后拉杆悬置衬套刚度仿真分析与实测对比研究
摘要:动力总成后拉杆悬置衬套是汽车动力总成悬置系统的安全件和功能件，是汽车动力总成与后车架连接重要组成部分 ，对车辆低振动噪声和耐久性有重要影响。文中针对某款SUV车辆动力总成后拉杆悬罝橡胶在路试试验中刚度不达标的现象，借助HyperW orks软件对悬置橡胶的刚度进行计算分析，并利用MTS试验设备对橡胶计算结果加以实测对比研究。经过对比分析得出，仿真结果与试验测试几乎结果吻合，强有力地验证了有限元仿真分析的有效性，节约汽车零件的开发成本。文中的研究方法对动力总成悬置系统的设计具有一定的指导意义。汽车动力总成后拉杆悬置衬套是将动力总成与后车架连接的关键部件之一。其作用一方面是车辆在多种行驶工况下传递作用在动力总成上的力和力矩;另一方面，悬置橡胶衬套可以减少动力总成对车辆的冲击，其刚度值对车辆NVH特性影响较大。进行动力总成悬置系统设计时，应首要考虑后拉杆悬置橡胶衬套的刚度和疲劳特性'在对后拉杆悬置橡胶特性进行设计时，首要依据是工程师的经验设计，其次进行样件生产，最终在试验台上测试，将测试结果与目标值进行对比，判断测试曲线与目标曲线是否吻合。这样有力地验证了设计的准确性，但工作周期延长且试验成本增加，不利于企业快速发展。因此，借助有限元分析对后拉杆悬置橡胶进行分析计算，高效快速地仿真出试验结果是动力总成悬置系统设计的重要内容之一。在对后拉杆悬置橡胶衬套性能与结构分析过程中，国内许多学者开展了一系列的研究工作潘晓勇等^利用MATLAB软件进行编程最终将后拉杆悬置衬套所受到的载荷数据體出来，利用此数据加载至橡胶弹性中心点测试橡胶的静刚度与疲劳;徐驰等^出了一种模糊计算对后拉杆悬置橡胶结构形状的参数进行建模；赵建才等[4]利用遗传算法和BP神经网络相结合的策略对某类橡胶悬置元件的几何结构参数进行优化，优化结果符合橡胶刚度要求。本文针对某款SUV动力总成后拉杆悬置衬套在路试拭验中刚度不合格且出现橡胶疲劳开裂等现象进行深入研究。对改进后的橡胶结构进行了仿真分析，判断其是否满足刚度与疲劳要求，并通过试验测试悬置橡胶的静刚度，证明了仿真分析结果的精确性。文中对动力总成后拉杆悬置橡胶衬套的性能対嗔方法对动力总成悬置系统的设计具有一定的指导意义。不同款式的汽车动力总成规格是不一样的，因此在设计新款车型的动力总成悬置系统时，应该重新考虑新车型的载荷工况及后拉杆衬套所受到的工况力大小。考虑到动力总成后拉杆悬置衬套在悬置系统中起到连接动力总成、减少动力总成产生的振动传递到车身，以及传递动力总成产生的一切力和转矩的作用，因此设计出一款十分有效的动力总成后拉杆悬置衬套在汽车开发初期是十分重要的。本文研究的后拉杆悬置衬套通过两个螺栓铆接在动力总成端和车架或副车架端，起到中间过渡‘‘桥梁”的作用。动力总成在车辆行驶中会受到前撞、后撞和转矩工况等引起的前后方向载荷冲击，振动通过动力总成传递到后拉杆金属中，通过后悬拉杆中硫化的橡胶衬套进行减振以达到驾乘人员对车辆乘坐的舒适性。橡胶衬套中硫化铝芯子以提髙橡胶衬套的刚度和耐压性，合理地设计衬套的刚度与结构是满足车辆NVH特性重要的手段之一 。本文研究的动力总成后拉秆悬置边界条件如图1所示，安装在汽车上的位置如图2所示。由两个M12安装螺栓分别铆接到动力总成一端和车架(副车架)端，螺栓法兰面半径定义为12.5mm。作用在动力总成上的载荷可根据文献的计算方法得到,得到的结果见表1。首先，利用Hypermesh软件，对金属后拉杆进行网格前处理，设置网格大小为2.5,并规定每个网格的成员尺寸角度介于8°和120°之间。网格类型为一阶六面体，将网格质量调整好后，生成实体网格,单元节点数为13521，其中金属拉杆为钣金件SPHC制成，金属与橡胶衬套弹性中心点采用rbe3关联以模拟橡胶与金属拉杆发生位移时的运动状态，金属后拉杆有限元模型见图3所示。将表1中的工况力加载至弹性中心点,弹性中心点编号为173，由Naatranift行线性计算得出后拉杆支架在车辆行驶中所受到的工况力，找出应力集中区域并判断是否超出材料所受阈值。经过仿真分析得出后拉杆支架的受力云图如图4所示。