基于車身虛擬振動(dòng)臺(tái)的汽車橡膠襯套特性分析_圖文

1、基于車身虛擬振動(dòng)臺(tái)的汽車橡膠襯套特性分析閆鑫，王忠校，于保君一汽技術(shù)中心車身部車身試驗(yàn)室，長(zhǎng)春【摘要】本文基于技術(shù)中心車身虛擬仿真振動(dòng)臺(tái)課題，采用LMS 公司的Virtual Lab 軟件為多體建模仿真平臺(tái)，利用Matlab 軟件自制程序，獲得了襯套的非線性剛度曲線和非線性阻尼曲線。對(duì)比汽車橡膠襯套試驗(yàn)中得到的線性剛度值，其更加真實(shí)的體現(xiàn)了橡膠襯套的非線性特性對(duì)于整車多體仿真的重要意義，從而為車身疲勞壽命研究提供更加準(zhǔn)確的載荷輸入?！娟P(guān)鍵詞】汽車橡膠襯套，非線性特性，多體仿真Analysis on Rubber Bushing of Car Body Virtual Test RigYan X

2、in,Wang Zhongxiao,Yu BaojunChina FAW Group Corporation R&D Center Body Laboratory of Body Department，ChangchunAbstract: Based on the project of car body virtual test rig in RDC, the software Virtual Lab by LMS is adopted to build the MBS model and a Matlab program is exploited to acquire the non

3、linear stiffness curves and damp curves of rubber bushing. Comparing to the linear value of the real test, it is concluded that the nonlinear property of the rubber bushing is tremendously important and all the job we have done can provide more accurate load input for the study of car bodys fatigue

4、life .Keyword: Rubber bushing of the vehicle, Nonlinear property, Multi-body simulation1 引言目前在所有的汽車懸架系統(tǒng)中都可以看到橡膠襯套，懸架部件通過(guò)橡膠襯套相互聯(lián)接或聯(lián)接到子系統(tǒng)，這些襯套對(duì)設(shè)計(jì)具有理想的準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的懸架系統(tǒng)起著極其重要的作用。因此一個(gè)多體模型的優(yōu)劣從根本上取決于其非線性特性的準(zhǔn)確性。所以對(duì)襯套特性的研究以及建立新型高精度襯套模型具有很重要的意義。2 整車多體模型的建立乘用車整車多體模型的建立是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。需要確定底盤系統(tǒng)硬點(diǎn)位置、部件連接關(guān)系、剛體質(zhì)量質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)（

5、包括底盤剛體、動(dòng)力總成以及車身全內(nèi)飾總成等）以及懸置系統(tǒng)彈性和非線性襯套動(dòng)態(tài)特性等一系列參數(shù)。剛體部件、動(dòng)力總成以及全內(nèi)飾車身等剛體特性利用LMS 模態(tài)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量及CAD 三維數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，同時(shí)需要對(duì)橫向穩(wěn)定桿柔性化處理，對(duì)上部轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)化處理，并對(duì)橡膠襯套和緩沖塊作動(dòng)態(tài)非線性分析處理。整車多體模型如圖1所示： 圖1 整車多體模型3 傳統(tǒng)橡膠襯套特性傳統(tǒng)的橡膠襯套靜剛度曲線如圖2所示，可以看出當(dāng)位移大于2mm 和位移小于-3mm 時(shí)，力的誤差很大。 圖2 傳統(tǒng)的靜剛度曲線傳統(tǒng)的橡膠襯套動(dòng)剛度曲線如圖3所示。對(duì)于此種動(dòng)剛度曲線，每一點(diǎn)的動(dòng)剛度值是由該頻率下力-位移曲線的峰值（兩個(gè)點(diǎn)）確定的，如圖

6、4，并沒(méi)有考慮到該頻率下遲滯回線形狀的影響，而遲滯回線的形狀代表了其能量的損耗即動(dòng)態(tài)阻尼。 圖3 傳統(tǒng)的動(dòng)剛度曲線 圖4 30Hz 0.8mm幅值下的遲滯回線因此，使用傳統(tǒng)的靜剛度和動(dòng)剛度曲線來(lái)描述襯套特性是不準(zhǔn)確的。因此需要重新設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法來(lái)研究橡膠襯套特性，并得到精確的橡膠襯套模型。4 橡膠襯套試驗(yàn)?zāi)壳跋鹉z襯套動(dòng)態(tài)參數(shù)試驗(yàn)采用MTS 振動(dòng)臺(tái)如圖5所示進(jìn)行，只能輸出襯套不同方向下的靜態(tài)剛度和隨頻率變化的動(dòng)剛度（不同幅值） 圖5 MTS振動(dòng)臺(tái)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法中橡膠襯套的非線性剛度和阻尼特性通過(guò)單軸動(dòng)態(tài)試驗(yàn)得到。試驗(yàn)方案為覆蓋一定范圍的振幅和頻率的矩陣，如表1所示。振幅值為使用中該自由度方向上最大

7、值s max 的一個(gè)函數(shù)。表1 襯套特性試驗(yàn)矩陣 振幅每個(gè)方向上的自由度屬性都應(yīng)做試驗(yàn)。典型的圓柱形橡膠襯套的6個(gè)方向的自由度如圖6所示： 更詳細(xì)的襯套和懸置測(cè)試方案如表2所示。值得注意的是，這些正弦加載試驗(yàn)中的頻率值應(yīng)至少循環(huán)10次，以保證遲滯回線的穩(wěn)定性。表 2 襯套試驗(yàn)表格*表示如果為軸對(duì)稱，只需測(cè)試徑向的一個(gè)方向圖7 所示為橡膠襯套試驗(yàn)100%最大幅度，不同頻率下的遲滯回線。 圖6 橡膠襯套的自由度 頻率圖7 100%最大幅度不同頻率下的遲滯回線5 非線性橡膠襯套特性分析原理橡膠襯套非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以用力F 和位移s 以及通過(guò)位移求導(dǎo)得到的速度v 函數(shù)來(lái)表示。其方程如&=F (

