缩径处理对汽车橡胶悬置刚度与疲劳性能影响有多大？仿真告诉你

导读：纯橡胶型衬套类悬置在电动车上应用广泛，而且基本上都是回转体类，主簧结构也大都为十字型，一般电动车悬置减振件结构多由内、外金属管套和橡胶主簧组成，如图1所示。

一般来所，此类悬置为了提升疲劳性能基本上都会做一些缩径处理，而进行缩径就会改变其刚度特性及疲劳性能，此文就用一个实际案例来说明一下缩径对悬置性能的影响。

图1 电动车悬置几何结构

一、为什么要进行缩径处理

橡胶减振衬套进行缩径处理的好处有以下三点：

1、衬套缩径可以提高产品的耐久性能，通俗来说就是让衬套更好用，更耐用。在生产的过程中衬套在硫化成型后，橡胶冷却收缩，橡胶与内外套粘接牢固，橡胶没有收缩空间，造成分子存在拉伸应力。

2、橡胶衬套在工作过程中受到外界载荷作用，使得一侧的拉伸状态有所缓和而另一侧拉伸应力加大，当分子间的拉伸应力超过橡胶的自身强度时，就会出现分子间化学键断裂，橡胶衬套内部出现裂纹，导致产品出现早期破坏。

3、在橡胶衬套硫化成型后，通过自动缩径机对外套进行径向压缩，可使得橡胶分子间预先存在压缩应力，同时通过压缩量的调整，使得橡胶衬套在工作过程中不受拉伸应力的作用。

二、网格划分

此处只取悬置橡胶主簧部分在HYPERMESH中进行网格划分，为了计算速度够快，可以只进行四面体网格划分，因为仅是进行静刚度分析，四面体网格其实以及足够，但是本文还要进行精确的疲劳分析，就需要划分六面体网格了，划分六面体网格需要耗费的时间比较长，此案例划分的六面体网格模型见图2。

图2 六面体网格划分

三、缩径对衬套刚度的影响

将在HYPERMESH中划分好的网格模型导出INP格式，导入到ABAQUS软件中，设置材料属性，此处采用60度的橡胶材料参数，选择M-R模型，设置分析步以及边界条件，先进行缩径步骤，再分别在三个方向加载3mm的位移，设置完成后的模型如图3所示。

图3 有限元网格加载模型

提交分析后得到缩径与不缩径情况下的三向刚度数据如表所示：

由此可见，缩径工艺对衬套刚度具有提升作用，那么在实际应用中，我们一般都会采用刚度优先的原则。同等刚度条件下，考虑缩径工艺的悬置衬套可以选用较低硬度的橡胶，从而提升橡胶衬套的减振性能和疲劳寿命。

下图4是缩径对衬套非线性刚度的影响情况。

图4 缩径前后Z向非线性刚度

四、缩径对衬套耐久性能的影响

作为一个电动车悬置衬套，刚度特性仅是其一个基本的特性。除了刚度外，我们还比较关心橡胶的疲劳寿命。毕竟可以用与用的久还是具有非常大的差别。但是橡胶材料的疲劳计算理论并不像金属材料一样，具有一个完备的疲劳理论。更详细的可以参考文章“橡胶减振衬套疲劳寿命预测方法以及疲劳损伤参量选择”

本例中我们采用应变能密度（Strain Energy Density）来评估橡胶衬套的疲劳应变性能。

悬置衬套在实际工况中的载荷为变形量，故我们研究相同位移载的条件下的应变云图。值得注意的是，由于缩径后悬置衬套的刚度有所提升，所以在相同力载荷的条件下，缩径后的模型位移量会有所减小。在理论上缩径工艺就可以降低橡胶衬套的疲劳应变能密度。

图5 缩径后悬置衬套X向应变能密度云图

图6 未缩径悬置衬套X向应变能密度云图

图7 缩径后悬置衬套Z向应变能密度云图

图8 未缩径悬置衬套Z向应变能密度云图

对比以上云图，可以发现缩径工艺改变了最大应变出现的位置：未缩径时，X方向是在橡胶左侧出现最大应变；缩径之后，最大应变出现在橡胶的右侧。而在Z方向同样的压缩量下，却是缩径后应变能密度变大了。这是由于缩径后，整个衬套橡胶处于压缩状态，当出现向右的加载时，左侧的橡胶首先是恢复原始状态，其内部应力表现为：预压缩应力——>原始状态无应力——>拉伸应力。相比未缩径的衬套，其多出了预压缩应力的恢复过程，所以其最大应变出现的时间要比未缩径的衬套晚一些。汇总以上四幅图的应变值如表2所示：

表2 缩径前后X/Z向耐久性能变化

五、写在最后

本文基于一个具体的电动车悬置衬套，通过ABAQUS仿真验证了缩径工艺对悬置橡胶衬套性能的影响，为回转类橡胶衬套的设计提供了一些设计参考。当然，对某一悬置衬套的缩径量也是有限制的，缩径只是可以优化衬套的一些特性，并不能对某一特性具有质的飞跃。在悬置衬套设计时还是优先考虑结构与胶料的优化，其次是缩径所带来的微调。

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1、用户得到

（1）学会用HYPERMESH给橡胶减振元件主簧网格划分四、六面体网格。

（2）学习用ABAQUS进行橡胶减振元件主簧主/侧方向静刚度分析

（3）学会用ABAQUS进行橡胶减振元件主簧非线性刚度分析

（4）学会用ABAQUS进行橡胶减振元件主簧动刚度分析

（5）学会用ABAQUS进行橡胶减振元件主簧疲劳分析

（6）学会用ABAQUS进行橡胶减振元件缩径分析

（7）学会用ABAQUS进行橡胶减振元件扭转刚度分析（扭梁衬套案例）

2、适合哪些人学习

（1）悬置系统工程师

（2）悬架系统工程师

（3）理工院校学生

（4）仿真分析爱好者

3、讲师介绍

吕老师 仿真秀专栏作者  教授级高级工程师  汽车行业从业25年

负责过发动机悬置系统、发动机前端附件驱动系统、动力总成操纵系统设计开发、离合器开发、汽车燃油系统开发,在汽车动力学模拟及仿真技术和汽车噪声振动控制方面有较为深入的研究。发表论文30篇，获得发明专利授权15项，计算机软件著作权2项。

（完）