張海莉

(恒大恒馳新能源汽車研究院(上海)有限公司 第一車型研發(fā)院，上海 201600)

0 前言

懸架襯套作為底盤重要彈性零件，能有效改善車輛行駛平順性和路面噪聲，尤其是控制臂舒適性襯套的作用更加顯著。舒適性襯套的功能為兼顧低頻振動控制和中高頻結(jié)構(gòu)噪聲隔離。在接收低頻大振幅振動時，尤其在車輪垂直跳動振動頻率范圍，一般在10～18 Hz之間，襯套需要較大的阻尼性能來衰減振動；在高頻的小振幅振動輸入時，襯套需要較小的動靜比和阻尼以達到良好的隔離高頻噪聲的效果。普通橡膠襯套由于其橡膠固有特性，無法很好的同時兼顧高頻和低頻共同的需求，因此在中高端車型上通常會采用液壓襯套來實現(xiàn)在低頻輸入時通過大阻尼來衰減大振幅振動，高頻輸入時使用小動靜比和小阻尼來實現(xiàn)小振幅振動的有效隔離。但液壓襯套因其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，容易發(fā)生襯套開裂而導(dǎo)致漏液失效的問題，本文結(jié)合某車型液壓襯套優(yōu)化過程，從橡膠體結(jié)構(gòu)設(shè)計、剛度曲線設(shè)定和橡膠材料選擇等方面進行研究，為前期設(shè)計提供借鑒，降低后期開發(fā)成本。

1 液壓襯套基本結(jié)構(gòu)

普通的液壓襯套由內(nèi)芯、內(nèi)殼體、防撞塊橡膠、主簧橡膠、中間骨架、流道板、外殼體和乙二醇液體組成，如圖1所示。其中防撞塊橡膠通過硫化連接內(nèi)芯和內(nèi)殼體，防撞塊橡膠一般選用硬度高、耐磨性好的NR材料。主簧橡膠將內(nèi)殼體、中間骨架硫化在一起，主簧一般選用較軟且阻尼較大的材料，主簧橡膠分別在加速側(cè)和制動側(cè)設(shè)置泄壓裝置來緩沖在復(fù)雜工況時路面?zhèn)鬟f的沖擊，主簧上的皮碗結(jié)構(gòu)是液壓襯套最為薄弱的結(jié)構(gòu)之一，大部分耐久漏液都是因為皮碗開裂導(dǎo)致。中間骨架和流道板共同起到支撐主簧橡膠的作用，中間骨架與外殼體又共同起到密封作用。乙二醇在主簧、流道板、外殼體三者之間儲存，可通過改變流道板上的流道寬度和長度來改變峰值阻尼值和峰值頻率。

圖1 普通液壓襯套結(jié)構(gòu)

2 液壓襯套開裂失效模式及主要優(yōu)化措施

與普通橡膠襯套類似，液壓襯套常出現(xiàn)的耐久失效模式主要原因是主簧橡膠疲勞開裂、防撞塊橡膠異常磨損、流道板異常磨損等導(dǎo)致性能衰減嚴重或異響。因為液壓襯套內(nèi)部封裝了乙二醇液體，在橡膠與金屬殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計時需兼顧車輛運動過程中襯套內(nèi)部液體流動和橡膠元件變形，所以液壓襯套橡膠體設(shè)計比普通襯套復(fù)雜。橡膠的疲勞失效是由于橡膠材料在受到重復(fù)的拉壓載荷時，橡膠體局部變形或承受的應(yīng)力超過了橡膠材料本身的延伸率或極限應(yīng)力時對橡膠體產(chǎn)生的破壞。橡膠體在受到周期性拉壓載荷作用時，載荷不斷地集中在橡膠分子鏈上的化學(xué)鍵能比較薄弱的部位而產(chǎn)生微裂紋，繼而發(fā)展成肉眼可見的初始裂紋。若初始裂紋出現(xiàn)在主簧的皮碗或其他位置裂紋延伸至主簧的皮碗，必然會導(dǎo)致乙二醇泄露，從而剛度和阻尼大幅降低，襯套性能衰減嚴重。

本文主要針對液壓襯套疲勞開裂展開分析，以某雙叉臂懸架的前下控制臂的舒適性液壓襯套為研究對象，在可靠性道路驗證中，在行駛至67%里程時車輛的左側(cè)襯套出現(xiàn)漏液問題，在主簧橡膠的制動側(cè)和加速側(cè)皮碗處呈對角位置開裂，如圖2所示。

