悬架衬套刚度对硬点载荷的影响规律研究

白坤海

（淄博职业学院 教务科研处，淄博 255314）

0 引言

汽车悬架导向机构连接处越来越多地使用了橡胶衬套，研究表明，由这些衬套的非线性刚度对汽车的行驶平顺性、操纵稳定性、制动性和NVH等均有显著影响，这些方面吸引了越来越多的专家学者的关注。研究涵盖了橡胶衬套非线性刚度模拟、橡胶衬套对悬架操控性的灵敏度分析、衬套对汽车NVH的影响等众多方面。国外汽车公司在橡胶衬套选型、刚度匹配等方面有着完善的流程和规范。近年来，国内汽车公司在该领域也有着长足的进步，正在形成或已初步建立自己的标准体系。

另一方面，汽车在行驶过程中，橡胶衬套又起到载荷传递作用，如果把汽车看成一个多体系统的话，显然橡胶衬套刚度的变化必然会导致该系统中各连接点载荷的变化，而载荷的变化会影响到结构强度及其耐久性。

一般来说，动力学分析工程师关注的焦点是悬架K&C和整车操纵稳定性和平顺性；在载荷明确的前提下，结构强度或耐久性分析工程师关注的是结构本身的完整性。由于专业分工的原因，橡胶衬套对悬架硬点载荷的影响经常会被设计（或CAE分析）人员所忽视。

一般来说，在悬架设计初期，衬套刚度经常不确定，在设计过程及后期调校过程中，还会经常改变衬套的刚度。分析人员又难以把握衬套刚度对所计算载荷的影响程度，导致载荷计算结果的精确度难以保证。

由此可见，开展这方面的研究工作，特别是找到不同悬架形式的衬套刚度参数对载荷的影响关系是非常必要的。

1 问题描述

以MacPherson形式前悬架系统为例，其构成主要包括：车架、悬架、车轮、制动和转向等系统。

本文研究对象为下控制臂，示意图如图1所示。该控制臂通过两个连接衬套（图中标记1、2位置）与副车架连接，为描述方便，1点和2点分别称为控制臂前点和后点；另一端通过球销（在图中标记3的位置）与转向节连接。

当车辆经过不规则路面时，地面载荷通过衬套传递到车架上，同时衬套也会发生平移及扭转变形，分别在图1中1、2位置产生6个方向的载荷[1]。同时，控制臂在3点位置受到3个方向载荷作用（因球销连接，无扭矩产生。

控制臂在3个连接点及惯性载荷作用下，将产生应力和变形。在控制臂设计过程中，通常用多体动力学方法计算出各连接点的载荷，之后采用有限元分析软件，计算出控制臂的应力分布，以验证其是否满足设计标准。

本文研究采用Adams软件，重点分析控制臂连接衬套刚度对其连接点载荷的影响规律，为强度分析提供依据。

图1 控制臂结构示意图

2 悬架连接衬套刚度

在设计阶段，悬架连接衬套刚度获取方法通常有以下三种。

1）同平台车型沿用衬套刚度数据的借鉴；

2）获取Benchmark样车衬套刚度试验数据；

3）有限元仿真。

前两种方法取决于汽车设计公司数据库的积累和试验能力，这里不再赘述。随着有限元技术应用日益广泛，近年来，采用有限元方法模拟橡胶衬套刚度的应用越来越多。

通常对于橡胶类材料，不用杨氏模量和泊松比表示应力－应变关系，而用应变能来表达其本构关系，此函数形式及其所包含的参数需要由试验确定。橡胶本构关系中应变能函数形式包含：Arruda-Boyce、Marlow、Mooney-Rivlin、Neo-Hookean、Ogden、Polynomial、Reduced Polynomial、Van der Waals、Yeoh等多种形式[2]。

在具备橡胶材料试验参数的条件下，虽然可以采用适当的模型计算出衬套的刚度结果。但是，由于技术和设备的原因，一般的衬套供应商和汽车企业很难获取这些材料数据。如果在已知某（些）方向刚度特性时，可以计算模拟得出其它方向刚度，通常可以用在橡胶衬套结构设计或者试验曲线不完备的情况下[3]。图2结果显示的是根据某方向衬套刚度的设计值，应用Mooney-Rivlin模型模拟其他方向的刚度结果，结果表明二者有很好的一致性。

图2 橡胶衬套刚度对比曲线

3 悬架连接衬套刚度对连接点载荷的影响分析

如图3所示为某车型前悬架模型，控制臂为研究对象，进行如下分析。以控制臂后连接点衬套作为参考基准，分别改变前点x、y和z向平动刚度，计算得到控制臂3个连接点载荷，并进行对比分析。前点和后点的刚度比值依次为：1/5、1/4、1/3、1/2、1、2、3、4、5。分析工况包括：制动（brake）、驻车启动（Standing start）、转向（Corner）和垂直起跳（Bump）。

图3 前悬架系统动力学模型

结合Adams分析，可以很容易得到改变各方向刚度对不同工况连接点载荷的影响规律[4]，图4仅给出了改变控制臂前点x向刚度对制动工况连接点载荷的影响曲线。

图4 Brake工况控制臂连接点载荷

表1 衬套刚度等对悬架载荷的影响程度汇总

计算结果表明，无论是改变控制臂连接衬套刚度，还是改变上限位缓冲块参数，对控制臂连接点输出载荷均有不同程度的影响，为了便于比较，影响程度的统计结果如表1所示。表中颜色标记表示参数改变对载荷有影响，影响的程度用有颜色方格的数量表示，如1个颜色方格代表有很小的影响，而5个颜色方格代表有很大的影响。

根据表1的统计结果可知：

1）改变控制臂连接点x向刚度对所有工况的x向载荷影响显著、对y向和z向载荷影响较小；

2）改变控制臂连接点y向和z向刚度，对控制臂连接点载荷影响较小。

除此之外，如图4（a）所示，控制臂前后点载荷变化遵循一定的规律，在不同的刚度比下，其载荷变化规律是相反的，而且二者的代数和接近恒定，原因如下：

应用Adams进行硬点载荷计算时遵循达朗伯原理[1]，以图1所示的控制臂作为研究对象，有如下关系成立：

改变控制臂前后连接衬套刚度，不会影响悬架结构本身的变化，因而，球销（3点）载荷和惯性载荷变化很小，可以忽略不计。因此，可以粗略判断1、2点x向载荷的和保持不变，如图4（a）所示。

4 结论

以MaPherson悬架为例、研究了控制臂衬套刚度对连接点载荷的影响规律，结果表明，x向刚度对x向载荷影响显著，其它情况影响较小。由于悬架结构形式的多样性和差异性，本分析结论不具备通用性，但分析方法对其他形式的悬架系统依然有效。

[1] 雷雨成,李峰.橡胶衬套刚度对悬架系统影响的研究[J].上海汽车,2006(11).

[2] 赵振东,雷雨成,袁学明.汽车悬架橡胶衬套刚度的优化设计[J].机械科学与技术,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] 胡培龙,上官文斌.汽车悬架橡胶衬套静刚度设计方法[J].机械设计,2011(3).