麦弗逊悬挂的摆臂橡胶衬套优化分析

马良灿 纪浩 陈小燕 李小珊

摘 要：通过对某车型麦弗逊前悬摆臂橡胶衬套本构模型参数识别，并搭建前悬系统的摆臂衬套有限元分析模型，分析衬套开口方向的接触压强，对衬套变形挤压产生的NVH问题进行了预测，并提出改进方案。利用Isight优化软件联合Aabqus有限元分析软件识别了橡胶衬套的Mooney-Rivlin本构模型C10、C01参数0.375和0.1011，并利用72通道振动加速度数采仪实测了颠簸路的衬套NVH表现情况，验证了有限元分析方法的可靠性。

关键词：橡胶衬套;本构模型;参数识别;接触压强

中图分类号：U463.33  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）15-105-04

Abstract： Based on the welding thermal stress field numerical simulation analysis of weld easy to crack on a torsion beam， compared the effects on welding residual stress from different welding parameters. The study shows that： 1.The residual stress mutated in the heat-affected zone and its peak value is obviously different because of the use of different welding current and voltage. The residual stress peak value on the torsion beam side is higher than on the reinforcement plate side. The residual stress peak value is decreased with the increase of welding current. When it passed 240A the residual stress increase quickly. 2. The residual stress fluctuates at the start and end of the weld and its peak value is higher than the stable stress in the middle of the weld. 3. The most optimal weld stress distribution can be obtained by using 220A welding current， 24V current voltage， 10mm/s welding speed， and controlling the length of arc starting and ending at 15mm. The torsion beam welded with those welding process parameters has passed the road test， and cracking problems of torsion beam weld has been solved.

Keywords： Torsion beam; Numerical simulation; Residual stress; Process parameters

CLC NO.： U463.33  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）15-105-04

1 前言

橡膠衬套作为软连接部件，不仅提供各方向可调的支撑刚度，还能有效衰减各方向的振动噪声，对整车的操稳及乘坐舒适性起关键作用，在现代汽车悬架系统中被广泛运用[1-3]。橡胶衬套的静刚度、粘弹性等特性对整车动力学的影响是行业研究的热点重点。张平[4]等通过以橡胶的应力应变实验为基础，对橡胶衬套的本构模型识别进行了研究;彭福泰[5]等通过建立带弹性衬套的动力学模型，研究了不同的橡胶衬套刚度对悬架动力学特性参数的影响;M.J[6]等通过考虑了温度、频率、预载等外界激励的影响，建立了橡胶衬套的动力学模型，并通过有限元仿真验证模型的准确性。

为了满足整车的操稳特性，通过摆臂衬套开槽方式能有效的调整衬套刚度进而对整车操稳有更直接的响应。但在外载的作用下，开槽的衬套面会相互挤压摩擦，产生耐久及NVH异响问题，目前还没有相关问题分析的研究。本文意在通过建立Isight参数化模型拟合识别橡胶衬套本构模型，通过Abaqus有限元分析软件对麦弗逊悬挂系统下摆臂衬套变形分析，为衬套变形挤压摩擦产生的耐久及异响问题具体研究方法及基础数据。

2 摆臂橡胶衬套本构模型建立

2.1 摆臂橡胶衬套刚度试验

采用低频动静刚度测试仪MTS-810对某车型摆臂后点衬套进行刚度测试，测试装配如图1所示。分别对轴向、实心径向、空心径向的刚度进行了12组的测试，并对各方向的测试结果进行了均值拟合，以消除测试误差。测试结果见图4、5、6的实测实验刚度曲线值。

2.2 摆臂橡胶衬套有限元模型建立

根据橡胶衬套刚度的测试装配结构，有限元网格模型如图2所示，共10470节点数，7010单元，其中橡胶单元采用C3D20H橡胶杂交单元，其余网格采用C3D8I单元。橡胶与内外钢套的的硫化采用Tie模拟，工装夹具采用刚体单元模拟。采用Abaqus14.0 模拟实验刚度测试方法，求解分析摆臂衬套轴向、径向刚度值。

2.3 Isight摆臂橡胶衬套参数优化识别

采用橡胶本构的经典模型Mooney-Rivlin，对刚度值进行实验值与仿真值的拟合。Mooney-Rivlin的模型表达式见公式（1）：

式中  和  分别为一阶、二阶应变不变量[7，8]。本文通过Isight专业参数优化软件与Abaqus有限元分析软件联合仿真，以刚度曲线区域面积差的绝对值最小为优化目标，识别出摆臂橡胶衬套Mooney-Rivlin模型的参数C10和C01。在Isight中搭建的优化模型如图3所示。

根据经验公式，初拟C10、C01分别为0.6和0.15，最终优化的结果见图4、图5、图6。从图可知，经验参数对刚度的拟合存在较大的误差。同向刚度拟合最好，能达到97%的拟合相似度。同时优化拟合轴向、径向刚度时误差小于5%，满足工程需求。最终优化识别的Mooney-Rivlin模型C10、C01参数分别为0.375和0.101。