圖2 襯套皮碗處開裂

完成100%路試后，拆卸襯套并對襯套進行剛度、阻尼復(fù)測。如圖3所示，右件的襯套剛度和阻尼維持較好，滿足在輸入頻率15 Hz，振幅±0.5 mm振動時，損失角大于50°的設(shè)計要求。但左件的剛度和阻尼大幅降低，均不滿足襯套性能目標，初步推斷其內(nèi)部乙二醇泄露嚴重。對左、右襯套進行解析，如圖4所示，檢查到右件雖未漏液，但初始裂紋從主簧邊緣的中部位置開始沿襯套軸向方向向兩端擴展；左件的裂紋從主簧邊緣中部起始，然后沿襯套軸向方向擴展至主簧的皮碗處，進而導(dǎo)致襯套漏液，左件質(zhì)量比右件小38 g。因此判定初始裂紋從主簧邊緣中部起始。

圖3 問題件剛度和阻尼角復(fù)測

圖4 左右件裂紋對比

圖5 主簧中間位置解析圖

在左件襯套的主簧中間位置橫向剖開，如圖5所示，裂紋最深為7～11 mm。從Adams模型中的提取常用工況載荷分析，此襯套最嚴苛的受力工況為徑向受力工況，同時通過對故障件檢查，發(fā)現(xiàn)左、右件開裂位置為襯套主簧橡膠體的對角位置。故推斷襯套主要開裂工況為徑向加載與繞軸向扭轉(zhuǎn)工況，在此工況下，主簧橡膠體達到最大拉伸行程。

針對橡膠體疲勞開裂，主要從降低橡膠體應(yīng)變水平和提升橡膠體承受應(yīng)變能力2個方向優(yōu)化。見表1。

主簧橡膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)充分考慮車輛制動和加速工況下橡膠拉伸變形造成的應(yīng)力和應(yīng)變集中，問題件的主簧橡膠體邊緣結(jié)構(gòu)過于飽滿，缺少設(shè)計缺口進行過渡，如圖6所示。圖中原方案為原始結(jié)構(gòu)，主簧橡膠體從中心到邊緣厚度均勻，拉伸變形時應(yīng)力集中在邊緣位置，這是導(dǎo)致開裂的主要原因。借助ABAQUS軟件，完成了4次在橡膠體中間增加缺口的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分別為方案1～4，使應(yīng)力集中區(qū)域從邊緣向缺口區(qū)域移動，從而降低橡膠體邊緣位置應(yīng)變。在徑向增加4 mm位移，軸向扭轉(zhuǎn)加載15°工況時，應(yīng)變從原方案的202%降至方案1的130%，如圖7所示。

表1 開裂優(yōu)化方向

圖6 主簧橡膠體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

圖7 主簧橡膠體形狀優(yōu)化后應(yīng)變分析

主簧的剛度曲線拐點設(shè)定直接決定主簧的拉伸行程，并且影響過坎沖擊舒適性等動力學(xué)性能。如圖8所示，該開裂襯套在液室方向的剛度定義為450 N/mm，而剛度曲線直線端拐點定義在3.5 mm，即在液室方向只需要1 575 N的力，襯套在液室方向變形就要到拐點位置，而該襯套常用工況受力遠大于1 575 N，即襯套在液室方向上常用工況為剛度曲線拐點以上區(qū)域。

圖8 問題件剛度曲線設(shè)定

襯套剛度曲線直線段越長，橡膠在極限工況會被拉伸得越長，橡膠應(yīng)變越大。剛度曲線直線拐點位置縮短可減少主簧拉伸行程。在圖6各方案基礎(chǔ)上，分別將靜剛度直線段行程由3.5 mm縮短至2.5 mm，由此生成方案5～9，如圖9所示。通過計算機輔助工程(CAE)分析，橡膠應(yīng)變進一步減少，最大應(yīng)變最小減至120%以下。

圖9 襯套應(yīng)變水平分析

剛度曲線直線段縮短會影響汽車動力學(xué)和流道板耐久性。襯套線性段的設(shè)計需要平衡操控性和平順性，在側(cè)向力工況，舒適性襯套受力較小，線性段的改變對襯套的受力和變形影響非常小。在縱向力工況(制動工況)，如表2所示，VD板塊分析舒適性襯套的線性段對制動力轉(zhuǎn)向、制動力外傾、制動力主銷后傾、輪心縱向柔度影響明顯。襯套線性段縮短，導(dǎo)致輪心縱向柔度降低至2.5 mm，會對舒適性有一定影響。但輪心縱向力柔度的線性段可接受經(jīng)驗范圍值為在2.5～3.5 mm，因此需進一步主觀評價實車樣件。

