控制臂舒适性液压衬套的优化设计

张海莉

(恒大恒驰新能源汽车研究院(上海)有限公司 第一车型研发院，上海 201600)

0 前言

悬架衬套作为底盘重要弹性零件，能有效改善车辆行驶平顺性和路面噪声，尤其是控制臂舒适性衬套的作用更加显著。舒适性衬套的功能为兼顾低频振动控制和中高频结构噪声隔离。在接收低频大振幅振动时，尤其在车轮垂直跳动振动频率范围，一般在10～18 Hz之间，衬套需要较大的阻尼性能来衰减振动；在高频的小振幅振动输入时，衬套需要较小的动静比和阻尼以达到良好的隔离高频噪声的效果。普通橡胶衬套由于其橡胶固有特性，无法很好的同时兼顾高频和低频共同的需求，因此在中高端车型上通常会采用液压衬套来实现在低频输入时通过大阻尼来衰减大振幅振动，高频输入时使用小动静比和小阻尼来实现小振幅振动的有效隔离。但液压衬套因其结构较复杂，容易发生衬套开裂而导致漏液失效的问题，本文结合某车型液压衬套优化过程，从橡胶体结构设计、刚度曲线设定和橡胶材料选择等方面进行研究，为前期设计提供借鉴，降低后期开发成本。

1 液压衬套基本结构

普通的液压衬套由内芯、内壳体、防撞块橡胶、主簧橡胶、中间骨架、流道板、外壳体和乙二醇液体组成，如图1所示。其中防撞块橡胶通过硫化连接内芯和内壳体，防撞块橡胶一般选用硬度高、耐磨性好的NR材料。主簧橡胶将内壳体、中间骨架硫化在一起，主簧一般选用较软且阻尼较大的材料，主簧橡胶分别在加速侧和制动侧设置泄压装置来缓冲在复杂工况时路面传递的冲击，主簧上的皮碗结构是液压衬套最为薄弱的结构之一，大部分耐久漏液都是因为皮碗开裂导致。中间骨架和流道板共同起到支撑主簧橡胶的作用，中间骨架与外壳体又共同起到密封作用。乙二醇在主簧、流道板、外壳体三者之间储存，可通过改变流道板上的流道宽度和长度来改变峰值阻尼值和峰值频率。

图1 普通液压衬套结构

2 液压衬套开裂失效模式及主要优化措施

与普通橡胶衬套类似，液压衬套常出现的耐久失效模式主要原因是主簧橡胶疲劳开裂、防撞块橡胶异常磨损、流道板异常磨损等导致性能衰减严重或异响。因为液压衬套内部封装了乙二醇液体，在橡胶与金属壳体的结构设计时需兼顾车辆运动过程中衬套内部液体流动和橡胶元件变形，所以液压衬套橡胶体设计比普通衬套复杂。橡胶的疲劳失效是由于橡胶材料在受到重复的拉压载荷时，橡胶体局部变形或承受的应力超过了橡胶材料本身的延伸率或极限应力时对橡胶体产生的破坏。橡胶体在受到周期性拉压载荷作用时，载荷不断地集中在橡胶分子链上的化学键能比较薄弱的部位而产生微裂纹，继而发展成肉眼可见的初始裂纹。若初始裂纹出现在主簧的皮碗或其他位置裂纹延伸至主簧的皮碗，必然会导致乙二醇泄露，从而刚度和阻尼大幅降低，衬套性能衰减严重。

本文主要针对液压衬套疲劳开裂展开分析，以某双叉臂悬架的前下控制臂的舒适性液压衬套为研究对象，在可靠性道路验证中，在行驶至67%里程时车辆的左侧衬套出现漏液问题，在主簧橡胶的制动侧和加速侧皮碗处呈对角位置开裂，如图2所示。

图2 衬套皮碗处开裂

完成100%路试后，拆卸衬套并对衬套进行刚度、阻尼复测。如图3所示，右件的衬套刚度和阻尼维持较好，满足在输入频率15 Hz，振幅±0.5 mm振动时，损失角大于50°的设计要求。但左件的刚度和阻尼大幅降低，均不满足衬套性能目标，初步推断其内部乙二醇泄露严重。对左、右衬套进行解析，如图4所示，检查到右件虽未漏液，但初始裂纹从主簧边缘的中部位置开始沿衬套轴向方向向两端扩展；左件的裂纹从主簧边缘中部起始，然后沿衬套轴向方向扩展至主簧的皮碗处，进而导致衬套漏液，左件质量比右件小38 g。因此判定初始裂纹从主簧边缘中部起始。

图3 问题件刚度和阻尼角复测

图4 左右件裂纹对比

图5 主簧中间位置解析图

在左件衬套的主簧中间位置横向剖开，如图5所示，裂纹最深为7～11 mm。从Adams模型中的提取常用工况载荷分析，此衬套最严苛的受力工况为径向受力工况，同时通过对故障件检查，发现左、右件开裂位置为衬套主簧橡胶体的对角位置。故推断衬套主要开裂工况为径向加载与绕轴向扭转工况，在此工况下，主簧橡胶体达到最大拉伸行程。

