某汽車動力總成橡膠懸置疲勞整改

1、某汽車動力總成橡膠懸置疲勞整改 1 引言 動力總成懸置系統(tǒng)重要功能之一是動力總成支撐和定位的作用。根據(jù)整車空間及減振的需要，發(fā)動機被支撐在幾個懸置上，在發(fā)動機本身振動和外界作用力驅(qū)動下，發(fā)動機和底盤之間存在著相對運動。因此懸置系統(tǒng)具有控制發(fā)動機相對運動和位移的功能，使發(fā)動機始終保持在相對穩(wěn)定和正確的位置上，而不能讓發(fā)動機在各方向運動中與底盤、車身上的零件產(chǎn)生干涉和觸碰。對于懸置系統(tǒng)而言，其疲勞性能的好壞對整車性能影響極大，越來越受到人們的關(guān)注。橡膠懸置的疲勞破壞形式以橡膠主簧失效居多，因此橡膠主簧的疲勞對整個懸置系統(tǒng)的壽命起著決定性的作用。今年來隨著有限元技術(shù)的不斷成熟，用有限元法來分析橡膠材

2、料的疲勞破壞被各國學者廣泛采用。某動力總成橡膠懸置在臺架疲勞中出現(xiàn)橡膠主簧斷裂現(xiàn)象，如圖1 所示。由圖可知，橡膠主簧斷裂處位于主簧下側(cè)圓角處。此懸置臺架疲勞要求在特定的疲勞工況及特定的試驗頻率下，橡膠主簧40 萬次不出現(xiàn)裂紋，但是試驗懸置在27 萬次時失效，出現(xiàn)橡膠主簧斷裂現(xiàn)象。 圖1 失效橡膠懸置疲勞斷裂示意圖針對此問題，首先采用abaqus 對失效懸置進行剛度與應(yīng)變進行分析，找出失效懸置主簧斷裂與有限元計算結(jié)果之間的一致性；然后根據(jù)失效懸置與計算結(jié)果對原懸置重新進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用abaqus 預測新結(jié)構(gòu)懸置的應(yīng)變與疲勞特性；最后通過臺架疲勞試驗驗證此懸置的實際壽命。 2 失效懸置有限元分

3、析 2.1 模型描述 此懸置為某汽車動力總成前懸置，懸置外管與動力總成側(cè)支架固連接，懸置芯子與車身側(cè)支架固連接，如圖2 所示。 圖2 懸置裝車邊界由于z 方向是懸置主要受力方向，在臺架疲勞試驗中，主要對懸置主方向z 向進行疲勞驗證；疲勞試驗在mts 單軸疲勞試驗機上通過特制工裝分別連接懸置外管及懸置芯子進行試驗，作動缸在懸置芯子端加載模擬懸置實際受載。 2.2 懸置結(jié)構(gòu)有限元模型 橡膠材料的彈性特性表現(xiàn)為超彈性行為，其具有某種形式的應(yīng)變能函數(shù)，可通過該應(yīng)變能函數(shù)推導出應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)不同的應(yīng)變能函數(shù)可得到各種不同的橡膠超彈性本構(gòu)模型。由于abaqus 擁有豐富的橡膠超彈性本構(gòu)模型、較強的非

4、線性與接觸計算功能，故采用abaqus 軟件對此懸置進行有限元分析。本文的橡膠超彈性模型采用mooney-rivlin 模型，通過橡膠材料試驗獲得其模型參數(shù)；網(wǎng)格采用c3d8rh（一階六面體縮減雜交單元）類型單元。 為模擬實際懸置的真實邊界，在abaqus 中對懸置進行簡化處理，即只生成懸置橡膠主簧的網(wǎng)格，通過約束懸置橡膠主簧外側(cè)（外管硫化）單元節(jié)點6 個方向自由度來模擬懸置橡膠主簧約束邊界，在懸置彈性中心點建立與懸置橡膠主簧的內(nèi)側(cè)（與芯子硫化處）單元節(jié)點的coupling 來模擬加載區(qū)域，如圖3 所示。 圖3 懸置有限元建模2.3 懸置靜剛度分析 此動力總成懸置系統(tǒng)為四點支撐結(jié)構(gòu)，發(fā)動機側(cè)懸