从云图受力可知，银金支架的Mises受力阀值为600MPa，而云图中的最大受力值578MPa，符合设计要求，证明装车过程中理论仿真是合格的，后续还需对其进行实物验证。其次，对后拉杆悬置中的大端橡胶衬套进行有限元分析，采用一阶六面体对其进行网格划分,网格节点数量为16265,弹性中心点编号保持不变，采用非线性求解器Abaqu^其进行Z+和向刚度仿真分析，橡胶衬套采用Ogden模型，胶料硬度为N50〇为使计算准确，应在Abaqus中设置材料属性与关联区域导出生成inp文件，并在Abaqus中进行后续设置。其中在step设置里应将初始步设定成0.01,终止步设置成0.05〇这样橡胶撞块与主簧在进行相撞时，能够充分模拟出橡胶的自身接触特性以及橡胶撞块与橡胶主賛表面相撞击时的应力分布特性。在Interaction步骤设置中，除设置橡胶撞块与橡胶主簧接触外，还应设置橡胶自身接触。在Load步骤设置里，应分别设置橡胶沿三个方向的移动位移，位移量设置标准为橡胶撞块与主賛体空间距离的1.5倍，位移大小如表3所示。这里特别说明，由于此橡胶结构主要受到Z向的振动位移(见图5),为方便讨傳只需设置和X-向位移量并最终将目标曲线进行拟合。在Job步骤中提交计算模型，将计算结果导入到Visualization中进行动画演示并明确其运动状态是否正确，导出数据最终拟合出力4移曲线，其有限元模型和刚度分析云图如图5、图6所示。在有限元仿真分析的基础上利用MTS设备对金属后拉杆进行实际测量，以判断仿真分析结果的准确性。该测试系统可测试后拉杆银金元件等非弹性体的静态、动态力-位移性能以及对金属零件进行强度校核。设备性能指标:力加载范围为±50kN，位移加载范围为±15tmn，力示值误差为±2%，位移为±1.5%，实验温度范围为-5~30℃，MTS试验照片如图7所示。对橡胶衬套利用MTS833系列液压动作缸进行加载，液压动作缸通过定制的夹具与悬置橡胶安装点进行连接,同时设置位移传感器，通过位移监控对台架试验进行安全保护。并对其初始位廳加一^Z-向的位移5麵以模拟真实装车过程中发动机的自重。根据上述实验条件，分别对橡胶的x、y、z三向加载如表3所示位移，每种位移加载条件下测试得到了2个同批次橡胶试样的力4移准静态数据。分别对每组加载位移条件下实验数据进行线性插值处理，由于在较小的位移插值间隔内其力#移特性表现为近似线性特性，选取1#插值点进行线性插值计算，然后将2个试样的力-位移曲线插值后的数据进行算术平均，将算术平均后力-位移值定义为实测基准值，对应的力-位移曲线称为实测基准曲线 。对后拉杆进行强度测试时，随着加载力的增大，后拉杆悬置并未出现断裂等情况，加载力在达到47345N时为最大，后拉杆完好无损，表明仿真分析的结果可靠，其力与位移曲线如图9所示。对橡胶衬套进行实测分析，从试验电脑中得出测试数据，将仿真计算与实际测量得出的力-位移数据导入到EXCEL中进行曲线拟合，得出悬置橡胶的X\Y\Z三向刚度曲线如图10所示。通过图10可以得出，悬置橡胶的三向刚度曲线基本一致，经过计算得知橡胶的计算刚度值与实测刚度值对比如表3所示。以实测值为基准，规定刚度偏差值小于15%即为合格。由此得知仿真分析结果的正确性，有力地证明了仿真分析方法的准确性。1)本文以某车动力总成后拉杆悬置为例，借助有限元分析软件论述了后拉杆强度和悬置橡胶衬套刚度计算方法，并利用该分析方法得到的数据对橡胶衬套拟合出X、y、Z三个方向的刚度曲线，通过MTS试验台对该后拉杆悬置及橡胶衬套元件进行实测，结果表明后拉杆悬置强度满足要求，且橡胶衬套三向刚度分析曲线与实测曲线目标接近,可以有力地验证有限元分析方法的准确性，有效地缩短了产品开发的周期，节约了产品的试验成本。2)本文建立的仿真分析方法对后拉杆悬置分析是有效的，其分析思路也可以用于汽车上的其它零部件 。作者单位：1. 沈阳航空航天大学机电工程学院2. 宁波拓普集团股份有限公司3. 华南理工大学机械与汽车工程学院 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-09-26
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