针对橡胶体疲劳开裂，主要从降低橡胶体应变水平和提升橡胶体承受应变能力2个方向优化。见表1。

主簧橡胶的结构设计应充分考虑车辆制动和加速工况下橡胶拉伸变形造成的应力和应变集中，问题件的主簧橡胶体边缘结构过于饱满，缺少设计缺口进行过渡，如图6所示。图中原方案为原始结构，主簧橡胶体从中心到边缘厚度均匀，拉伸变形时应力集中在边缘位置，这是导致开裂的主要原因。借助ABAQUS软件，完成了4次在橡胶体中间增加缺口的结构优化，分别为方案1～4，使应力集中区域从边缘向缺口区域移动，从而降低橡胶体边缘位置应变。在径向增加4 mm位移，轴向扭转加载15°工况时，应变从原方案的202%降至方案1的130%，如图7所示。

表1 开裂优化方向

图6 主簧橡胶体结构优化方案

图7 主簧橡胶体形状优化后应变分析

主簧的刚度曲线拐点设定直接决定主簧的拉伸行程，并且影响过坎冲击舒适性等动力学性能。如图8所示，该开裂衬套在液室方向的刚度定义为450 N/mm，而刚度曲线直线端拐点定义在3.5 mm，即在液室方向只需要1 575 N的力，衬套在液室方向变形就要到拐点位置，而该衬套常用工况受力远大于1 575 N，即衬套在液室方向上常用工况为刚度曲线拐点以上区域。

图8 问题件刚度曲线设定

衬套刚度曲线直线段越长，橡胶在极限工况会被拉伸得越长，橡胶应变越大。刚度曲线直线拐点位置缩短可减少主簧拉伸行程。在图6各方案基础上，分别将静刚度直线段行程由3.5 mm缩短至2.5 mm，由此生成方案5～9，如图9所示。通过计算机辅助工程(CAE)分析，橡胶应变进一步减少，最大应变最小减至120%以下。

图9 衬套应变水平分析

刚度曲线直线段缩短会影响汽车动力学和流道板耐久性。衬套线性段的设计需要平衡操控性和平顺性，在侧向力工况，舒适性衬套受力较小，线性段的改变对衬套的受力和变形影响非常小。在纵向力工况(制动工况)，如表2所示，VD板块分析舒适性衬套的线性段对制动力转向、制动力外倾、制动力主销后倾、轮心纵向柔度影响明显。衬套线性段缩短，导致轮心纵向柔度降低至2.5 mm，会对舒适性有一定影响。但轮心纵向力柔度的线性段可接受经验范围值为在2.5～3.5 mm，因此需进一步主观评价实车样件。

表2 Adams模型仿真结论

通过将流道板内部加厚1 mm来缩短刚度曲线直线段，防撞块会更容易与外侧的流道板接触，而防撞块两侧硬接触橡胶层只有0.5 mm厚度，该橡胶层容易被磨损掉，这时防撞块会与外侧流道板处于钢与塑料的接触，更容易导致流道板异常磨损，甚至会产生噪声，因此后续实车验证时需对流道板磨损进行评估。经分析，最终结构和曲线优化方案选择图9中的方案6。

橡胶材料的撕裂强度是决定橡胶承受应变能力的关键指标，可以有效减少橡胶开裂。前期设计是根据以往经验，结合国内橡胶材料性能及工艺水平，主簧橡胶选择撕裂强度为28 N/mm的材料，衬套在可靠性路试中出现较严重开裂并造成漏液。优化橡胶材料将撕裂强度提升至34 N/mm，通过路试耐久试验后，刚度和阻尼维持良好，仅主簧内部出现较轻微裂纹，并未漏液。因此，可通过提升橡胶撕裂强度等优化橡胶材料耐久性能的方法，改善衬套的耐久开裂问题。

3 液压衬套开裂问题优化验证

液压衬套结构设计改变、刚度曲线调整、橡胶材料更换不仅影响液压衬套结构可靠性和耐久性，同时会影响车辆的驾乘舒适性。因此需要通过循环台架耐久试验、实车路试耐久试验和实车舒适性主观评价综合判断。

如表3所示，通过路谱载荷转化，衬套小循环台架耐久试验要求为7种工况，1个小循环为10%寿命要求，衬套在通过10个小循环即满足100%寿命要求。经问题件、优化件的循环台架耐久试验对比，问题件在60%～70%循环之间(即6～7个小循环)出现漏液，优化件在130%～140%(即13～14个小循环)出现漏液，同时两者失效模式与路试问题吻合，可以判定路谱载荷与路试情况吻合度较好，而且衬套优化方向是有效的。对台架验证件进行解析检查，流道板无异常磨损现象。

表3 路谱小循环要求

通过实车路试耐久试验，优化件完成全里程道路验证，路试过程中无异响、漏液等问题。对路试后优化件进行刚度及阻尼复测，刚度损失为18%，并满足在15 Hz时损失角的设计要求。通过实车动态主观评价，对问题件、优化件进行评估，如表4所示。优化件虽然在“减速带冲击”项的评分略低，但如表5所示，评价分数也维持在较好范围内，因此优化件可通过车辆动力学主观评价。

表4 问题件和优化件主观评分表

4 结语

本文基于控制臂舒适性液压衬套在路试验证时出现的开裂问题展开分析，对主簧橡胶体的结构设计、刚度曲线设定、橡胶材料选择等维度展开分析，借助CAE分析软件进行论证，最终通过优化主簧橡胶体结构、刚度曲线直线段拐点优化、材料优化选择实现优化衬套的设计，并通过台架循环耐久、路试耐久、实车主观动态评价对优化方案进行了验证，有效解地解决了控制臂舒适性液压衬套开裂问题。本文提出的优化设计方案为液压衬套前期优化设计提供了参考，可为整车开发节约后期模具修改及验证成本。

表5 评分体系