一種新型車用橡膠彈簧的改進設(shè)計研究-圖文

第２５卷第３期寧波Ｔ程學(xué)院學(xué)報２０１３年９月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＩＮＧＢＯＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶ０１．２５Ｎｏ．３Ｓｅｐ．２０１３ＤＯＩ：１０．３９６％．ｉｓｓｎ．１００８－７１０９．２０１３．０３．０１５一種新型車用橡膠彈簧的改進設(shè)計研究崔國罡１，王社峰２，張文舉１，張須偉１（１．山東美晨科技股份有限公司，山東諸城２６２２００；２．寧波工程學(xué)院，浙江寧波３１５２１１）摘要：為了解決原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧在工程機械車輛橡膠懸架上應(yīng)用時出現(xiàn)橡膠開裂的問題，以期在保證橡膠懸架承載性能基礎(chǔ)上有效的提高橡膠彈簧的抗拉性能。本文基于非線性有限元法，通過改進骨架結(jié)構(gòu)和橡膠配方的方式，應(yīng)用原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧試驗和非線性有限元分析對比以及原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧和新型橡膠彈簧非線性有限元分析對比的手段，對一種新型橡膠彈簧做改進設(shè)計研究。關(guān)鍵詞：橡膠彈簧；有限元；抗拉；剛度中圖分類號：Ｕ４６３．３３＋４．５文獻標(biāo)識碼：Ａ文章編號：１００８—７１０９（２０１３）０３一００７０－０７引言隨著汽車行業(yè)的日益發(fā)展，板簧懸架存在的質(zhì)量笨重、減振效果差、易損件更換頻繁等弱點已很難解決，而橡膠懸架具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、承載能力強、免維護性好、運營成本低等明顯優(yōu)勢，在北美市場已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自卸車、工程機械車輛等車型，目前在國內(nèi)市場已有部分主機廠進行樣車試裝，大有替代板簧懸架的趨勢。我公司在工程機械車輛上使用橡膠懸架過程中發(fā)現(xiàn)有橡膠彈簧橡膠開裂的現(xiàn)象（見圖１）。為了在保證橡膠懸架產(chǎn)品承載性能基礎(chǔ)上有效提高橡膠彈簧的抗拉性能，在開發(fā)新型橡膠彈簧之前．基于非線性有限元法．通過改進骨架結(jié)構(gòu)和橡膠配方的方式，應(yīng)用原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧試驗和非線性有限元分析對比，以及原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧和新型橡膠彈簧非線性有限元分析對比的手段，對新型橡膠彈簧做改進設(shè)計研究，以便指導(dǎo)新型橡膠彈簧的研發(fā)，規(guī)避投入風(fēng)險，節(jié)省研發(fā)費用。圖１原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧開裂收稿日期：２０１３－０５—０６作者簡介：崔國罡，男，ｔｌｌ東美晨科技股份有限公司助理工程師。崔國罡王社峰張文舉張須偉：一種新型車用橡膠彈簧的改進設(shè)計研究７ｌ１橡膠彈簧的安裝使用狀態(tài)和主要性能要求橡膠懸架在工程機械車輛上安裝使用狀態(tài)如圖２ａ，兩件橡膠彈簧呈Ｖ型對稱傾斜布置在橡膠懸架上，是工程機械車輛橡膠懸架上的主要承載部件．圖紙要求在９０ＫＮ一１７０ＫＮ的承載范圍內(nèi)兩件橡膠彈簧的垂向剛度值為３．６（１±２０％）ＫＮ／ｍｍ；由于工程機械車輛的使用路況比較惡劣，這就需要橡膠彈簧有足夠的抗拉能力。圖紙要求橡膠彈簧拉脫試驗時的抗拉性能如下：橡膠彈簧平放在試驗臺上．下端固定，上端施加垂向力Ｆ，要求垂向力Ｆ不小于６０ＫＮ，同時垂向位移Ｓ不小于６０ｍｍ，且此時橡膠彈簧不得有損壞（見圖２ｂ）。ａ橡膠彈簧安裝使用狀態(tài)ｂ橡膠彈簧拉脫試驗狀態(tài)圖２橡膠彈簧的安裝使用與拉脫試驗狀態(tài)圖２原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧簡介２．１原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧結(jié)構(gòu)介紹原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧的結(jié)構(gòu)如圖３ａ，由上層鋼板、三層橡膠、兩層隔板和下層鋼板構(gòu)成．原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表１。Ｒ０９—２１—０１型號橡膠配方材料性能如表２。ａ原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧一＿上層鋼板橡膠ｌ（共２層）～～橡膠２（共堤）、、Ｌ、隔板（共３層）～下層鋼板．．．上層鋼板◆警圖３原結(jié)構(gòu)與新型橡膠彈簧結(jié)構(gòu)圖表１原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)表表２Ｒ０９—２１一們型號橡膠配方材料性能７２寧波工程學(xué)院學(xué)報２０１３年第３期２．