汽车底盘低动静比衬套设计策略探究

摘 要：路面振动经汽车底盘传递至车内，车身结构在一定程度上存在放大作用，易产生车内噪声、振动等问题，如不能合理控制，易被客户感知、抱怨；衬套动刚度作为降低振动传递率关键措施，文章通过对橡胶配方、衬套结构及型式进行分析、探讨，总结了衬套低动刚度常用设计策略，为车辆NVH问题解决提供参考。

关键词：衬套动刚度 振动传递率 NVH 路面振动

1 引言

车辆在行驶过程中，路面冲击、振动经车辆底盘传递至驾驶室，易引起客户抱怨，甚至导致车辆零部件寿命降低，发生开裂等安全问题；为改善此问题，橡胶产品在汽车底盘设计中得到广泛应用，主要应用在冲击、振动的传递路径上，可有效降低其传递率，改善产品设计寿命，提升车辆设计品质；橡胶件刚度分为静刚度、动刚度2类，两者存在耦合性，动刚度越低，冲击和振动的改善效果越明显，但会使其静刚度过低，导致产品寿命无法满足使用要求，如何实现低动刚度设计，直接关乎车辆设计品质。

橡胶衬套力学特性

橡胶衬套属于超弹性物质，在压缩和回弹过程中应力和应变并不是一一对应的关系，而是存在应变滞后于应力。本文采用复刚度分析方法介绍橡胶衬套的力学模型，见图1。

假设对橡胶衬套施加一个周期性简谐激励，设，

式中橡胶衬套位移幅值，橡胶衬套载荷幅值，位移与载荷间滞后角。

橡胶衬套复刚度为：

其中为橡胶衬套复刚度；为橡胶衬套储存刚度；为橡胶衬套损耗刚度，由式（2）知：

其中为橡胶衬套动刚度，为橡胶衬套静刚度，由决定，为动静比；由此可见衬套的动、静刚度同属橡胶特性参数，存在耦合性；依据振动传递的幅频特性，低的动刚度可降低振动传递率，有利于车辆振动控制，设计时需重点考虑。

汽车底盘衬套特性中的静刚度、动刚度均为关键特性，前者与车辆操控、产品寿命相关，后者与路面振动、冲击的衰减有关；衬套静刚度在设计初期，由车辆KC性能分解获得，而后基于车辆性能调校进行修正，是保证车辆操控性能的关键因素，一般优先设定，从优先级维度降低其与动刚度的耦合性；衬套动刚度由车辆NVH性能分解获得，越低对NVH越有利，橡胶衬套多在受迫振动传递路径的节点处布置，低动刚度轴套可有效降低振动的传递率；本文通过对橡胶材料、衬套结构等维度，对衬套低动刚度设计策略进行探究，为大家提供参考。

2 橡胶配方的低动刚度策略

2.1 橡胶定伸强度匹配

通过试验研究，橡胶材料的动静比与材料拉伸强度（或者200% 定伸强度）存在一定关系，可通过调节橡胶材料品种、硫化体系、填充体系进行匹配，实现低动刚度设计策略。

目前许多橡胶材料在相同硬度下，扯断伸长率均可满足不小于400%要求，但不同配方胶料在200%定伸强度差异较大，随着200%定伸强度的增加，橡胶的动静比会降低。详见表1：

2.2 橡胶填充剂匹配

橡胶配方中的填充剂，是除橡胶本身外影响胶料动静比另一重要因素，特别是炭黑，作为橡胶的常用填充剂，粒径越小，填充量越大，则胶料硫化后的动刚度越大，（胶料的硬度不变）；采用粒径大的炭黑作为填充剂，对胶料的低动静比最有利，但因其补强效果差，多采用中等粒径。验证效果见表2：

发动机悬置，副车架衬套等产品应用较多，在某SUV车型对后排路噪控制时，副车架衬套、控制臂衬套通过材质优化降低产品动刚度，见表3，验证效果较好。

副车架衬套采用低动刚度方案，见表3，车辆后排路噪在50-60Hz、80-100Hz、120Hz等峰值区域降低明显，约6-8dB，改善效果明显。

控制臂衬套采用低动刚度方案，见表3，车辆后排路噪在70-90Hz峰值区域有所降低，约3-4dB，稍有改善；控制臂衬套所在噪声传递路径敏感度低于副车架衬套的，故控制臂衬套低动刚度衬套应用效果并不明显。

3 衬套结构的低动刚度策略

对同一材质，相同结构的橡胶，在硬度、剪切模量、动刚度的三者关系分析，见式（8）可得橡胶硬度与静刚度为近似正比例关系；

其中，与为近似正比例关系，见图5。

将式（6）代入（7）得

橡胶邵尔A硬度，橡胶剪切模量，橡胶形状系数，橡胶尺寸系数；

类似应用在德系某高端车型已应用，车型后副车架衬套硬度采用45（A），通过低硬度策略实现低动刚度设计，见图6、图7；常见衬套类产品橡胶硬度范围50-70（A）。

4 其它低动刚度策略

聚氨酯作为一种新型合成高分子材料，对硬度的调节依靠调整分子链中软、硬段的比例实现，与橡胶材质应用的填充剂（常用为炭黑）不同，因此动刚度的变化受到硬度的限制较小，在静刚度相同时，聚氨酯衬套的动刚度较低；某轿车应用聚氨酯衬套，动刚度较橡胶的降低最大约20%，效果明显，见图8；此类型多应用于减振器与车辆连接结构处。

5 结束语

衬套动刚度的设定与车辆振动、冲击的传递率的控制有重要影响，常用于解决发动机激励、路面激励带来的NVH问题；衬套动刚度的大小与橡胶配方、橡胶结构、衬套型式强相关；本文通过多维度探讨，衬套低动刚度设计策略，希望对衬套匹配设计质量提升有所帮助。

车辆振动的控制，也可利用液压衬套的高阻尼特性，双胶料衬套的阻尼匹配特点进行对策，实际应用可联合低动刚度、高阻尼等衬套特性解决车辆振动问题。

参考文献：

[1]（日）小林明著，河北工学院汽车教研室译﹒汽车振动学[M]﹒北京：机械工业出版社，1976：93-128.

[2]邢天保，林阳.激振频率和幅值对橡胶衬套动态特性的试验研究[J]﹒农业装配与车辆工程，2019，57（5）：62-63.

[3]杨俊凤，周相荣，丁炜.橡胶减振器的动静比影响因素[J]﹒噪声与振动控制，2013，33（6）：202-204.

[4]谢华，张小华，殷长春.聚氨酯与橡胶隔振器性能对比分析[J]﹒柴油机，2015，37（6）：35.

[5]柯维，郑建华.基于橡胶硬度的隔振器性能判定[J]﹒船海工程，2008，37（4）：143.