5、置、變速箱側(cè)懸置及前后懸置，作為前懸置，主要考慮其主方向x 和z 向的剛度。本文主要考慮其z 向的剛度要求。 在abaqus 軟件中計算得到失效懸置z 向剛度曲線如圖4 所示。在懸置線性段，z 向力-位移曲線測試值、計算值與目標值吻合較好；由于在大位移下橡膠主簧發(fā)生較大變形，網(wǎng)格變形嚴重，計算不易收斂，故一般計算出懸置的拐點即能得出懸置的非線性特性。將懸置測試、計算與目標線性段靜剛度分別為71n/mm，65n/mm 與68n/mm，可知計算值和目標值的誤差控制在10%以內(nèi)。 圖4 失效懸置力-位移曲線2.4 懸置應(yīng)變分析 在失效懸置z 方向加載疲勞工況載荷力（拉壓載荷），找出主簧最大應(yīng)變集中處

6、的應(yīng)變，如圖5 所示。 圖5 失效懸置應(yīng)變分析結(jié)果從上圖可以看出，在疲勞工況載荷下，懸置z 向上拉的最大應(yīng)變是0.436，懸置z 向下壓的最大應(yīng)變是0.621；采用abaqus計算出的應(yīng)變集中位置與圖1 中實際零件疲勞破壞位置一致，在一定程度上說明采用abaqus 計算懸置在疲勞工況下的應(yīng)變來反映其疲勞特性是可行的。 3 懸置新結(jié)構(gòu)設(shè)計更改 3.1 懸置新老結(jié)構(gòu)更改對比 針對老結(jié)構(gòu)懸置的失效，在失效懸置基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)進行更改，重新設(shè)計了另外一種新結(jié)構(gòu)懸置，新老結(jié)構(gòu)差異對比如圖6 所示。 圖6 新老懸置結(jié)構(gòu)對比3.2 新結(jié)構(gòu)懸置靜剛度分析 對新結(jié)構(gòu)懸置按照前述有限元邊界與材料本構(gòu)計算其靜剛度，其

7、結(jié)果如圖7 所示，因橡膠主簧結(jié)構(gòu)未做調(diào)整，新結(jié)構(gòu)懸置線性階段剛度值沒有太大變化，通過更改+z 向限位塊，+z 向剛度曲線拐點靠后了，比老結(jié)構(gòu)更靠近目標值。 圖7 新結(jié)構(gòu)懸置力-位移曲線3.3 新結(jié)構(gòu)懸置應(yīng)變分析 通過新老結(jié)構(gòu)在相同疲勞工況載荷下的應(yīng)變統(tǒng)計對比（如表1）結(jié)果可以看出，懸置應(yīng)變集中位置基本沒有發(fā)生變化；而在在拉伸載荷下，新老結(jié)構(gòu)應(yīng)變值相差不大，在壓縮載荷下，新結(jié)構(gòu)的倒角處的應(yīng)變相對于老結(jié)構(gòu)，有很大的改善，有利于懸置疲勞。3.4 新結(jié)構(gòu)樣件疲勞試驗結(jié)果 根據(jù)新結(jié)構(gòu)的懸置方案，采用同一批膠料制作新結(jié)構(gòu)懸置，在相同的疲勞條件下對其進行臺架試驗，新結(jié)構(gòu)懸置承受40 萬次疲勞試驗后，橡膠主簧沒有出現(xiàn)裂紋，達到疲勞目標值。 4 結(jié)論 通過對汽車動力總成某失效懸置與新結(jié)構(gòu)懸置有限元計算、疲勞測試結(jié)果對比分析，可以得到以下結(jié)論： (1) 在懸置設(shè)計初期可采用abaqus 對其靜剛度進行計算，并且計算值與測試值具有良好的一致性，兩者誤差在工程可接受范圍內(nèi)； (2) 在懸置疲勞預測與整改過程中可采用abaqus 計算懸置在實際疲勞載荷下的應(yīng)