汽车动力总成液阻悬置橡胶主簧的研究

张云侠，杨燕勤，冯启山

(1.上海师范大学 信息与机电学院， 上海 201418；2.上海通用汽车有限公司， 上海 201206)

·研究与应用·

汽车动力总成液阻悬置橡胶主簧的研究

张云侠1，杨燕勤1，冯启山2

(1.上海师范大学 信息与机电学院， 上海 201418；2.上海通用汽车有限公司， 上海 201206)

汽车动力总成液阻悬置经常受到发动机与路面双向的频变和幅变的的作用。橡胶主簧对液阻悬置在复杂工况下的性能有着重要的影响，为了研究橡胶主簧的减振性能，利用有限元方法与试验相结合的方法，根据工作条件选取相应的本构模型，与试验数据对比来获得减振橡胶材料在动态条件下的性能，得到了理论与试验基本一致的应力应变数据。该研究方法为工业中各种减振隔振橡胶材料有限元分析提供了基础理论，为汽车动力总成悬置设计提供一种有效的研究方法。

液阻悬置； 振动； 橡胶； 本构模型

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

汽车动力总成液阻悬置支撑汽车发动机并起到双向隔振的作用，其橡胶主簧具有良好的弹性且容易变形。其性能对悬置的刚度与阻尼都有影响。橡胶作为一种重要的工程材料，它具有消音、隔振和缓冲性能，并且能耐一定的温度、性能稳定、制造方便、易于和金属联结在一起。橡胶主簧是利用动态粘弹性中的力学损耗进行减振，因此减振橡胶动态粘弹性本构模型的建立非常必要。与金属的特性不同的是，橡胶材料特性和几何特性都是呈非线性的，橡胶本构模型对分析其动态特性具有重要影响。而且橡胶材料受温度、周围介质、应变历史、加载幅值、载荷的频率和应变量大小等因素的影响十分敏感，橡胶的疲劳特性也就变得更加复杂[1]。

1 橡胶粘弹性本构模型

橡胶内的分子因摩擦而产生的衰减特性是减振橡胶材料的主要特性，内部摩擦导致橡胶迅速升温，而为了消除高频振动，必须依赖橡胶内部摩擦进行减振。随着材料的阻尼增大，消耗的能量也增大，增大的能量转变为热能。橡胶是不良导体，热能使温度升高，刚度下降，耐久性降低[2]。尽量减少高频振动和温度对材料的影响要建立在本构模型中，应该加入温度修正量。

实际有限元软件对橡胶基本使用5种橡胶本构模型，包括Neo-Hookean模型，ogden模型，Mooney-Rivlin模型，Sussman-Bathe模型和Arruda-Boyce模型[3-4]。以连续介质理论为基础典型的多项式超弹性材料有如下形式：

(1)

式(1)中

(2)

(3)

(4)

当n=1时，仅保留第一项是Neo-Hookean模型

W=C10(I1-3)

(5)

保留两项是Mooney-Rivlin形式本构模型

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

(6)

当n=3时，是Yeoh本构模型

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

(7)

若以三个主伸长量λ1、λ2和λ3为变量可以得到ogden模型

(8)

式(8)中，μp、αp和n是材料参数。

另外一种是基于热力学统计理论的Arruda-Boyce模型,Arruda-Boyce表达方式如下：

(9)

式(9)中，μ=G0作为初始剪切模量，λm是有限的网格拉伸量，D=2/K0是不可压缩参数，Je是弹性体积比率。

(10)

式(10)中，Jth是热弹性比率，J是总的弹性比率。

2 动力总成液阻悬置橡胶主簧的有限元模型建立

图1为橡胶主簧结构剖面图。该橡胶主簧主要由三种材料组成：橡胶部分具有液阻悬置的性能和支撑发动机作用，钢环环绕橡胶部分且使橡胶结构保持刚性；铸铝提供一种连接发动机和悬置的连接功能。为了防止铝结构由于橡胶变形而嵌入橡胶内，设置铝结构和橡胶部分为接触边界条件。根据实际工作条件和橡胶硫化的情况，进行了载荷和约束的设置，使不同的结构材料能够很好连接在一起。橡胶主簧有限元模型采用三维实体单元，具有9 021个节点和8 000个单元，如图2(a)所示。根据实际工况，本文计算采用的本构模型是Mooney-Rivlion材料模型2阶多项式，计算中取值为C10=0.296 9 MPa，C01=0.058 4 MPa[5]。

模型设置在有限元网格B面一个集中点P与B面关联，表示P与B面具有相同的垂直位移。给P点一个向下5 mm的位移，边界约束条件如图2(b)所示，A面与金属硫化接触面全约束，B面在X和Y向固定约束，Z向自由。计算出P点的支反力，然后与位移相除，就可以得到当前位移状态下的刚度值。如此多次改变P点位移，得到相应支反力，可以绘制出静态刚度曲线，同时与橡胶主簧垂直方向静态力—位移试验测试曲线和有限元计算结果做对比。通过试验来检测理论模型是否正确是现在普遍的研究方法[6]。

图1 橡胶主簧结构剖面图

(a) 网格

(b) 约束边界

3 橡胶主簧试验分析

为了对比分析有限元模型建立的准确性，对产品进行试验。从车间抽取两个样件，如图3所示，并对其进行编号。然后加工成如图4剖面图所示的形状。因为主要是对橡胶主簧性能进行测试，所以切除其他干扰部件。试验时，液阻悬置与发动机相连的一端与激振器的作动头端相连，与车架相连的一端固定于振动台上，在振动台的作动头端与固定端均安装力传感器，试验装置采用宁波拓普公司进口设备MTS 831弹性体试验台，如图5所示。对两个悬置进行了Z方向静态刚度测试，测试结果如图6所示，图6中纵坐标F代表橡胶主簧垂直方向力的大小。

图3 试验样品

图4 试验样品的剖面示意图

图5 MTS 831弹性体试验台

图6 样品沿Z方向测试的静态刚度

4 结论

本文讨论了减振橡胶几种典型的本构模型，并且根据实际情况选取了合适的本构模型对汽车动力总成液阻悬置的橡胶主簧进行了计算和试验研究。从图7中可以看出，试验曲线与位移有限元仿真曲线有较好的一致性，因此所建立的有限元模型可以用来仿真橡胶的力学特性。橡胶本构模型的精确选择也可以精确地获得橡胶的疲劳特性，为以后的橡胶疲劳特性分析奠定了基础研究。有限元模型分析在位移小于7 mm范围内获得结果与试验结果基本一致。当位移大于7 mm时应该采用其他的橡胶粘弹性模型。采用有限元分析法可以减少厂家试验次数和试验成本，为减振橡胶材料的工程分析奠定了良好的理论和研究基础。

图7 橡胶主簧垂直方向静态力—位移曲线

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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)

上海市教委创新项目(12YZ075)。

张云侠(1975—)，女，工学博士，副教授，主要从事汽车发动机振动与噪声研究工作。