２原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧剛度試驗將原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧在進１２１ＭＴＳ電液伺服試驗臺上（見圖４ａ）對稱傾斜安裝，測試原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧的垂向剛度值。通過試驗剛度曲線（見圖４ｂ）可以求出，兩件橡膠彈簧在９０ＫＮ一１７０ＫＮ承載范圍內(nèi)垂向剛度值為３．７４ＫＮ／ｍｍ，滿足圖紙的剛度值范圍要求。５∞幅∞為冀葛棚蕾卯墨硼繭扭Ｃｔｎｔ＇ａ原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧剛度試驗圖ｂ原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧試驗剛度曲線圖圖４原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧剛度試驗及剛度曲線圖２．３原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧拉脫試驗在進口ＭＴＳ電液伺服試驗臺上（見圖５ａ）安裝橡膠彈簧并進行拉脫試驗。通過試驗曲線（見圖５ｂ）可得，在垂向位移４２ｍｍ即垂向力５８ＫＮ時橡膠彈簧拉脫，得出原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧抗拉性能不能滿足技術(shù)要求。從圖５ａ試驗完成后的失效件來觀察，橡膠與鋼板骨架的粘結(jié)強度滿足要求，但橡膠自身的撕裂強度不夠。橡膠的撕裂強度不足是影響原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧開裂現(xiàn)象出現(xiàn)的重要因素。ａ原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧拉脫試驗ｂ原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧拉脫試驗曲線圖圖５原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧拉脫試驗及試驗曲線圖２．４原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧非線性有限元分析２．４．１橡膠材料參數(shù)的選定橡膠是各向同性不可壓縮的超彈性材料，在橡膠的變形過程中存在自由能函數(shù)——應(yīng)變能函數(shù)（Ｗ）．此函數(shù)形式及其中所含的常數(shù)須由試驗來確定Ｉ“。對于以橡膠為代表的超彈性材料應(yīng)變能函數(shù)（Ｗ）一般有Ｎｅｏ—Ｈｏｏｋｅａｎ模型、二項Ｍｏｏｎｅｙ—Ｒｉｖｉｌｉｎ模型、Ｙｅｏｈ模型和Ｏｇｅｎ模型等，本文選用的是二項Ｍｏｏｎｅｙ～Ｒｉｖｉｌｉｎ模型，應(yīng)變能函數(shù)（Ｗ）形式為：Ｗ＝Ｃ１０（１１—３）＋Ｃ０１（１２—３）（１）－Ｏ量膏＾一，崔國罡王社峰張文舉張須偉：一種新型車用橡膠彈簧的改進設(shè)計研究７３式中：Ｃ１０及Ｃ０１為材料參數(shù)【２】。通過單軸壓縮試驗將配方型號為Ｒ０９—２１—０ｌ的橡膠膠料試驗結(jié)果導(dǎo)入有限元分析軟件ＡＢＡＱＵＳ中擬合，可得：Ｃ１０＝０．６８，Ｃ０１＝０．１３。２．４．２鋼板材料參數(shù)的選定鋼板的應(yīng)力一應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系采用經(jīng)典的兩線性描述，其線彈性段的彈性模量選取２ＩＯＧＰａ，泊松比為Ｏ．３，屈服應(yīng)力為３４５ＭＰａ（鋼板材質(zhì)均為Ｑ３４５Ｂ）。２．４．３有限元求解結(jié)果將此模型離散為八節(jié)點六面體單元，共４５２７８個單元和４１３４５個節(jié)點。其中橡膠采用Ｃ３Ｄ８ＲＨ單元，鋼板采用Ｃ３Ｄ８Ｉ單元。得出原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧鋼板ＶＯＮＭＩＳＥＳ應(yīng)力云圖（見圖６ａ）；金屬鋼板的最大ＶＯＮＭＩＳＥＳ應(yīng)力位于第一片隔板的中心位置．?dāng)?shù)值為８８．１５ＭＰａ；橡膠的最大主應(yīng)力位于第三層橡膠與第二層橡膠隔板的連接處，最大拉應(yīng)力３．１５ＭＰａ，最大壓應(yīng)力７．２２ＭＰａ（見圖６ｂ）。橡膠層的變形量為８．２ｍｍ：分析結(jié)果得出兩件原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧在９０ＫＮ一１７０ＫＮ承載范圍內(nèi)垂向剛度值為３．３４ＫＮ／ｍｍ，滿足圖紙的剛度值范圍要求，原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧非線性有限元分析與試驗結(jié)果剛度值誤差為１０．７％（見圖６ｃ）。