桂 軍

(青島天贏汽車底盤研究所， 山東 青島 266000)

汽車懸架系統(tǒng)前下擺臂球銷防塵罩的主要作用是，在車輛行駛過(guò)程中，防止雨水、沙石、灰塵進(jìn)入球銷座，起到防塵密封的作用.前下擺臂球銷防塵罩的開裂或破損會(huì)導(dǎo)致球銷異常磨損，產(chǎn)生異響，長(zhǎng)期磨損甚至?xí)?dǎo)致前下擺臂球銷脫出，輪胎失去前下擺臂約束，在車輛高速行駛過(guò)程中發(fā)生脫落，危及人的生命安全[1].防塵罩主要由橡膠經(jīng)過(guò)塑煉、混煉、壓延、成型和硫化等基本工序制作而成.橡膠作為一種高分子非金屬材料，力學(xué)性能參數(shù)與金屬材料相差很大.國(guó)外學(xué)者最早通過(guò)對(duì)橡膠結(jié)構(gòu)和材料配方進(jìn)行大量的試驗(yàn)，得出不同的數(shù)學(xué)理論本構(gòu)模型.伴隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，CAE技術(shù)應(yīng)用到了橡膠材料研究中，將復(fù)雜的理論模型可視化和參數(shù)化[2].目前，國(guó)內(nèi)主要是借鑒國(guó)外的理論和仿真經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行研究，針對(duì)輪胎和橡膠懸置研究較多，高?？蒲性核碚撗芯慷?，結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計(jì)方面涉及較少.李曉芳博士對(duì)橡膠材料的超彈性本構(gòu)模型進(jìn)行綜述性研究[3].王國(guó)權(quán)教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸防塵罩借助于Abaqus軟件進(jìn)行了有限元法適應(yīng)性研究[4].而下擺臂球銷防塵罩目前主要是借鑒國(guó)外車型進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，相應(yīng)的理論及仿真分析較少.前下擺臂球銷防塵罩由于緊鄰汽車輪胎，工作環(huán)境較為復(fù)雜惡劣，因此，需要跟隨球銷進(jìn)行多自由度轉(zhuǎn)動(dòng)工作，避免運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生干涉磨損.本文主要針對(duì)某款新能源汽車懸架系統(tǒng)前下擺臂球銷防塵罩橡膠本構(gòu)模型及結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，借助Abaqus有限元軟件進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析，旨在降低產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短設(shè)計(jì)和樣件試制周期，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供理論科學(xué)依據(jù).

1 前下擺臂球銷防塵罩裝配結(jié)構(gòu)

該新能源車型底盤前懸架系統(tǒng)選用了麥弗遜式獨(dú)立懸架.該類型懸架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、空間布置方便等特點(diǎn)[5].前懸架三維數(shù)模如圖1所示.前下擺臂在懸架系統(tǒng)中起到了將輪胎轉(zhuǎn)向節(jié)與副車架連接，進(jìn)而與車身傳遞載荷的作用.球銷總成裝配簡(jiǎn)圖如圖2所示.球銷總成處于前下擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接的關(guān)鍵位置，以球鉸接的方式進(jìn)行連接.球銷球桿在轉(zhuǎn)向節(jié)臂中靠緊固螺銷連接，球頭在球銷座中球鉸接，球銷座焊接于前下擺臂主體鈑金上.而防塵罩位于轉(zhuǎn)向節(jié)與球銷座中間，對(duì)球銷進(jìn)行密封防塵，防塵罩隨球銷進(jìn)行RX、RY、RZ三個(gè)自由度轉(zhuǎn)動(dòng)[6].

圖1 前懸架三維數(shù)模Fig.1 Front suspension 3D model

圖2 球銷總成裝配簡(jiǎn)圖Fig.2 Ball pin assembly sketch

2 防塵罩結(jié)構(gòu)及橡膠屬性

原車防塵罩采用紡錐形設(shè)計(jì)，中間鼓起，兩端縮口，上端與球銷桿接觸，下端與球銷座接觸.該種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具體見圖3.

圖3 原防塵罩結(jié)構(gòu)Fig.3 Original dust cover structure

防塵罩采用氯丁橡膠(CR)為主要材料.其中氯丁橡膠的化學(xué)式為CH2CHCClCH2.該橡膠添加炭黑、硫化劑、混煉劑等多種添加劑，再經(jīng)過(guò)多道工序加工后形成大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有超彈性和不可壓縮性，是一種非線性材料[7].超彈性非線性材料的力學(xué)分析，不能像具有線性應(yīng)力應(yīng)變曲線區(qū)間的金屬材料僅需參考彈性模量和泊松比參數(shù)[8]，超彈性非線性材料需要借助連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，采用Mooney-Rivlin模型和Ogden模型推導(dǎo)出力學(xué)性能公式，得到材料本構(gòu)模型的系數(shù)[9].

連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論應(yīng)變能可以分解為應(yīng)變偏能量和體積應(yīng)變能兩部分，其多項(xiàng)式的形式為

(1)

式中：W表示應(yīng)變能；Cij和Dk是材料常數(shù)，可以由相關(guān)材料實(shí)驗(yàn)確定；I1、I2、I3是第1、第2、第3與主伸長(zhǎng)率相關(guān)的Green變形張量不變量[10].

(2)

I2=(λ1λ2)2+(λ2λ3)2+(λ3λ1)2，

(3)

I3=(λ1λ2λ3)2.

(4)

式中:λ1、λ2、λ3為主伸長(zhǎng)比.

λi=1+εi，i=1,2,3.

