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技術(shù)篇|汽車動(dòng)力總成液阻懸置橡膠主簧的研究

2018-11-09 13:18:17·  來源：上海塑料  
　
汽車動(dòng)力總成液阻懸置橡膠主簧的研究張?jiān)苽b1，楊燕勤1，馮啟山2(1.上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電學(xué)院，上海 201418；2.上海通用汽車有限公司，上海 201206 )摘要汽車
汽車動(dòng)力總成液阻懸置橡膠主簧的研究
張?jiān)苽b1 ，楊燕勤1 ，馮啟山2
(1.上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電學(xué)院，上海 201418；
2.上海通用汽車有限公司，上海 201206 )
 
摘要  汽車動(dòng)力總成液阻懸置經(jīng)常受到發(fā)動(dòng)機(jī)與路面雙向的頻變和幅變的的作用。橡膠主簧對液阻懸置在復(fù)雜工況下的性能有著重要的影響，為了研究橡膠主簧的減振性能，利用有限元方法與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，根據(jù)工作條件選取相應(yīng)的本構(gòu)模型，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比來獲得減振橡膠材料在動(dòng)態(tài)條件下的性能，得到了理論與試驗(yàn)基本一致的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。該研究方法為工業(yè)中各種減振隔振橡膠材料有限元分析提供了基礎(chǔ)理論，為汽車動(dòng)力總成懸置設(shè)計(jì)提供是一種有效的研究方法。

關(guān)鍵詞 液阻懸置；振動(dòng)；橡膠；本構(gòu)模型
 
前言
 
汽車動(dòng)力總成液阻懸置支撐汽車發(fā)動(dòng)機(jī)并起到雙向隔振的作用，其橡膠主簧具有良好的彈性且容易變形。其性能對懸置的剛度與阻尼都有影響。橡膠作為一種重要的工程材料，它具有消音、隔振和緩沖性能，并且能耐一定的溫度、性能穩(wěn)定、制造方便、易于和金屬聯(lián)結(jié)在一起。橡膠主簧是利用動(dòng)態(tài)粘彈性中的力學(xué)損耗進(jìn)行減振，因此減振橡膠動(dòng)態(tài)粘彈性本構(gòu)模型的建立非常必要。與金屬的特性不同的是，橡膠材料特性和幾何特性都是呈非線性的，橡膠本構(gòu)模型對分析其動(dòng)態(tài)特性具有重要影響。而且橡膠材料受溫度、周圍介質(zhì)、應(yīng)變歷史、加載幅值、載荷的頻率和應(yīng)變量大小等因素的影響十分敏感，橡膠的疲勞特性也就變得更加復(fù)雜。

1、橡膠粘彈性本構(gòu)模型
橡膠內(nèi)的分子因摩擦而產(chǎn)生的衰減特性是減振橡膠材料的主要特性，內(nèi)部摩擦導(dǎo)致橡膠迅速升溫，而為了消除高頻振動(dòng)，必須依賴橡膠內(nèi)部摩擦進(jìn)行減振。隨著材料的阻尼增大，消耗的能量也增大，增大的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。橡膠是不良導(dǎo)體，熱能使溫度升高，剛度下降，耐久性降低。盡量減少高頻振動(dòng)和溫度對材料的影響要建立在本構(gòu)模型中，應(yīng)該加入溫度修正量。
 
實(shí)際有限元軟件對橡膠基本使用5種橡膠本構(gòu)模型，包括Neo-Hookean模型，ogden模型，Mooney-Rivlin模型，Sussman-Bathe模型和Arruda-Boyce模型 。以連續(xù)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)典型的多項(xiàng)式超彈性材料有如下形式：