ａ原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧鋼板ＶＯＮＭＩＳＥＳ應(yīng)力云圖ｂ原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧橡膠最大主應(yīng)力云圖Ｏ５ｌＯ１５∞２５∞３５４０４５５０砧∞６５ｊ孵（－）ｃ原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧分析與試驗剛度曲線對比圖圖６原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧應(yīng)力云圖及分析與試驗剛度曲線對比圖３新型橡膠彈簧簡介３．１新型橡膠彈簧結(jié)構(gòu)介紹新型橡膠彈簧結(jié)構(gòu)如圖３ｂ所示，由上層鋼板、四層不同厚度橡膠、三層隔板和下層鋼板構(gòu)成，新型橡膠彈簧結(jié)構(gòu)的參數(shù)表如表３。選用型號為Ｒ１２—２１—２３的橡膠配方，材料性能如表４?！А觯谛罚磳幉üこ虒W(xué)院學(xué)報２０１３年第３期表４Ｒ１２—２１—２３型號橡膠配方材料性能Ｒ１２—２１—２３型號橡膠配方較Ｒ０９—２１—０１型號橡膠配方邵氏硬度降低了５度。拉伸強度提高了３ＭＰａ．拉斷伸長率提升了８０％，撕裂強度增強了一倍，扯斷永久變形增加了１５％。在原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧模具上使用新配方膠料來試驗驗證拉脫性能，試驗得出垂向位移６３ｍｍ即垂向力６５ＫＮ時橡膠彈簧拉脫．拉脫試驗曲線如圖７所示，可以看出型號為Ｒ１２—２１—２３的橡膠配方的橡膠撕裂強度足夠，型號為Ｒ１２—２１—２３橡膠配方的橡膠彈簧較型號為Ｒ０９—２１—０１橡膠配方的橡膠彈簧抗拉性能明顯提高。圖７原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧換新配方橡膠驗證的拉脫試驗曲線圖３．２新型橡膠彈簧非線性有限元分析３．２．１橡膠和鋼板的材料參數(shù)選定通過對型號為Ｒ１２—２１—２３橡膠配方的橡膠膠料做單軸壓縮試驗導(dǎo)入有限元分析軟件ＡＢＡＱＵＳ中擬合，可得：Ｃ１０＝０．５，Ｃ０１＝０．１。鋼板的彈性模量選?。玻保埃牵校?，泊松比為Ｏ．３，屈服應(yīng)力為３４５ＭＰａ（鋼板材質(zhì)均為Ｑ３４５Ｂ）。３．２．２有限元求解結(jié)果將此模型離散為八節(jié)點六面體單元，共１１３１３９個單元和１０３３００個節(jié)點。其中橡膠采用Ｃ３Ｄ８ＲＨ單元，鋼板采用Ｃ３Ｄ８Ｉ單元。得出新型橡膠彈簧鋼板ＶＯＮＭＩＳＥＳ應(yīng)力云圖（見圖８ａ）；新型橡膠彈簧金屬鋼板的最大ＶＯＮＭＩＳＥＳ應(yīng)力在第一片隔板的中心位置，最大應(yīng)力為１２６．５８ＭＰａ；橡膠的最大主應(yīng)力位于第一層橡膠與頂板的連接處，最大拉應(yīng)力３．４４ＭＰａ，最大壓應(yīng)力１０．４ＭＰａ（見圖８ｂ）。第一層和第四層橡膠變形量為７．５ｍｍ，第二三層橡膠變形量為５．５ｍｍ；分析結(jié)果得出兩件新型橡膠彈簧在９０ＫＮ一１７０ＫＮ承載范圍內(nèi)垂向剛度值為３．９ＫＮ／ｍｍ。滿足圖紙的剛度值范圍要求，新型橡膠彈簧非線性有限元崔國罡王社峰張文舉張須偉：一種新型ｊｉｊＨ橡膠彈簧的改進設(shè)汁研究ａ新型橡膠彈簧ＶＯＮＭＩＳＥＳ應(yīng)力云圖ｂ新型橡膠彈簧最大主應(yīng)力云圖２２，，西ｍ∞∞ｍｍｍ∞∞舳雄ｏＯ５１０生，營＾，Ｋ，■Ｖ１５∞衢∞衢∞衢國硒∞陌蔓蔫‘－—Ｄｃ新型和原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧分析剛度曲線對比圖圖８新型橡膠彈簧應(yīng)力云圖及新型與原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧分析剛度曲線對比分析與原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧非線性有限元分析剛度值誤差為１４．４％，新型橡膠彈簧非線性有限元分析與原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧試驗剛度值誤差為４．１％，（見圖８ｃ）。需要特別指出的是為了使新型橡膠彈簧與原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧能夠互換通用，在本次改進設(shè)計研究中橡膠彈簧的外形尺寸均沒有更改。在改進骨架結(jié)構(gòu)（增加一層骨架）和橡膠配方的方式下，同時還要保證橡膠懸架承載性能基本不變，不可避免的新型橡膠彈簧骨架的最大ＶＯＮＭＩＳＥＳ應(yīng)力和橡膠的最大主應(yīng)力較原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧會增大，但通過非線性有限元分析結(jié)果可知，新型橡膠彈簧骨架的最大ＶＯＮＭＩＳＥＳ應(yīng)力和橡膠的最大主應(yīng)力均不超過材料的許用應(yīng)力。在原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧模具上使用新配方膠料來試驗驗證拉脫性能時，也看出新橡膠配方橡膠彈簧抗拉性能明顯提高。４結(jié)論本文通過基于非線性有限元法對一種新型橡膠彈簧做改進設(shè)計研究，應(yīng)用改進骨架結(jié)構(gòu)和提升橡膠配方性能的手段．采用對比分析的方法，理論與試驗相結(jié)合，在保證橡膠懸架承載性能要求的基礎(chǔ)上提高橡膠彈簧的抗拉性能，為解決一種Ｔ程機械車輛橡膠懸架上應(yīng)用的橡膠彈簧開裂問題提供了理論萬方數(shù)據(jù)７６寧波工程學(xué)院學(xué)報２０１３年第３期支持。