(5)

當(dāng)N=1、Dk=0(表示完全不可壓縮)時(shí)，則是在橡膠超彈性力學(xué)研究中較為常見的Mooney-Rivlin本構(gòu)模型

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

(6)

根據(jù)GB/T528—2009進(jìn)行橡膠單軸拉伸力學(xué)特性試驗(yàn)，得到應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)曲線，如圖4所示[11].

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve

將應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)導(dǎo)入Abaqus，擬合得到Mooney-Rivlin本構(gòu)模型材料系數(shù)為[12]：C10=0.521，C01=0.186，D1=0.

3 有限元仿真分析

3.1 前處理

主要研究防塵罩非線性大變形.防塵罩材質(zhì)為橡膠，僅需要設(shè)置超彈性材料參數(shù).選擇Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，賦予上文中C10、C01、D1材料系數(shù)[13].因防塵罩結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，選用8節(jié)點(diǎn)線性降階積分混合單元C3D8RH，單元大小為0.5.相較于橡膠制品，球銷總成中球銷、球銷座、卡簧、骨架及轉(zhuǎn)向節(jié)臂為鋼鐵材質(zhì)，彈性模量遠(yuǎn)大于橡膠材質(zhì)，為加快運(yùn)算速度，皆只保留約束和接觸用面， 簡(jiǎn)化為離散型殼剛體.選用4節(jié)點(diǎn)雙線性剛體四邊形殼單元 R3D4， 為防止發(fā)生接觸穿透，剛體單元大小>1.有限元模型簡(jiǎn)化為1/2三維旋轉(zhuǎn)模型，如圖5所示.

圖5 簡(jiǎn)化的有限元模型Fig.5 Simplified finite element model

3.2 約束及后處理

球銷座與防塵罩下端模擬卡簧建立綁定連接，并將球銷座進(jìn)行固定約束，防塵罩卡簧槽表面直接建立固定約束.轉(zhuǎn)向節(jié)臂下表面與防塵罩頂端面建立接觸，骨架與防塵罩建立綁定連接.防塵罩中部?jī)?nèi)外表面建立自接觸，與底座潛在發(fā)生碰撞的面建立接觸[14].為最真實(shí)模擬防塵罩在車輛行駛過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，第一步先對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂剛體面施加下壓載荷，將防塵罩下壓8 mm;第二步為工作工況，在球銷中心施加旋轉(zhuǎn)載荷，使防塵罩轉(zhuǎn)動(dòng)25°，模擬車輛在轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、加速時(shí)球銷帶動(dòng)防塵罩的擺動(dòng).兩步仿真與實(shí)際效果對(duì)比如圖6、圖7所示.兩步仿真結(jié)果與實(shí)際樣件運(yùn)動(dòng)效果接近，最大應(yīng)力為1.829 MPa.第二步為工作工況下，防塵罩運(yùn)動(dòng)極限位置與前下擺臂主體鈑金接觸，發(fā)生了干涉，需進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化.

圖6 施加下壓載荷時(shí)的仿真結(jié)果與實(shí)際效果對(duì)比Fig.6 Simulation results compared with the actual results when the downforce load is applied

圖7 施加旋轉(zhuǎn)載荷時(shí)的仿真結(jié)果與實(shí)際效果對(duì)比Fig.7 Simulation results compared with the actual results when the rotating load is applied

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析

在防塵罩與球銷座、球銷安裝尺寸不變的前提下，主要針對(duì)防塵罩中部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，由紡錐形變更為多段圓弧逐漸平滑過(guò)渡型曲線，上端壁厚增加，往下厚度逐漸減小，可以實(shí)現(xiàn)上端變形量相對(duì)于下端變形量小的效果，從而減少防塵罩整體的變形量，如圖8所示.

采用與上文相同的前處理及接觸約束方式對(duì)優(yōu)化后的防塵罩進(jìn)行有限元仿真，得到分析結(jié)果如圖9、圖10所示，最大應(yīng)力為1.684 MPa，工作工況下， 即轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)未發(fā)生干涉.相對(duì)于優(yōu)化前的防塵罩，優(yōu)化后扭轉(zhuǎn)剛度也得到提升，如圖11所示.

圖8 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Optimized structure

圖9 優(yōu)化后施加下壓載荷時(shí)的仿真結(jié)果與實(shí)際效果對(duì)比Fig.9 Simulation results compared with the actual results when the downforce load is applied after optimization

圖10 優(yōu)化后施加旋轉(zhuǎn)載荷時(shí)的仿真結(jié)果與實(shí)際效果對(duì)比Fig.10 Simulation results compared with the actual results when the rotating load is applied after optimization

圖11 扭轉(zhuǎn)剛度曲線對(duì)比Fig.11 Torsional stiffness curve comparison

5 結(jié) 論

研究了在汽車行駛過(guò)程中因球銷擺動(dòng)導(dǎo)致防塵罩干涉磨損的問(wèn)題.借助Abaqus有限元軟件進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析.通過(guò)擬合應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)得到本構(gòu)模型系數(shù)，并對(duì)球銷裝配總成進(jìn)行彈性體和剛體簡(jiǎn)化，能夠快速和較為準(zhǔn)確地模擬出橡膠防塵罩運(yùn)動(dòng)形態(tài).對(duì)防塵罩本體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，避免了運(yùn)動(dòng)干涉的現(xiàn)象，與實(shí)際產(chǎn)品效果接近.在汽車前下擺臂球銷防塵罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，以上方法可以預(yù)先探測(cè)出防塵罩在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的失效和缺陷， 降低了產(chǎn)品模具開發(fā)和試制成本，縮短了設(shè)計(jì)和樣件試制周期.由于主要是針對(duì)防塵罩本體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的干涉進(jìn)行研究，對(duì)裙邊及唇口只進(jìn)行了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，將來(lái)需要對(duì)裙邊及唇口的接觸應(yīng)力和密封效果進(jìn)行深入研究.