2、動(dòng)力總成液阻懸置橡膠主簧的有限元模型建立
圖1為橡膠主簧結(jié)構(gòu)剖面圖。該橡膠主簧主要由三種材料組成：橡膠部分具有液阻懸置的性能和支撐發(fā)動(dòng)機(jī)作用，鋼環(huán)環(huán)繞橡膠部分且使橡膠結(jié)構(gòu)保持剛性；鑄鋁提供一種連接發(fā)動(dòng)機(jī)和懸置的連接功能。為了防止鋁結(jié)構(gòu)由于橡膠變形而嵌入橡膠內(nèi)，設(shè)置鋁結(jié)構(gòu)和橡膠部分為接觸邊界條件。根據(jù)實(shí)際工作條件和橡膠硫化的情況，進(jìn)行了載荷和約束的設(shè)置，使不同的結(jié)構(gòu)材料能夠很好連接在一起。橡膠主簧有限元模型采用三維實(shí)體單元，具有9021個(gè)節(jié)點(diǎn)和8000個(gè)單元，如圖2的（a）圖所示。根據(jù)實(shí)際工況，本文計(jì)算采用的本構(gòu)模型是Mooney-Rivlion材料模型2階多項(xiàng)式，計(jì)算中取值為，。
 圖1 橡膠主簧結(jié)構(gòu)剖面圖
模型設(shè)置在有限元網(wǎng)格B面一個(gè)集中點(diǎn)P與B面關(guān)聯(lián)，表示P與B面具有相同的垂直位移。給P點(diǎn)一個(gè)向下5 mm的位移，邊界約束條件如圖2（b）所示，A面與金屬硫化接觸面全約束，B面在X和Y向固定約束，Z向自由。計(jì)算出P點(diǎn)的支反力，然后與位移相除，就可以得到當(dāng)前位移狀態(tài)下的剛度值。如此多次改變P點(diǎn)位移，得到相應(yīng)支反力，可以繪制出靜態(tài)剛度曲線，同時(shí)與橡膠主簧垂直方向靜態(tài)力-位移試驗(yàn)測試曲線和有限元計(jì)算結(jié)果做對比。通過試驗(yàn)來檢測理論模型是否正確是現(xiàn)在普遍的研究方法。
   
                                         
（a）網(wǎng)格          （b）約束邊界
圖2 橡膠主簧的有限元模型

3、橡膠主簧試驗(yàn)分析
為了對比分析有限元模型建立的準(zhǔn)確性，對產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)。從車間抽取兩個(gè)樣件，如圖3所示，并對其進(jìn)行編號。然后加工成如圖4剖面圖所示的形狀。因?yàn)橹饕菍ο鹉z主簧性能進(jìn)行測試，所以切除其他干擾部件。試驗(yàn)時(shí)，液阻懸置與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的一端與激振器的作動(dòng)頭端相連，與車架相連的一端固定于振動(dòng)臺上，在振動(dòng)臺的作動(dòng)頭端與固定端均安裝力傳感器，試驗(yàn)裝置采用寧波拓普公司進(jìn)口設(shè)備MTS 831彈性體試驗(yàn)臺，如圖 5所示。對兩個(gè)懸置進(jìn)行了Z方向靜態(tài)剛度測試，測試結(jié)果如圖6所示，圖6中縱坐標(biāo)F代表橡膠主簧垂直方向力的大小。
圖3 試驗(yàn)樣品
圖4 試驗(yàn)樣品的剖面示意圖
圖5 MTS 831彈性體試驗(yàn)臺
圖6 樣品沿Z方向測試的靜態(tài)剛度
圖7  橡膠主簧垂直方向靜態(tài)力­-位移曲線

4、結(jié)論
本文討論了減振橡膠幾種典型的本構(gòu)模型，并且根據(jù)實(shí)際情況選取了合適的本構(gòu)模型對汽車動(dòng)力總成液阻懸置的橡膠主簧進(jìn)行了計(jì)算和試驗(yàn)研究。從圖7中可以看出，試驗(yàn)曲線與位移有限元仿真曲線有較好的一致性，因此所建立的有限元模型可以用來仿真橡膠的力學(xué)特性。橡膠本構(gòu)模型的精確選擇也可以精確的獲得橡膠的疲勞特性，為以后的橡膠疲勞特性分析奠定了基礎(chǔ)研究。有限元模型分析在位移小于7 mm范圍內(nèi)獲得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。當(dāng)位移大于7 mm時(shí)應(yīng)該采用其他的橡膠粘彈性模型。采用有限元分析法可以減少廠家試驗(yàn)次數(shù)和試驗(yàn)成本，為減振橡膠材料的工程分析奠定了良好的理論和研究基礎(chǔ)。 
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