3 摆臂橡胶衬套的有限元分析

3.1 轮心载荷的采集

采用MSC车轮六分力测试系统对麦弗逊悬挂系统摆臂衬套变形大的颠簸路面进行了轮心六分力的采集，采集数据结果见图7所示。读取六分力载荷最大时刻的数值作为有限元系统模型的边界输入值。

3.2 带摆臂橡胶衬套的麦弗逊系统悬挂系统有限分析

搭建某车型的单边前麦弗逊悬挂有限元系统模型，摆臂橡胶衬套为6面体C3D20H橡胶杂交单元，并赋予Isight优化识别的橡胶衬套Mooney-Rivlin模型C10、C01参数。带摆臂衬套的前麦弗逊悬挂系统有限元模型如图8所示。约束与车身相连接的硬点，在轮心处施加颠簸路面采集的最大轮心载荷。衬套的开孔接触面上设置接触对，后处理中读取开孔接触面的接触压强，分析结果如图9所示。橡胶衬套的接触面处接触压强为15.8Mpa，切向应力为13.1Mpa，衬套受载变形严重，有极高的接触摩擦异响产生风险。

通过优化摆臂衬套的开口角度和胶料的起筋结构，重新按上述方法对摆臂橡胶衬套进行分析，分析应力云图如图10所示。橡胶衬套接触面处接触压强降为3.6Mpa，切向应力为2.4Mpa，衬套受载变形有极大的改善。

4 实验与验证

使用LMS SCADAS Mobile 72通道数采仪对整车以25Km/H的速度过颠簸路面采集麦弗逊前悬异常敲击振动信号，分别对摆臂前点、摆臂后点、转向节、减振器下点、Topmount点、转向器布置了振动加速度传感器。未优化的摆臂衬套结构前悬各点的振动加速度表现如图11所示。摆臂后点的振动信号响应最先发生，且幅值大于其他测点，表现出该点位置发生了异常的摩擦接触，车内有异响声，与有限元分析结果相同。摆臂后点更换优化后的摆臂衬套再进行相同条件的测试，更换前后振动加速度幅值对比如图12所示。从图知，更换优化后的摆臂衬套幅值有大幅的降低，Z向加速由21.5G下降到3.7G，降幅达到580%，优化后的衬套NVH性能表现优异，没有出现异常的接触异响，与有限元分析结果一致。

5 结论

本研究对某车型麦弗逊前悬摆臂橡胶衬套Mooney- Rivlin本构模型C10、C01参数优化识别，搭建前悬系统的摆臂衬套分析模型，施加实测六分力值，分析衬套开口方向的接触压强，对衬套变形挤压产生的NVH问题进行了预测，并提出改进方案。实车测试摆臂衬套的NVH表现情况，验证了有限元分析结果，主要得到以下结论：

（1）利用Isight优化软件联合Aabqus有限元分析软件，优化识别出橡胶衬套的Mooney-Rivlin本构模型的C10、C01参数分别为0.375和0.101。

（2）利用识别出的橡胶衬套本构模型，搭建带橡胶衬套的麦弗逊前悬系统有限元模型，使用实测的颠簸路六分力载荷，分析了衬套接触变形的接触压强，对衬套变形挤压产生的NVH问题进行了预测，并提出改进方案。

（3）通过72通道振动加速度数采仪实测了颠簸路的衬套NVH表现情况，验证了有限元分析结果的可靠性。

（4）本研究为橡胶衬套本构模型参数识别，橡胶衬套变形挤压摩擦产生NVH问题提供了可行的研究方法及基础数据。

参考文献

[1] 雷雨成，李峰.橡膠衬套刚度对悬挂系统影响的研究[J].上海汽车，2004（11）：30-34.

[2] Bernd Hei?ing， Metin Ersoy. Chassis Handbook[M].German， Merce -des Druck，2011：421-448.

[3] Park J， Guenther D A，Heydinger G J.Kinematic suspension model applicable to dynamic full vehicle simulation[C]//SAE Paper，2003- 01-0859.

[4] 张平，柴国钟，潘孝勇等.橡胶隔振器静态特性计算方法研究[J].振动、测试与诊断.2010，30（2）：105-110.

[5] 彭福泰，师国靖.衬套刚度对悬架运动学特性参数影响分析[J].汽车实用技术.2020，7：156-161.

[6] M.J.Garica Tarrago，L.Kari，J.Vinolas，N.Gil-Negrete.Frequence and Amplitude Dependence of the Axial and Radial Stiffness of Carbon- black Filled Rubber Bushings[J].Elsevier Ltd.，Polymer Testing 26 （2007），629-638.

[7] 张骑虎.基于衬套不完全刚度信息的材料参数识别及结构优化[D].重庆理工大学，2018.

[8] 张健.汽车悬架橡胶衬套半经验参数化模型研究[D].上海：同济大学中德学院，2008.