麥弗遜懸掛的擺臂橡膠襯套優化分析

馬良燦 紀浩 陳小燕 李小珊

摘 要：通過對某車型麥弗遜前懸擺臂橡膠襯套本構模型參數識別，并搭建前懸系統的擺臂襯套有限元分析模型，分析襯套開口方向的接觸壓強，對襯套變形擠壓產生的NVH問題進行了預測，并提出改進方案。利用Isight優化軟件聯合Aabqus有限元分析軟件識別了橡膠襯套的Mooney-Rivlin本構模型C10、C01參數0.375和0.1011，并利用72通道振動加速度數采儀實測了顛簸路的襯套NVH表現情況，驗證了有限元分析方法的可靠性。

關鍵詞：橡膠襯套;本構模型;參數識別;接觸壓強

中圖分類號：U463.33? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-105-04

Abstract： Based on the welding thermal stress field numerical simulation analysis of weld easy to crack on a torsion beam， compared the effects on welding residual stress from different welding parameters. The study shows that： 1.The residual stress mutated in the heat-affected zone and its peak value is obviously different because of the use of different welding current and voltage. The residual stress peak value on the torsion beam side is higher than on the reinforcement plate side. The residual stress peak value is decreased with the increase of welding current. When it passed 240A the residual stress increase quickly. 2. The residual stress fluctuates at the start and end of the weld and its peak value is higher than the stable stress in the middle of the weld. 3. The most optimal weld stress distribution can be obtained by using 220A welding current， 24V current voltage， 10mm/s welding speed， and controlling the length of arc starting and ending at 15mm. The torsion beam welded with those welding process parameters has passed the road test， and cracking problems of torsion beam weld has been solved.

Keywords： Torsion beam; Numerical simulation; Residual stress; Process parameters

CLC NO.： U463.33? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-105-04

1 前言

橡膠襯套作為軟連接部件，不僅提供各方向可調的支撐剛度，還能有效衰減各方向的振動噪聲，對整車的操穩及乘坐舒適性起關鍵作用，在現代汽車懸架系統中被廣泛運用[1-3]。橡膠襯套的靜剛度、粘彈性等特性對整車動力學的影響是行業研究的熱點重點。張平[4]等通過以橡膠的應力應變實驗為基礎，對橡膠襯套的本構模型識別進行了研究;彭福泰[5]等通過建立帶彈性襯套的動力學模型，研究了不同的橡膠襯套剛度對懸架動力學特性參數的影響;M.J[6]等通過考慮了溫度、頻率、預載等外界激勵的影響，建立了橡膠襯套的動力學模型，并通過有限元仿真驗證模型的準確性。

為了滿足整車的操穩特性，通過擺臂襯套開槽方式能有效的調整襯套剛度進而對整車操穩有更直接的響應。但在外載的作用下，開槽的襯套面會相互擠壓摩擦，產生耐久及NVH異響問題，目前還沒有相關問題分析的研究。本文意在通過建立Isight參數化模型擬合識別橡膠襯套本構模型，通過Abaqus有限元分析軟件對麥弗遜懸掛系統下擺臂襯套變形分析，為襯套變形擠壓摩擦產生的耐久及異響問題具體研究方法及基礎數據。

2 擺臂橡膠襯套本構模型建立

2.1 擺臂橡膠襯套剛度試驗

采用低頻動靜剛度測試儀MTS-810對某車型擺臂后點襯套進行剛度測試，測試裝配如圖1所示。分別對軸向、實心徑向、空心徑向的剛度進行了12組的測試，并對各方向的測試結果進行了均值擬合，以消除測試誤差。測試結果見圖4、5、6的實測實驗剛度曲線值。

2.2 擺臂橡膠襯套有限元模型建立

根據橡膠襯套剛度的測試裝配結構，有限元網格模型如圖2所示，共10470節點數，7010單元，其中橡膠單元采用C3D20H橡膠雜交單元，其余網格采用C3D8I單元。橡膠與內外鋼套的的硫化采用Tie模擬，工裝夾具采用剛體單元模擬。采用Abaqus14.0 模擬實驗剛度測試方法，求解分析擺臂襯套軸向、徑向剛度值。

2.3 Isight擺臂橡膠襯套參數優化識別

采用橡膠本構的經典模型Mooney-Rivlin，對剛度值進行實驗值與仿真值的擬合。Mooney-Rivlin的模型表達式見公式（1）：

式中? 和? 分別為一階、二階應變不變量[7，8]。本文通過Isight專業參數優化軟件與Abaqus有限元分析軟件聯合仿真，以剛度曲線區域面積差的絕對值最小為優化目標，識別出擺臂橡膠襯套Mooney-Rivlin模型的參數C10和C01。在Isight中搭建的優化模型如圖3所示。

