李先洲，馬國(guó)冰，郭杰亮

（廣汽乘用車有限公司，廣東 廣州 511434）

引言

汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)是指動(dòng)力總成（發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器及附件等）與車架或車身之間彈性連接的系統(tǒng)。從機(jī)械振動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)看，汽車動(dòng)力總成既是一個(gè)激振源又是一個(gè)需要隔離振動(dòng)的受振對(duì)象，因而動(dòng)力總成懸置的性能要求很高，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)應(yīng)滿足固定和支撐動(dòng)力總成，承受動(dòng)力總成內(nèi)部因發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)和平移質(zhì)量產(chǎn)生的往復(fù)慣性力及力矩等多種要求[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的主要作用，是把發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在整車上，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的位移，并吸收發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)[2]。對(duì)于懸置系統(tǒng)而言，其疲勞性能的好壞對(duì)整車性能影響極大。橡膠懸置的疲勞破壞形式以橡膠主簧失效居多，因此橡膠主簧的疲勞對(duì)整個(gè)懸置系統(tǒng)的壽命起著決定性的作用。隨著有限元技術(shù)的不斷成熟，用有限元法來(lái)分析橡膠材料的疲勞破壞被廣泛采用。某動(dòng)力總成懸置在耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)橡膠主簧斷裂現(xiàn)象，如圖1 所示。此懸置要求在特定的工況下，2 640個(gè)試驗(yàn)循環(huán)內(nèi)，橡膠主簧不出現(xiàn)裂紋，實(shí)際試驗(yàn)在進(jìn)行14%時(shí)，出現(xiàn)橡膠主簧開(kāi)裂，隨著裂紋擴(kuò)展而斷裂、漏液失效。

圖1 懸置橡膠開(kāi)裂部位圖

1 主簧橡膠開(kāi)裂分析

造成主簧橡膠開(kāi)裂的因素一般為懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的技術(shù)方案是否合理、橡膠材料的硬度、主簧橡膠承受的載荷和橡膠主簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)具有支撐動(dòng)力總成的重量和限位等作用，它的主要作用就是隔振，盡可能少地將發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)傳遞到車身上，懸置系統(tǒng)解耦度的高低是評(píng)價(jià)汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)有6個(gè)自由度，對(duì)應(yīng)的有6個(gè)模態(tài)。在某個(gè)模態(tài)頻率下，如果有兩種或兩種以上的運(yùn)動(dòng)形式，那么這種多模態(tài)并存的情況就稱為模態(tài)耦合。解耦懸置系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要使系統(tǒng)的6個(gè)模態(tài)振型盡可能解耦，側(cè)傾模態(tài)和上下跳動(dòng)模態(tài)一般要求解耦度達(dá)到90%以上[2]，該懸置系統(tǒng)理論分析解耦率結(jié)果如下表1。

表1 懸置理論設(shè)計(jì)解耦率

通過(guò)理論計(jì)算解耦率，滿足動(dòng)總的解耦要求，排除懸置系統(tǒng)解耦理論設(shè)計(jì)錯(cuò)誤這一因素。

現(xiàn)在懸置材料基本采用共混膠替代以前單一橡膠材料。共混膠的耐老化性能、壓縮性能和耐溫性能有所提高，其耐溫達(dá)100 ℃，并有耐臭氧性能。橡膠材料的配方和橡膠硫化工藝基本決定了橡膠的硬度，橡膠硬度是影響耐久性的關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該橡膠配方與其他成熟量產(chǎn)車型一致，皆為成熟的配方材料，所選配方的橡膠硬度為50度，主簧橡膠硬度太低，懸置剛度不能滿足要求，該橡膠配方在其他車型已有成熟應(yīng)用，而且也通過(guò)了臺(tái)架耐久測(cè)試，可見(jiàn)橡膠硬度不是影響該車型耐久開(kāi)裂的主因。

懸置承受的載荷大小可通過(guò)力傳感器測(cè)量，通過(guò)實(shí)車載荷測(cè)量，發(fā)現(xiàn)車輛在靜態(tài)時(shí)左懸置存在278 N預(yù)載，右懸置存在250 N預(yù)載，理論上車輛靜態(tài)時(shí)的Y向預(yù)載荷為0，已有學(xué)者進(jìn)行過(guò)車輛靜態(tài)時(shí)懸置預(yù)載荷的測(cè)量和研究，發(fā)現(xiàn)車輛靜態(tài)時(shí)，X和Y向載荷一般不會(huì)超過(guò)10 N[3]；而且目前實(shí)車右懸置Y向載荷比Z 向載荷還要大，懸置Z向是載荷主方向，正常情況下Z 方向的載荷應(yīng)該最大，現(xiàn)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2，發(fā)現(xiàn)Y+向載荷最大。

