懸架襯套剛度對硬點載荷的影響規律研究

白坤海

（淄博職業學院 教務科研處，淄博 255314）

0 引言

汽車懸架導向機構連接處越來越多地使用了橡膠襯套，研究表明，由這些襯套的非線性剛度對汽車的行駛平順性、操縱穩定性、制動性和NVH等均有顯著影響，這些方面吸引了越來越多的專家學者的關注。研究涵蓋了橡膠襯套非線性剛度模擬、橡膠襯套對懸架操控性的靈敏度分析、襯套對汽車NVH的影響等眾多方面。國外汽車公司在橡膠襯套選型、剛度匹配等方面有著完善的流程和規范。近年來，國內汽車公司在該領域也有著長足的進步，正在形成或已初步建立自己的標準體系。

另一方面，汽車在行駛過程中，橡膠襯套又起到載荷傳遞作用，如果把汽車看成一個多體系統的話，顯然橡膠襯套剛度的變化必然會導致該系統中各連接點載荷的變化，而載荷的變化會影響到結構強度及其耐久性。

一般來說，動力學分析工程師關注的焦點是懸架K&C和整車操縱穩定性和平順性；在載荷明確的前提下，結構強度或耐久性分析工程師關注的是結構本身的完整性。由于專業分工的原因，橡膠襯套對懸架硬點載荷的影響經常會被設計（或CAE分析）人員所忽視。

一般來說，在懸架設計初期，襯套剛度經常不確定，在設計過程及后期調校過程中，還會經常改變襯套的剛度。分析人員又難以把握襯套剛度對所計算載荷的影響程度，導致載荷計算結果的精確度難以保證。

由此可見，開展這方面的研究工作，特別是找到不同懸架形式的襯套剛度參數對載荷的影響關系是非常必要的。

1 問題描述

以MacPherson形式前懸架系統為例，其構成主要包括：車架、懸架、車輪、制動和轉向等系統。

本文研究對象為下控制臂，示意圖如圖1所示。該控制臂通過兩個連接襯套（圖中標記1、2位置）與副車架連接，為描述方便，1點和2點分別稱為控制臂前點和后點；另一端通過球銷（在圖中標記3的位置）與轉向節連接。

當車輛經過不規則路面時，地面載荷通過襯套傳遞到車架上，同時襯套也會發生平移及扭轉變形，分別在圖1中1、2位置產生6個方向的載荷[1]。同時，控制臂在3點位置受到3個方向載荷作用（因球銷連接，無扭矩產生。

控制臂在3個連接點及慣性載荷作用下，將產生應力和變形。在控制臂設計過程中，通常用多體動力學方法計算出各連接點的載荷，之后采用有限元分析軟件，計算出控制臂的應力分布，以驗證其是否滿足設計標準。

本文研究采用Adams軟件，重點分析控制臂連接襯套剛度對其連接點載荷的影響規律，為強度分析提供依據。

圖1 控制臂結構示意圖

2 懸架連接襯套剛度

在設計階段，懸架連接襯套剛度獲取方法通常有以下三種。

1）同平臺車型沿用襯套剛度數據的借鑒；

2）獲取Benchmark樣車襯套剛度試驗數據；

3）有限元仿真。

前兩種方法取決于汽車設計公司數據庫的積累和試驗能力，這里不再贅述。隨著有限元技術應用日益廣泛，近年來，采用有限元方法模擬橡膠襯套剛度的應用越來越多。

通常對于橡膠類材料，不用楊氏模量和泊松比表示應力－應變關系，而用應變能來表達其本構關系，此函數形式及其所包含的參數需要由試驗確定。橡膠本構關系中應變能函數形式包含：Arruda-Boyce、Marlow、Mooney-Rivlin、Neo-Hookean、Ogden、Polynomial、Reduced Polynomial、Van der Waals、Yeoh等多種形式[2]。

在具備橡膠材料試驗參數的條件下，雖然可以采用適當的模型計算出襯套的剛度結果。但是，由于技術和設備的原因，一般的襯套供應商和汽車企業很難獲取這些材料數據。如果在已知某（些）方向剛度特性時，可以計算模擬得出其它方向剛度，通常可以用在橡膠襯套結構設計或者試驗曲線不完備的情況下[3]。圖2結果顯示的是根據某方向襯套剛度的設計值，應用Mooney-Rivlin模型模擬其他方向的剛度結果，結果表明二者有很好的一致性。

圖2 橡膠襯套剛度對比曲線

3 懸架連接襯套剛度對連接點載荷的影響分析

如圖3所示為某車型前懸架模型，控制臂為研究對象，進行如下分析。以控制臂后連接點襯套作為參考基準，分別改變前點x、y和z向平動剛度，計算得到控制臂3個連接點載荷，并進行對比分析。前點和后點的剛度比值依次為：1/5、1/4、1/3、1/2、1、2、3、4、5。分析工況包括：制動（brake）、駐車啟動（Standing start）、轉向（Corner）和垂直起跳（Bump）。

圖3 前懸架系統動力學模型

結合Adams分析，可以很容易得到改變各方向剛度對不同工況連接點載荷的影響規律[4]，圖4僅給出了改變控制臂前點x向剛度對制動工況連接點載荷的影響曲線。

圖4 Brake工況控制臂連接點載荷

表1 襯套剛度等對懸架載荷的影響程度匯總

計算結果表明，無論是改變控制臂連接襯套剛度，還是改變上限位緩沖塊參數，對控制臂連接點輸出載荷均有不同程度的影響，為了便于比較，影響程度的統計結果如表1所示。表中顏色標記表示參數改變對載荷有影響，影響的程度用有顏色方格的數量表示，如1個顏色方格代表有很小的影響，而5個顏色方格代表有很大的影響。

根據表1的統計結果可知：

1）改變控制臂連接點x向剛度對所有工況的x向載荷影響顯著、對y向和z向載荷影響較小；

2）改變控制臂連接點y向和z向剛度，對控制臂連接點載荷影響較小。

除此之外，如圖4（a）所示，控制臂前后點載荷變化遵循一定的規律，在不同的剛度比下，其載荷變化規律是相反的，而且二者的代數和接近恒定，原因如下：

應用Adams進行硬點載荷計算時遵循達朗伯原理[1]，以圖1所示的控制臂作為研究對象，有如下關系成立：

改變控制臂前后連接襯套剛度，不會影響懸架結構本身的變化，因而，球銷（3點）載荷和慣性載荷變化很小，可以忽略不計。因此，可以粗略判斷1、2點x向載荷的和保持不變，如圖4（a）所示。

4 結論

以MaPherson懸架為例、研究了控制臂襯套剛度對連接點載荷的影響規律，結果表明，x向剛度對x向載荷影響顯著，其它情況影響較小。由于懸架結構形式的多樣性和差異性，本分析結論不具備通用性，但分析方法對其他形式的懸架系統依然有效。

[1] 雷雨成,李峰.橡膠襯套剛度對懸架系統影響的研究[J].上海汽車,2006(11).

[2] 趙振東,雷雨成,袁學明.汽車懸架橡膠襯套剛度的優化設計[J].機械科學與技術,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] 胡培龍,上官文斌.汽車懸架橡膠襯套靜剛度設計方法[J].機械設計,2011(3).