8、s , v =F s (s +F v (v 下：F (s , s當(dāng)襯套被應(yīng)用到汽車懸置上時(shí)下列特征是非常典型的：z 從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，在0到40Hz 的頻率范圍下，遲滯回線的形狀基本不改變。用非線性 阻尼曲線描述該形狀特性。z 在很多懸置襯套試驗(yàn)中非線性的準(zhǔn)靜態(tài)變形響應(yīng)能夠得到?？梢杂梅蔷€性剛度來(lái)描述襯套動(dòng)態(tài)特性。z 橡膠襯套的試驗(yàn)參數(shù)顯示襯套具有粘彈性響應(yīng)特性?？梢酝ㄟ^(guò)用Maxwell 數(shù)學(xué)模型模擬。 因此，橡膠襯套的的變形響應(yīng)可以用上述三部分的復(fù)合模型來(lái)模擬，如圖8所示，數(shù)學(xué)方程表示如下。& =K nonlin (s + D nonlin (s & +F MW =K (s +

9、D (s & F (s , s圖8 橡膠襯套模型6 橡膠襯套試驗(yàn)非線性剛度和非線性阻尼分析程序 本項(xiàng)目建立了基于Matlab的橡膠襯套非線性剛度和非線性阻尼分析程序。如圖9所示：圖9 襯套特性分析程序橡膠襯套非線性剛度和非線性阻尼分析流程如下：1 把試驗(yàn)結(jié)果中，每個(gè)橡膠襯套每個(gè)方向的遲滯回線結(jié)果文件放置于同一文件夾下。 文件名命名格式如圖10所示：圖 10 遲滯回線文件命名規(guī)則 此文件格式包含了3列，如圖11所示， 圖 11 遲滯回線文件格式 創(chuàng)建filenames.txt文件，該文件下包含所有遲滯回線文件名。 2 獲取剛度曲線 點(diǎn)擊Stiffness Curve，選擇準(zhǔn)靜態(tài)的遲滯回線

10、文件。剛度曲線將會(huì)以excel表格形式自動(dòng)儲(chǔ)存在該文 件夾下。 3）獲取非線性阻尼曲線 點(diǎn)擊Damper Curve，程序自動(dòng)讀取所有遲滯回線，當(dāng)所有遲滯回線獲取完畢，出現(xiàn)對(duì)話框選擇剛度曲 線表格，并自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最終非線性阻尼曲線會(huì)以excl表格形式自動(dòng)儲(chǔ)存在該文件夾下。 圖 12 參數(shù)優(yōu)化 根據(jù)項(xiàng)目需要，分別對(duì)試驗(yàn)測(cè)量的24個(gè)襯套都做了特性分析處理，得到每個(gè)襯套不同方向下的動(dòng)態(tài)剛 度和動(dòng)態(tài)阻尼。以拖曳臂與底盤處襯套X向?yàn)槔?，程序分析結(jié)果如表3、表4所示： 表3 襯套動(dòng)態(tài)剛度分析數(shù)據(jù)結(jié)果 拖曳臂與底盤處襯套X向剛度曲線 10000 8000 6000 4000 力(N 2000 0 -8

11、 -6 -4 -2 -2000 -4000 -6000 -8000 -10000 0 2 4 6 8 位移（mm 圖 13 襯套動(dòng)態(tài)剛度曲線 表4 襯套動(dòng)態(tài)阻尼分析數(shù)據(jù)結(jié)果 拖曳臂與底盤處襯套X向阻尼曲線 80 60 40 20 力(N 0 -120 -70 -20 -20 -40 -60 -80 30 80 速度(mm/s 圖 14 襯套動(dòng)態(tài)阻尼曲線 7 對(duì)比仿真 在多體模型中，先對(duì)所有襯套僅輸入線性剛度參數(shù)，在多體模型中的TSI（時(shí)間歷程輸入）里載入道 路試驗(yàn)取得并處理后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，計(jì)算求解，得到各襯套力以及整車懸架彈簧阻尼器處位移響應(yīng)。之后將 線性剛度參數(shù)置換為非線性剛度變量及非線性阻尼

12、變量，再進(jìn)行計(jì)算求解?，F(xiàn)只提取拖曳臂與底盤連接處 X向襯套力時(shí)間歷程信號(hào)和左車輪懸架彈簧阻尼器處位移響應(yīng)。 圖 15 拖曳臂與底盤連接處 X 向襯套力 圖 16 左車輪懸置彈簧阻尼器位移 圖15中紅色三角標(biāo)示的曲線為試驗(yàn)線性輸入得到的曲線，黑色方塊標(biāo)示曲線為處理后的非線性輸入得 到的曲線，前者力的幅值要比后者更大，且同周期內(nèi)的振動(dòng)更加頻繁和劇烈。 而對(duì)于彈簧阻尼器位移來(lái)說(shuō)， 如圖16，可以看出未加阻尼參數(shù)的襯套在振動(dòng)上更加劇烈，振幅變化更加明顯。 8 結(jié)語(yǔ) 本文針對(duì)橡膠襯套的非線性特性，取得了其非線性剛度和非線性阻尼，并通過(guò)試驗(yàn)得到了襯套線性剛 度值，對(duì)整車多體模型進(jìn)行對(duì)比仿真，發(fā)現(xiàn)襯套的非線性特性對(duì)于其分析結(jié)果有著重要的意義，可以為其 后的車身結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析提供更加準(zhǔn)確的