張?jiān)苽b，楊燕勤，馮啟山

(1.上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電學(xué)院， 上海 201418；2.上海通用汽車有限公司， 上海 201206)

·研究與應(yīng)用·

汽車動(dòng)力總成液阻懸置橡膠主簧的研究

張?jiān)苽b1，楊燕勤1，馮啟山2

(1.上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電學(xué)院， 上海 201418；2.上海通用汽車有限公司， 上海 201206)

汽車動(dòng)力總成液阻懸置經(jīng)常受到發(fā)動(dòng)機(jī)與路面雙向的頻變和幅變的的作用。橡膠主簧對液阻懸置在復(fù)雜工況下的性能有著重要的影響，為了研究橡膠主簧的減振性能，利用有限元方法與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，根據(jù)工作條件選取相應(yīng)的本構(gòu)模型，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比來獲得減振橡膠材料在動(dòng)態(tài)條件下的性能，得到了理論與試驗(yàn)基本一致的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。該研究方法為工業(yè)中各種減振隔振橡膠材料有限元分析提供了基礎(chǔ)理論，為汽車動(dòng)力總成懸置設(shè)計(jì)提供一種有效的研究方法。

液阻懸置； 振動(dòng)； 橡膠； 本構(gòu)模型

Abstract：The automobile powertrain hydraulic mount is often affected from the engine and the road because of inputing the different frequency and amplitude of engine and road.It is very important to study rubber spring performance which it influenced the work of hydraulic mount.It is combined with the method of using the finite element method and test according to the working conditions to study the damping performance of rubber spring.The appropriate constitutive model is selected.And the data is comparied between finite element mothod and test in fact.The theory and experiment data is almost the same.The research provides a theoretical basis for automobile power mount.It is an effective research method for the industry vibration and isolation rubber material.

Keywords：hydralic mount； vibration； rubber； constitutive model

0 前言

汽車動(dòng)力總成液阻懸置支撐汽車發(fā)動(dòng)機(jī)并起到雙向隔振的作用，其橡膠主簧具有良好的彈性且容易變形。其性能對懸置的剛度與阻尼都有影響。橡膠作為一種重要的工程材料，它具有消音、隔振和緩沖性能，并且能耐一定的溫度、性能穩(wěn)定、制造方便、易于和金屬聯(lián)結(jié)在一起。橡膠主簧是利用動(dòng)態(tài)粘彈性中的力學(xué)損耗進(jìn)行減振，因此減振橡膠動(dòng)態(tài)粘彈性本構(gòu)模型的建立非常必要。與金屬的特性不同的是，橡膠材料特性和幾何特性都是呈非線性的，橡膠本構(gòu)模型對分析其動(dòng)態(tài)特性具有重要影響。而且橡膠材料受溫度、周圍介質(zhì)、應(yīng)變歷史、加載幅值、載荷的頻率和應(yīng)變量大小等因素的影響十分敏感，橡膠的疲勞特性也就變得更加復(fù)雜[1]。

1 橡膠粘彈性本構(gòu)模型

橡膠內(nèi)的分子因摩擦而產(chǎn)生的衰減特性是減振橡膠材料的主要特性，內(nèi)部摩擦導(dǎo)致橡膠迅速升溫，而為了消除高頻振動(dòng)，必須依賴橡膠內(nèi)部摩擦進(jìn)行減振。隨著材料的阻尼增大，消耗的能量也增大，增大的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。橡膠是不良導(dǎo)體，熱能使溫度升高，剛度下降，耐久性降低[2]。盡量減少高頻振動(dòng)和溫度對材料的影響要建立在本構(gòu)模型中，應(yīng)該加入溫度修正量。

實(shí)際有限元軟件對橡膠基本使用5種橡膠本構(gòu)模型，包括Neo-Hookean模型，ogden模型，Mooney-Rivlin模型，Sussman-Bathe模型和Arruda-Boyce模型[3-4]。以連續(xù)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)典型的多項(xiàng)式超彈性材料有如下形式：

(1)

式(1)中

(2)

(3)

(4)

當(dāng)n=1時(shí)，僅保留第一項(xiàng)是Neo-Hookean模型

W=C10(I1-3)

(5)

保留兩項(xiàng)是Mooney-Rivlin形式本構(gòu)模型

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(6)

當(dāng)n=3時(shí)，是Yeoh本構(gòu)模型

W=C10(I1-3)+C20(I2-3)2+C30(I3-3)3

(7)

若以三個(gè)主伸長量λ1、λ2和λ3為變量可以得到ogden模型

(8)

式(8)中，μp、αp和n是材料參數(shù)。

另外一種是基于熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)理論的Arruda-Boyce模型,Arruda-Boyce表達(dá)方式如下：

(9)

式(9)中，μ=G0作為初始剪切模量，λm是有限的網(wǎng)格拉伸量，D=2/K0是不可壓縮參數(shù)，Je是彈性體積比率。

(10)