對原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧承載范圍內(nèi)垂向剛度值的試驗和非線性有限元分析結(jié)果對比以及對原結(jié)構(gòu)橡膠彈簧和新型橡膠彈簧的承載范圍內(nèi)剛度值有限元分析結(jié)果對比時，發(fā)現(xiàn)結(jié)果存在少量誤差，還需要通過后續(xù)依據(jù)本次分析開發(fā)出的新型橡膠彈簧臺架試驗和實際工程機械車輛上的應(yīng)用來繼續(xù)驗證。參考文獻：［１］ＲｉｖｌｉｎＲＳ．Ｒｈｅｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｏｒｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ａ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ，１９５６．［２］張廣世，孔軍，宋志強．基于有限元法進行鐵道車輛橡膠元件的設(shè)計［Ｊ］．彈性體，２００１，ｌｌ（６）：５１－５４［３］石亦平，周玉蓉．ＡＢＡＱＵＳ有限元分析實例詳解［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，２００６．［４］韓智慧．有限元法在車輛橡膠元件中的應(yīng)用［Ｊ］．彈性體，２０１０，２０（４０）：３４－３８．［５］魏紅一，許歆，胡世德．圓板式橡膠支座的性能評價［Ｊ］．公路，２００５，（２）：４８—４９．ＩｍｐｒｏｖｅｄＤｅｓｉｇｎｏｆａＮｅｗ－ｔｙｐｅＲｕｂｂｅｒＳｐｒｉｎｇＣＵＩＧｕｏ—ｇａｎ９１，ＷＡＮＧＳｈｅ—ｆｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＷｅｎ－ｊｕｌ，ＺＨＡＮＧＸｕ—ｗｅｉｌ（１．ＳｈａｎｄｏｎｇＭｅｉｃｈｅｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ，Ｌｔｄ，Ｚｈｕｃｈｅｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，２６２２００，Ｃｈｉｎａ；２．ＮｉｎｇｂｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｉｎｇｂｏ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，３１５２１１，Ｃｈｉｎａ）ｐｒｏｂｌｅｍａｒｉｓｉｎｇｗｈｅｎｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｒｕｂｂｅｒｓｐｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｒｙｏｆＡｂｓｔｒａｃｔｓ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｒｕｂｂｅｒｃｒａｃｋｉｎｇｔｈｅｒｕｂｂｅｒｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｉｓａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ０１１ａｎｄｅｎｓｕｒｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅａｉｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｒｕｂｂｅｒｓｐｒｉｎｇ，ｔｈｉｓｏｆａｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄｓｐｒｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｔｈｅｓｋｅｌｅｔａｌｓｐｒｉｎｇｔｅｓｔａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｍｐｒｏｖｅｓａｎｄｔｈｅｒｕｂｂｅｒｆｉｎｉｔｅｎｅｗ－ｔｙｐｅｒｕｂｂｅｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒｍｕｌａｅｌｅｍｅｎｔａｎｄａｓａｎａｌｙｚｉｎｇａｎｄａｓｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｒｕｂｂｅｒｗｉｔｈｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｗｅｌｌｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｒｕｂｂｅｒｓｐｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｎｅｗ—ｔ）ｒｐｅｒｕｂｂｅｒｓｐｒｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｕｂｂｅｒｓｐｒｉｎｇ；ＦＥＭ；ｔｅｎｓｉｌｅ；ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ萬方數(shù)據(jù)一種新型車用橡膠彈簧的改進設(shè)計研究作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