橡胶元件在汽车悬架中的应用分析

陈国瑞，李绍刚，钱爱东

（辽宁省铁岭橡胶工业研究设计院，辽宁 铁岭 112000）

橡胶元件在汽车悬架中的应用分析

陈国瑞，李绍刚，钱爱东

（辽宁省铁岭橡胶工业研究设计院，辽宁 铁岭 112000）

对汽车悬架中使用橡胶元件进行分析，针对橡胶套管的性能分析、动特性测试以及有限元分析进行了较为全面的阐述，再从整车性能和悬架弹性运动两个方面对橡胶元件在汽车悬架中发挥的作用进行分析，得出橡胶元件可以优化汽车悬架运动性能的结论，并指出需进一步对橡胶元件对汽车高频动态特性的影响作出研究，以推动橡胶元件在汽车悬架中的应用。

橡胶元件；汽车悬架；性能分析；应用

在近些年的汽车悬架设计工作之中，橡胶元件的使用越来越广泛，这虽然使得悬架系统的设计趋向复杂化，但是也能够实现悬架性能的提升和稳定。就当前的实际情况而言，在汽车悬架系统中，橡胶元件主要涉及到橡胶衬套、缓冲块、弹簧以及稳定杆支撑等，而橡胶衬套作为悬架系统重要的零部件，具有承载的作用，对整车性能的影响非常突出。所以，本文就着重针对橡胶衬套这一元件在汽车悬架中的应用进行了分析。

1 橡胶元件在汽车悬架系统的应用性能分析1.1 性能分析

将橡胶元件运用到汽车的悬架系统当中，能够表现出以下几个方面的显著优点。一是可以降低汽车出现的噪声和振动，使汽车的运行更加平稳。二是汽车以及悬架系统的运动特性会受到橡胶刚度的影响。三是使用橡胶元件不需要进行润滑。对于橡胶衬套而言，将其使用到汽车悬架系统中可以发挥出上述三点作用，而其按照制造工艺可以分为四种，即橡胶与金属内外筒粘结；外筒压入，内筒粘结；外筒及内筒均压入；单纯内筒粘结，无外筒。这四种不同的形式，在悬架系统中能够表现出不同的作用。而为了使其在使用中的耐久性实现提升，可以对中间橡胶体进行径向预压缩，压缩形成控制在橡胶元件自身厚度的10%～30%范围内。在车辆行驶中，橡胶衬套会受到来自径向、轴向以及扭转这三个方面的综合水，这就需要使橡胶衬套在多因素影响下保持良好的刚度性能。一般，在对橡胶元件进行性能分析时，主要的手段是有限元分析、公式计算以及实验测试等。因为前两者过于偏向理论，对实际情况的考虑不够全面，因此应该将实验测试作为测试橡胶元件性能的主要手段。

1.2理论研究

对于车辆悬架设计而言，静刚度是橡胶元件运用到车辆悬架中的基础指标。从性质上来说，静刚度是对橡胶元件的静态力学特性进行了描述，主要通过载荷-变形曲线在缓慢加载情况下的实际变化进行判断。就当前的实际情况而言，对汽车悬架运用橡胶元件的研究主要集中在圆柱型橡胶衬套上。对于圆柱型橡胶衬套而言，通过分析整体受力可以发现，其具有圆锥刚度、扭转刚度、径向刚度以及轴向刚度这四类，在小形变状态下，可以将应力-应变看作线性变化。在应力-应变关系的表示上，因为是橡胶材料，因此可以通过应变能对其进行表示，不需要使用泊松比或是杨氏模量。在橡胶发生形变的过程中，表现出了很强的物理非线性和几何非线性，其中物理非线性是指应力-应变非线性，而几何非线性是指位移平衡方程非线性。在汽车悬架中应用橡胶元件时，还存在衬套过盈压配工艺以及边界不确定的问题。所以，需要通过一定手段对橡胶元件的非线性问题展开分析处理，才能使其在汽车悬架中的应用更加深入。

1.3动特性试验

对于汽车而言，振动是衡量整车性能的重要指标。而在悬架系统当中，橡胶元件的动态特性对整车振动性能具有直接关系，通过对橡胶元件的阻尼和动态刚度进行测定，能够凭借相应测定数据对汽车悬架设计提供可靠参考。这就需要针对橡胶元件的粘弹特性进行分析，可以将橡胶元件简化为如下图所示的模型，在外力作用下产生形变的时候，则会表现出应变滞后于应力作用的现象。

图1　橡胶元件简化模型

在动态特性的测试方面，主要是通过一些设备进行，而阻尼和动态刚度对于这些测试方法或是测试设备都表现出了敏感性的特点。在测试方法、测试设备以及分析模型存在差异的情况下，可以通过不同的分析手段对试验数据进行分析，像回归法、矢量法等都是用于阻尼和动态刚度分析计算的可靠手段。在进行试验的过程中，一般是通过信号采集器对试验信号进行采集，以正弦振动作为输入力和形变量之间的关系。通过实际研究发现，橡胶元件在汽车悬架中所体现出的动态特性，会在振幅、频率以及温度等因素的改变下发生一定的变化，这就需要通过可靠的测试设备进行试验，并且要对振幅和频率进行有效控制。不仅如此，在测试橡胶元件动特性的过程中，需要对预载要求、温度控制以及设备夹具等因素进行合理控制。

1.4实验验证

通过对橡胶衬套的分析研究发现，其具有形变大、非线性以及边界不确定这几个特点，通过ANSY软件对圆柱型橡胶衬套进行研究，着重分析变形响应。具体地说，该圆柱型衬套和金属内筒进行了硫化粘结，而和外筒又是压配过盈，其具体示意图如2所示。