式(10)中，Jth是熱彈性比率，J是總的彈性比率。

2 動(dòng)力總成液阻懸置橡膠主簧的有限元模型建立

圖1為橡膠主簧結(jié)構(gòu)剖面圖。該橡膠主簧主要由三種材料組成：橡膠部分具有液阻懸置的性能和支撐發(fā)動(dòng)機(jī)作用，鋼環(huán)環(huán)繞橡膠部分且使橡膠結(jié)構(gòu)保持剛性；鑄鋁提供一種連接發(fā)動(dòng)機(jī)和懸置的連接功能。為了防止鋁結(jié)構(gòu)由于橡膠變形而嵌入橡膠內(nèi)，設(shè)置鋁結(jié)構(gòu)和橡膠部分為接觸邊界條件。根據(jù)實(shí)際工作條件和橡膠硫化的情況，進(jìn)行了載荷和約束的設(shè)置，使不同的結(jié)構(gòu)材料能夠很好連接在一起。橡膠主簧有限元模型采用三維實(shí)體單元，具有9 021個(gè)節(jié)點(diǎn)和8 000個(gè)單元，如圖2(a)所示。根據(jù)實(shí)際工況，本文計(jì)算采用的本構(gòu)模型是Mooney-Rivlion材料模型2階多項(xiàng)式，計(jì)算中取值為C10=0.296 9 MPa，C01=0.058 4 MPa[5]。

模型設(shè)置在有限元網(wǎng)格B面一個(gè)集中點(diǎn)P與B面關(guān)聯(lián)，表示P與B面具有相同的垂直位移。給P點(diǎn)一個(gè)向下5 mm的位移，邊界約束條件如圖2(b)所示，A面與金屬硫化接觸面全約束，B面在X和Y向固定約束，Z向自由。計(jì)算出P點(diǎn)的支反力，然后與位移相除，就可以得到當(dāng)前位移狀態(tài)下的剛度值。如此多次改變P點(diǎn)位移，得到相應(yīng)支反力，可以繪制出靜態(tài)剛度曲線，同時(shí)與橡膠主簧垂直方向靜態(tài)力—位移試驗(yàn)測試曲線和有限元計(jì)算結(jié)果做對比。通過試驗(yàn)來檢測理論模型是否正確是現(xiàn)在普遍的研究方法[6]。

圖1 橡膠主簧結(jié)構(gòu)剖面圖

(a) 網(wǎng)格

(b) 約束邊界

3 橡膠主簧試驗(yàn)分析

為了對比分析有限元模型建立的準(zhǔn)確性，對產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)。從車間抽取兩個(gè)樣件，如圖3所示，并對其進(jìn)行編號。然后加工成如圖4剖面圖所示的形狀。因?yàn)橹饕菍ο鹉z主簧性能進(jìn)行測試，所以切除其他干擾部件。試驗(yàn)時(shí)，液阻懸置與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的一端與激振器的作動(dòng)頭端相連，與車架相連的一端固定于振動(dòng)臺上，在振動(dòng)臺的作動(dòng)頭端與固定端均安裝力傳感器，試驗(yàn)裝置采用寧波拓普公司進(jìn)口設(shè)備MTS 831彈性體試驗(yàn)臺，如圖5所示。對兩個(gè)懸置進(jìn)行了Z方向靜態(tài)剛度測試，測試結(jié)果如圖6所示，圖6中縱坐標(biāo)F代表橡膠主簧垂直方向力的大小。

圖3 試驗(yàn)樣品

圖4 試驗(yàn)樣品的剖面示意圖

圖5 MTS 831彈性體試驗(yàn)臺

圖6 樣品沿Z方向測試的靜態(tài)剛度

4 結(jié)論

本文討論了減振橡膠幾種典型的本構(gòu)模型，并且根據(jù)實(shí)際情況選取了合適的本構(gòu)模型對汽車動(dòng)力總成液阻懸置的橡膠主簧進(jìn)行了計(jì)算和試驗(yàn)研究。從圖7中可以看出，試驗(yàn)曲線與位移有限元仿真曲線有較好的一致性，因此所建立的有限元模型可以用來仿真橡膠的力學(xué)特性。橡膠本構(gòu)模型的精確選擇也可以精確地獲得橡膠的疲勞特性，為以后的橡膠疲勞特性分析奠定了基礎(chǔ)研究。有限元模型分析在位移小于7 mm范圍內(nèi)獲得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。當(dāng)位移大于7 mm時(shí)應(yīng)該采用其他的橡膠粘彈性模型。采用有限元分析法可以減少廠家試驗(yàn)次數(shù)和試驗(yàn)成本，為減振橡膠材料的工程分析奠定了良好的理論和研究基礎(chǔ)。

圖7 橡膠主簧垂直方向靜態(tài)力—位移曲線

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ResearchontheCharacteristicsoftheRubberSpringintheHydraulicMountofAutomobilePowertrain

ZHANGYun-xia1,YANGYan-qin1,FENGQi-shan2

(1.The College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 201418,China； 2.Shanghai General Motors Co.Ltd.,Shanghai 201206,China)

TQ 336

A

1009-5993(2017)03-0009-04

2017-04-01)

上海市教委創(chuàng)新項(xiàng)目(12YZ075)。

張?jiān)苽b(1975—)，女，工學(xué)博士，副教授，主要從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與噪聲研究工作。