表2 懸置載荷測(cè)量結(jié)果

正常狀態(tài)下，懸置系統(tǒng)Z向上下振動(dòng)載荷為最大載荷；X向?yàn)檐囕v制動(dòng)和加速時(shí)的載荷；Y向載荷為車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，動(dòng)總左右擺動(dòng)而產(chǎn)生的載荷，經(jīng)實(shí)車點(diǎn)云掃描動(dòng)總的位置和動(dòng)總3D數(shù)模比對(duì)，發(fā)現(xiàn)造成Y向靜態(tài)載荷大的原因是車身上懸置Y固定位置超差2～3 mm，造成懸置靜態(tài)拉扯量太大而產(chǎn)生過(guò)大預(yù)載荷；動(dòng)態(tài)載荷大的原因是動(dòng)總與懸置配合的Y向位移偏大，通過(guò)載荷譜發(fā)現(xiàn)動(dòng)總Y向位移最大達(dá)12 mm，超出了設(shè)計(jì)最大要求9 mm；將懸置Y向限位位移縮小2 mm后再次測(cè)量載荷，可以發(fā)現(xiàn)－Y向載荷明顯減小，而且遠(yuǎn)小于Z向載荷[4]。結(jié)果如下表3：

表3 改善后懸置載荷測(cè)量結(jié)果 單位：N

另外，主簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理、是否存在應(yīng)力集中也是影響橡膠疲勞強(qiáng)度的因素之一，主簧橡膠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可通過(guò)CAE仿真分析應(yīng)變來(lái)評(píng)估，通過(guò)幾種設(shè)計(jì)方案的主應(yīng)變的對(duì)比，來(lái)評(píng)估現(xiàn)有主簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。通過(guò)CAE應(yīng)變分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的最大主應(yīng)變，可評(píng)估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)化程度。通過(guò)對(duì)比幾種結(jié)構(gòu)的CAE 分析結(jié)果，選最優(yōu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行臺(tái)架耐久測(cè)試，改善前后的結(jié)構(gòu)對(duì)比見(jiàn)下圖2。

圖2 主簧橡膠改善前后對(duì)比圖

同時(shí)將該新?tīng)顟B(tài)的液壓懸置裝車進(jìn)行高強(qiáng)耐久、綜合耐久和四立柱耐久，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的零件測(cè)試均未發(fā)現(xiàn)液壓懸置開(kāi)裂漏夜，通過(guò)了整車耐久測(cè)試。

2 解決措施

通過(guò)動(dòng)總動(dòng)力學(xué)仿真分析和主簧結(jié)構(gòu)CAE應(yīng)變理論分析，決定將右懸置Y向軟限位位移減小2 mm，將左懸置的Y向軟限位位移減小2.5 mm，同時(shí)將主簧開(kāi)裂部位的橡膠加厚3 mm，重新生產(chǎn)樣件，進(jìn)行臺(tái)架和整車耐久試驗(yàn)，均通過(guò)了耐久試驗(yàn)，目前該車型已成功上市發(fā)布。

3 結(jié)論

懸置主簧疲勞耐久開(kāi)裂與載荷存在很大關(guān)系，上下振動(dòng)的Z方向?yàn)橹鬏d荷方向，也是載荷最大的方向，如Y和X方向載荷大于Z向載荷，說(shuō)明懸置被嚴(yán)重拉扯，動(dòng)總在車上上的姿態(tài)需要矯正。而解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于通過(guò)載荷測(cè)量明確哪個(gè)方向上的載荷是造成橡膠開(kāi)裂的原因，然后查明實(shí)際載荷大于理論載荷的原因，一方面降低試驗(yàn)時(shí)的異常載荷，一方面優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可提高懸置橡膠的耐久可靠性。而懸置的售后耐久開(kāi)裂，除與載荷有關(guān)外，還需調(diào)查橡膠的耐熱疲勞老化和抗蠕變性能，涉及到調(diào)整橡膠配方的問(wèn)題，采用耐熱老化橡膠可降低售后熱疲勞開(kāi)裂漏夜比例。