液壓懸置耐久開裂改善對策

李先洲，馬國冰，郭杰亮

（廣汽乘用車有限公司，廣東 廣州 511434）

引言

汽車動力總成懸置系統是指動力總成（發動機、離合器、變速器及附件等）與車架或車身之間彈性連接的系統。從機械振動力學的觀點看，汽車動力總成既是一個激振源又是一個需要隔離振動的受振對象，因而動力總成懸置的性能要求很高，一個設計良好的動力總成懸置系統應滿足固定和支撐動力總成，承受動力總成內部因發動機旋轉和平移質量產生的往復慣性力及力矩等多種要求[1]。發動機懸置的主要作用，是把發動機安裝在整車上，控制發動機的位移，并吸收發動機的振動[2]。對于懸置系統而言，其疲勞性能的好壞對整車性能影響極大。橡膠懸置的疲勞破壞形式以橡膠主簧失效居多，因此橡膠主簧的疲勞對整個懸置系統的壽命起著決定性的作用。隨著有限元技術的不斷成熟，用有限元法來分析橡膠材料的疲勞破壞被廣泛采用。某動力總成懸置在耐久試驗中出現橡膠主簧斷裂現象，如圖1 所示。此懸置要求在特定的工況下，2 640個試驗循環內，橡膠主簧不出現裂紋，實際試驗在進行14%時，出現橡膠主簧開裂，隨著裂紋擴展而斷裂、漏液失效。

圖1 懸置橡膠開裂部位圖

1 主簧橡膠開裂分析

造成主簧橡膠開裂的因素一般為懸置系統的設計的技術方案是否合理、橡膠材料的硬度、主簧橡膠承受的載荷和橡膠主簧的結構設計。

汽車動力總成懸置系統具有支撐動力總成的重量和限位等作用，它的主要作用就是隔振，盡可能少地將發動機的振動傳遞到車身上，懸置系統解耦度的高低是評價汽車動力總成懸置系統隔振設計好壞的一個重要指標。汽車動力總成懸置系統有6個自由度，對應的有6個模態。在某個模態頻率下，如果有兩種或兩種以上的運動形式，那么這種多模態并存的情況就稱為模態耦合。解耦懸置系統隔振設計的目標就是要使系統的6個模態振型盡可能解耦，側傾模態和上下跳動模態一般要求解耦度達到90%以上[2]，該懸置系統理論分析解耦率結果如下表1。

表1 懸置理論設計解耦率

通過理論計算解耦率，滿足動總的解耦要求，排除懸置系統解耦理論設計錯誤這一因素。

現在懸置材料基本采用共混膠替代以前單一橡膠材料。共混膠的耐老化性能、壓縮性能和耐溫性能有所提高，其耐溫達100 ℃，并有耐臭氧性能。橡膠材料的配方和橡膠硫化工藝基本決定了橡膠的硬度，橡膠硬度是影響耐久性的關鍵參數，通過調查，發現該橡膠配方與其他成熟量產車型一致，皆為成熟的配方材料，所選配方的橡膠硬度為50度，主簧橡膠硬度太低，懸置剛度不能滿足要求，該橡膠配方在其他車型已有成熟應用，而且也通過了臺架耐久測試，可見橡膠硬度不是影響該車型耐久開裂的主因。

懸置承受的載荷大小可通過力傳感器測量，通過實車載荷測量，發現車輛在靜態時左懸置存在278 N預載，右懸置存在250 N預載，理論上車輛靜態時的Y向預載荷為0，已有學者進行過車輛靜態時懸置預載荷的測量和研究，發現車輛靜態時，X和Y向載荷一般不會超過10 N[3]；而且目前實車右懸置Y向載荷比Z 向載荷還要大，懸置Z向是載荷主方向，正常情況下Z 方向的載荷應該最大，現測量結果見表2，發現Y+向載荷最大。

表2 懸置載荷測量結果

正常狀態下，懸置系統Z向上下振動載荷為最大載荷；X向為車輛制動和加速時的載荷；Y向載荷為車輛轉彎時，動總左右擺動而產生的載荷，經實車點云掃描動總的位置和動總3D數模比對，發現造成Y向靜態載荷大的原因是車身上懸置Y固定位置超差2～3 mm，造成懸置靜態拉扯量太大而產生過大預載荷；動態載荷大的原因是動總與懸置配合的Y向位移偏大，通過載荷譜發現動總Y向位移最大達12 mm，超出了設計最大要求9 mm；將懸置Y向限位位移縮小2 mm后再次測量載荷，可以發現－Y向載荷明顯減小，而且遠小于Z向載荷[4]。結果如下表3：

表3 改善后懸置載荷測量結果 單位：N

另外，主簧的結構設計是否合理、是否存在應力集中也是影響橡膠疲勞強度的因素之一，主簧橡膠的結構強度可通過CAE仿真分析應變來評估，通過幾種設計方案的主應變的對比，來評估現有主簧的結構設計是否合理。通過CAE應變分析結構優化前后的最大主應變，可評估結構強度的優化程度。通過對比幾種結構的CAE 分析結果，選最優設計的結構進行臺架耐久測試，改善前后的結構對比見下圖2。

圖2 主簧橡膠改善前后對比圖

同時將該新狀態的液壓懸置裝車進行高強耐久、綜合耐久和四立柱耐久，結構優化后的零件測試均未發現液壓懸置開裂漏夜，通過了整車耐久測試。

2 解決措施

通過動總動力學仿真分析和主簧結構CAE應變理論分析，決定將右懸置Y向軟限位位移減小2 mm，將左懸置的Y向軟限位位移減小2.5 mm，同時將主簧開裂部位的橡膠加厚3 mm，重新生產樣件，進行臺架和整車耐久試驗，均通過了耐久試驗，目前該車型已成功上市發布。

3 結論

懸置主簧疲勞耐久開裂與載荷存在很大關系，上下振動的Z方向為主載荷方向，也是載荷最大的方向，如Y和X方向載荷大于Z向載荷，說明懸置被嚴重拉扯，動總在車上上的姿態需要矯正。而解決問題的關鍵在于通過載荷測量明確哪個方向上的載荷是造成橡膠開裂的原因，然后查明實際載荷大于理論載荷的原因，一方面降低試驗時的異常載荷，一方面優化結構設計，可提高懸置橡膠的耐久可靠性。而懸置的售后耐久開裂，除與載荷有關外，還需調查橡膠的耐熱疲勞老化和抗蠕變性能，涉及到調整橡膠配方的問題，采用耐熱老化橡膠可降低售后熱疲勞開裂漏夜比例。