橡膠本體的應力也會更小，襯套的疲勞壽命也會更長。

新的結構設計完成后，其靜態剛度值較初始結構發生較大變化，詳見表2，（注：大257/小361，表示初始結構徑向方向阻尼孔不對稱產生的剛度不一樣）。同時，為了驗證新結構與初始結構在同樣邊界條件下應力應變的變化趨勢，通過有限元軟件Abaqus進行仿真，結果顯示，應力和應變均明顯降低，詳見表3。

4 試驗驗證

4.1 臺架試驗

為了進一步驗證，新結構襯套設計的合理性，以及新的試驗條件與整車路試工況的匹配程度，將結構優化后的襯套，重新安裝在實驗室MTS多通道試驗臺架上，進行耐久疲勞試驗，試驗條件：V2方向（實心方向）：±4200N，6Hz ;V1（空心扭擺方向）：±15°，1.3Hz，風冷，兩方向同時進行，詳見圖6。

試驗結果顯示，V2方向交變次數60萬次，V1方向交變13萬次，兩個方向的力值和位移無明顯變化，試驗后均無開裂現象，詳見圖7，因此，可以認為新結構襯套較初始結構襯套疲勞耐久性能有大幅提升。

4.2 整車路試試驗

臺架試驗完成后，為了進一步驗證新臺架實驗條件與整車路試工況一致性，將新結構的樣件裝車重新進行整車路試試驗，試驗完后襯套均無裂紋，路試通過，同時，新結構襯套在30km/h速度過坎工況，振動衰減時間縮短，整車NVH平順性評價通過。充分證明，初始結構試驗條件定義不合理，通過路譜分析重新定義的試驗條件與整車路試工況吻合度高，同時，新的結構設計，增加其剛度性能，減少應力集中，對改善襯套耐久性能起到了重要作用。

5 結束語

文中針對某車型控制臂襯套整車路試耐久失效問題，確認初始結構設計及臺架實驗條件不滿足實際整車道路試驗條件，通過路譜及懸架結構Adams模型進行受力分析，分離出襯套的原始路譜，通過Ncode路譜分析軟件，對襯套的耐久和試驗條件重新定義，同時根據初始結構的襯套裂紋失效模式、發生位置和表面開裂特征，判斷為應力集中引起的耐久裂紋失效。據此對襯套結構進行優化，適當增加其剛度，減少大載荷下的位移，緩解應力集中現象。更改后的結構通過重新定義試驗條件的臺架耐久試驗和整車道路試驗，問題得以解決。

通過文中的敘述，可以總結出以下經驗，針對襯套耐久問題，尤其是臺架試驗與整車路試結果相互矛盾時的解決提供依據。

（1）不同車型（重量或懸架結構）的襯套設計時，需通過路譜分析和動力學模型得到襯套的受力譜;

（2）通過路譜定義襯套的臺架疲勞試驗條件;

（3）通過結構設計滿足襯套靜、動態性能的同時，盡量減少襯套應力、應變，提高其耐久性能。

參考文獻

[1] 蘆勇，段小成，徐馳等.汽車副車架襯套道路載荷譜縮減應用研究[J].汽車技術2013，56-60.

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