表2 Adams模型仿真結(jié)論

通過將流道板內(nèi)部加厚1 mm來縮短剛度曲線直線段，防撞塊會更容易與外側(cè)的流道板接觸，而防撞塊兩側(cè)硬接觸橡膠層只有0.5 mm厚度，該橡膠層容易被磨損掉，這時防撞塊會與外側(cè)流道板處于鋼與塑料的接觸，更容易導(dǎo)致流道板異常磨損，甚至會產(chǎn)生噪聲，因此后續(xù)實車驗證時需對流道板磨損進行評估。經(jīng)分析，最終結(jié)構(gòu)和曲線優(yōu)化方案選擇圖9中的方案6。

橡膠材料的撕裂強度是決定橡膠承受應(yīng)變能力的關(guān)鍵指標，可以有效減少橡膠開裂。前期設(shè)計是根據(jù)以往經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)橡膠材料性能及工藝水平，主簧橡膠選擇撕裂強度為28 N/mm的材料，襯套在可靠性路試中出現(xiàn)較嚴重開裂并造成漏液。優(yōu)化橡膠材料將撕裂強度提升至34 N/mm，通過路試耐久試驗后，剛度和阻尼維持良好，僅主簧內(nèi)部出現(xiàn)較輕微裂紋，并未漏液。因此，可通過提升橡膠撕裂強度等優(yōu)化橡膠材料耐久性能的方法，改善襯套的耐久開裂問題。

3 液壓襯套開裂問題優(yōu)化驗證

液壓襯套結(jié)構(gòu)設(shè)計改變、剛度曲線調(diào)整、橡膠材料更換不僅影響液壓襯套結(jié)構(gòu)可靠性和耐久性，同時會影響車輛的駕乘舒適性。因此需要通過循環(huán)臺架耐久試驗、實車路試耐久試驗和實車舒適性主觀評價綜合判斷。

如表3所示，通過路譜載荷轉(zhuǎn)化，襯套小循環(huán)臺架耐久試驗要求為7種工況，1個小循環(huán)為10%壽命要求，襯套在通過10個小循環(huán)即滿足100%壽命要求。經(jīng)問題件、優(yōu)化件的循環(huán)臺架耐久試驗對比，問題件在60%～70%循環(huán)之間(即6～7個小循環(huán))出現(xiàn)漏液，優(yōu)化件在130%～140%(即13～14個小循環(huán))出現(xiàn)漏液，同時兩者失效模式與路試問題吻合，可以判定路譜載荷與路試情況吻合度較好，而且襯套優(yōu)化方向是有效的。對臺架驗證件進行解析檢查，流道板無異常磨損現(xiàn)象。

表3 路譜小循環(huán)要求

通過實車路試耐久試驗，優(yōu)化件完成全里程道路驗證，路試過程中無異響、漏液等問題。對路試后優(yōu)化件進行剛度及阻尼復(fù)測，剛度損失為18%，并滿足在15 Hz時損失角的設(shè)計要求。通過實車動態(tài)主觀評價，對問題件、優(yōu)化件進行評估，如表4所示。優(yōu)化件雖然在“減速帶沖擊”項的評分略低，但如表5所示，評價分數(shù)也維持在較好范圍內(nèi)，因此優(yōu)化件可通過車輛動力學(xué)主觀評價。

表4 問題件和優(yōu)化件主觀評分表

4 結(jié)語

本文基于控制臂舒適性液壓襯套在路試驗證時出現(xiàn)的開裂問題展開分析，對主簧橡膠體的結(jié)構(gòu)設(shè)計、剛度曲線設(shè)定、橡膠材料選擇等維度展開分析，借助CAE分析軟件進行論證，最終通過優(yōu)化主簧橡膠體結(jié)構(gòu)、剛度曲線直線段拐點優(yōu)化、材料優(yōu)化選擇實現(xiàn)優(yōu)化襯套的設(shè)計，并通過臺架循環(huán)耐久、路試耐久、實車主觀動態(tài)評價對優(yōu)化方案進行了驗證，有效解地解決了控制臂舒適性液壓襯套開裂問題。本文提出的優(yōu)化設(shè)計方案為液壓襯套前期優(yōu)化設(shè)計提供了參考，可為整車開發(fā)節(jié)約后期模具修改及驗證成本。

表5 評分體系