从图2可以看出，在进行分析时，可以将内筒进行固定，同时对外筒外壁施加Z方向的位移，对施加位移和约束反力之间的关系展开分析。因为内筒和中间橡胶体处于粘接状态，可以对模型进行化简，仅仅对中间橡胶体和金属外筒构建几何模型即可，使固定约束施加到橡胶内壁的节点上。具体的几何参数为：橡胶衬套R=12.5 mm，L=43 mm，r=10 mm；金属外筒R=15 mm，L=43 mm，r=12 mm；外筒和橡胶之间的过盈压缩量为20%。由此可以构建有限元模型进行分析，通过3 850个20节点立方体构成模型，如图3所示。

图2　圆柱型橡胶衬套示意图

图3　有限元模型示意图

对于外筒和橡胶衬套之间的过盈压缩进行接触模拟，选择面对面的接触形式。金属外筒的泊松比为0.3，弹性模量为2.1×105MPa。对计算结果进行验证时，需要对橡胶衬套的实际变形响应进行测量，这可以借助MTS单通道试验台进行。通过实验可以发现，有限元模型所分析得出的结果，和实验结果是相吻合的。

2 整车性能受到橡胶元件的实际影响

2.1整车性能受到橡胶元件的具体影响

要分析整车性能受到的具体影响，可以通过有限元和多体动力学这两种方法综合使用，达成研究目的。首先需要构建整车刚柔耦合与悬架的动力学模型，并且求解状态方程，深入分析橡胶衬套参数变动对悬架系统以及整车性能造成的影响，以及其相互之间的内在联系。具体说来，整车性能在橡胶衬套参数的变化下，其会表现出一定的正比关系，如约束反力和轴向位移之间会表现出一定的正比关系，实验值和FEA值之间基本保持一致。而在整车性能的特性上，橡胶衬套使得整车性能表现出高频NVII、平顺性以及低频稳定操作这几个方面。

橡胶衬套自身具有一定的形变特性，而其形变特性又和汽车悬架的运动特性直接关联，还关系到汽车的稳定性。不仅如此，橡胶衬套在刚度大小对悬架侧倾角刚度大小也具有一定影响，通过实验分析明确车身侧倾性能约有10%是由橡胶衬套贡献的。车辆悬架在设计中，水平向和垂向的刚度是依靠减振器和主簧实现的，在此基础上还需通过橡胶衬套进一步提升其动态特性。这是因为在悬架系统中，橡胶衬套能够使车身受到的冲击和振动有效减少，强化其平顺性。另外，由于会受到来自橡胶衬套自身径向刚度、轴向刚度与阻尼的影响，会对汽车水平向的低频振动产生比较显著的影响，而这又和衬套安装的具体位置存在联系。若是悬架系统变形范围较小，那么在垂向刚度上，其对悬架产生的影响是比较小的。

为了降低汽车悬架和轮胎传递道路噪声的问题，可以适当改变橡胶衬套的刚度。比如，对于某型轿车而言，在明确车身加速度与车轮加速度之间的幅频特性后，可以从考虑橡胶衬套和不考虑橡胶衬套两个层面针对悬架系统进行分析，最后可以得出对应的振动传递特性变化。

2.2应用分析

通过实例对汽车悬架弹性运动学进行分析，主要核心在于对橡胶衬套的作用进行探究，明确车轮跳动量和车轮定位参数之间的相互关系。就现代汽车的发展而言，其对悬架系统的运动学要求是：车轮外倾角、前束角以及车轮间距的变化量在车轮出现上下跳动的过程中，需要保持在最小水平。通过刚度设计变量对悬架运动学受到橡胶衬套的影响进行分析，同时对衬套各向刚度实现不断优化。为了设计变量有效减少，可以针对目标函数的最大影响进行设计变量的控制，通过ADAMS软件分析灵敏度。通过实际研究表明，在悬架的运动学影响因素中，橡胶衬套平动刚度的影响程度要大于扭转刚度。因此，可以在8个灵敏度绝对值较大的条件下，得出24个平动刚度的设计变量，以此进行优化多目标的计算。经过计算可以发现目标函数值明显下降，再输入优化后的各向刚度进行比较，可以发现橡胶衬套在优化之后的外倾角、前束角以及车轮间距等得到了一定程度的改善。其中，改善效果最为明显的当属前束角，其在优化之前，随着车轮跳动高度的增加，其前束角呈现出剧烈的下降趋势。而在优化之后，车轮跳动高度从-100～100 mm的变化过程中，前束角基本能够维持在-0.0 025o的水平，不会出现太大的变化。此外，为了在不同方向上能够使橡胶衬套表现出不同的刚度，可以在衬套上设置适当的减弱孔，或者增加复合钢片。

3 结束语

分析橡胶元件在汽车悬架中的应用，需要针对橡胶元件的自身特性展开分析。不论是各向刚度、还是汽车的稳定性和平顺性等，都和橡胶元件在悬架中的实际应用存在紧密联系。通过有限元以及其他分析软件对橡胶元件在悬架以及整车中表现出的实际作用进行分析，得出橡胶元件能够实现减噪、减震等作用。这需要进一步通过数学模型进行分析，对汽车动态特性受到橡胶元件的影响深入剖析，在汽车悬架设计中合理运用橡胶元件，不断提升汽车性能。

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Application analysisof rubber components in automotive suspension

U463.33

1009-797X（2016）10-0075-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.030

陈国瑞（1964-），男，高级工程师，橡胶弹簧，橡胶减震制品的研发设计，辽宁省铁岭橡胶工业研究设计院院长。

2016-04-20