根據經驗公式，初擬C10、C01分別為0.6和0.15，最終優化的結果見圖4、圖5、圖6。從圖可知，經驗參數對剛度的擬合存在較大的誤差。同向剛度擬合最好，能達到97%的擬合相似度。同時優化擬合軸向、徑向剛度時誤差小于5%，滿足工程需求。最終優化識別的Mooney-Rivlin模型C10、C01參數分別為0.375和0.101。

3 擺臂橡膠襯套的有限元分析

3.1 輪心載荷的采集

采用MSC車輪六分力測試系統對麥弗遜懸掛系統擺臂襯套變形大的顛簸路面進行了輪心六分力的采集，采集數據結果見圖7所示。讀取六分力載荷最大時刻的數值作為有限元系統模型的邊界輸入值。

3.2 帶擺臂橡膠襯套的麥弗遜系統懸掛系統有限分析

搭建某車型的單邊前麥弗遜懸掛有限元系統模型，擺臂橡膠襯套為6面體C3D20H橡膠雜交單元，并賦予Isight優化識別的橡膠襯套Mooney-Rivlin模型C10、C01參數。帶擺臂襯套的前麥弗遜懸掛系統有限元模型如圖8所示。約束與車身相連接的硬點，在輪心處施加顛簸路面采集的最大輪心載荷。襯套的開孔接觸面上設置接觸對，后處理中讀取開孔接觸面的接觸壓強，分析結果如圖9所示。橡膠襯套的接觸面處接觸壓強為15.8Mpa，切向應力為13.1Mpa，襯套受載變形嚴重，有極高的接觸摩擦異響產生風險。

通過優化擺臂襯套的開口角度和膠料的起筋結構，重新按上述方法對擺臂橡膠襯套進行分析，分析應力云圖如圖10所示。橡膠襯套接觸面處接觸壓強降為3.6Mpa，切向應力為2.4Mpa，襯套受載變形有極大的改善。

4 實驗與驗證

使用LMS SCADAS Mobile 72通道數采儀對整車以25Km/H的速度過顛簸路面采集麥弗遜前懸異常敲擊振動信號，分別對擺臂前點、擺臂后點、轉向節、減振器下點、Topmount點、轉向器布置了振動加速度傳感器。未優化的擺臂襯套結構前懸各點的振動加速度表現如圖11所示。擺臂后點的振動信號響應最先發生，且幅值大于其他測點，表現出該點位置發生了異常的摩擦接觸，車內有異響聲，與有限元分析結果相同。擺臂后點更換優化后的擺臂襯套再進行相同條件的測試，更換前后振動加速度幅值對比如圖12所示。從圖知，更換優化后的擺臂襯套幅值有大幅的降低，Z向加速由21.5G下降到3.7G，降幅達到580%，優化后的襯套NVH性能表現優異，沒有出現異常的接觸異響，與有限元分析結果一致。

5 結論

本研究對某車型麥弗遜前懸擺臂橡膠襯套Mooney- Rivlin本構模型C10、C01參數優化識別，搭建前懸系統的擺臂襯套分析模型，施加實測六分力值，分析襯套開口方向的接觸壓強，對襯套變形擠壓產生的NVH問題進行了預測，并提出改進方案。實車測試擺臂襯套的NVH表現情況，驗證了有限元分析結果，主要得到以下結論：

（1）利用Isight優化軟件聯合Aabqus有限元分析軟件，優化識別出橡膠襯套的Mooney-Rivlin本構模型的C10、C01參數分別為0.375和0.101。

（2）利用識別出的橡膠襯套本構模型，搭建帶橡膠襯套的麥弗遜前懸系統有限元模型，使用實測的顛簸路六分力載荷，分析了襯套接觸變形的接觸壓強，對襯套變形擠壓產生的NVH問題進行了預測，并提出改進方案。

（3）通過72通道振動加速度數采儀實測了顛簸路的襯套NVH表現情況，驗證了有限元分析結果的可靠性。

（4）本研究為橡膠襯套本構模型參數識別，橡膠襯套變形擠壓摩擦產生NVH問題提供了可行的研究方法及基礎數據。

參考文獻

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[2] Bernd Hei?ing， Metin Ersoy. Chassis Handbook[M].German， Merce -des Druck，2011：421-448.

[3] Park J， Guenther D A，Heydinger G J.Kinematic suspension model applicable to dynamic full vehicle simulation[C]//SAE Paper，2003- 01-0859.

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