汽车前下摆臂球销防尘罩结构设计及仿真分析

桂 军

(青岛天赢汽车底盘研究所， 山东 青岛 266000)

汽车悬架系统前下摆臂球销防尘罩的主要作用是，在车辆行驶过程中，防止雨水、沙石、灰尘进入球销座，起到防尘密封的作用.前下摆臂球销防尘罩的开裂或破损会导致球销异常磨损，产生异响，长期磨损甚至会导致前下摆臂球销脱出，轮胎失去前下摆臂约束，在车辆高速行驶过程中发生脱落，危及人的生命安全[1].防尘罩主要由橡胶经过塑炼、混炼、压延、成型和硫化等基本工序制作而成.橡胶作为一种高分子非金属材料，力学性能参数与金属材料相差很大.国外学者最早通过对橡胶结构和材料配方进行大量的试验，得出不同的数学理论本构模型.伴随着计算机信息技术的发展，CAE技术应用到了橡胶材料研究中，将复杂的理论模型可视化和参数化[2].目前，国内主要是借鉴国外的理论和仿真经验进行研究，针对轮胎和橡胶悬置研究较多，高校科研院所理论研究多，结构应用设计方面涉及较少.李晓芳博士对橡胶材料的超弹性本构模型进行综述性研究[3].王国权教授团队针对转动轴防尘罩借助于Abaqus软件进行了有限元法适应性研究[4].而下摆臂球销防尘罩目前主要是借鉴国外车型进行逆向设计，相应的理论及仿真分析较少.前下摆臂球销防尘罩由于紧邻汽车轮胎，工作环境较为复杂恶劣，因此，需要跟随球销进行多自由度转动工作，避免运动过程中产生干涉磨损.本文主要针对某款新能源汽车悬架系统前下摆臂球销防尘罩橡胶本构模型及结构进行研究，借助Abaqus有限元软件进行相应的仿真分析，旨在降低产品开发成本，缩短设计和样件试制周期，为产品设计提供理论科学依据.

1 前下摆臂球销防尘罩装配结构

该新能源车型底盘前悬架系统选用了麦弗逊式独立悬架.该类型悬架具有结构简单、成本低、空间布置方便等特点[5].前悬架三维数模如图1所示.前下摆臂在悬架系统中起到了将轮胎转向节与副车架连接，进而与车身传递载荷的作用.球销总成装配简图如图2所示.球销总成处于前下摆臂与转向节连接的关键位置，以球铰接的方式进行连接.球销球杆在转向节臂中靠紧固螺销连接，球头在球销座中球铰接，球销座焊接于前下摆臂主体钣金上.而防尘罩位于转向节与球销座中间，对球销进行密封防尘，防尘罩随球销进行RX、RY、RZ三个自由度转动[6].

图1 前悬架三维数模Fig.1 Front suspension 3D model

图2 球销总成装配简图Fig.2 Ball pin assembly sketch

2 防尘罩结构及橡胶属性

原车防尘罩采用纺锥形设计，中间鼓起，两端缩口，上端与球销杆接触，下端与球销座接触.该种结构简单，具体见图3.

图3 原防尘罩结构Fig.3 Original dust cover structure

防尘罩采用氯丁橡胶(CR)为主要材料.其中氯丁橡胶的化学式为CH2CHCClCH2.该橡胶添加炭黑、硫化剂、混炼剂等多种添加剂，再经过多道工序加工后形成大分子网状结构，具有超弹性和不可压缩性，是一种非线性材料[7].超弹性非线性材料的力学分析，不能像具有线性应力应变曲线区间的金属材料仅需参考弹性模量和泊松比参数[8]，超弹性非线性材料需要借助连续介质力学理论，采用Mooney-Rivlin模型和Ogden模型推导出力学性能公式，得到材料本构模型的系数[9].

连续介质力学理论应变能可以分解为应变偏能量和体积应变能两部分，其多项式的形式为

(1)

式中：W表示应变能；Cij和Dk是材料常数，可以由相关材料实验确定；I1、I2、I3是第1、第2、第3与主伸长率相关的Green变形张量不变量[10].

(2)

I2=(λ1λ2)2+(λ2λ3)2+(λ3λ1)2，

(3)

I3=(λ1λ2λ3)2.

(4)

式中:λ1、λ2、λ3为主伸长比.

λi=1+εi，i=1,2,3.

(5)

当N=1、Dk=0(表示完全不可压缩)时，则是在橡胶超弹性力学研究中较为常见的Mooney-Rivlin本构模型

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

(6)

根据GB/T528—2009进行橡胶单轴拉伸力学特性试验，得到应力-应变关系数据曲线，如图4所示[11].

图4 应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curve

将应力-应变数据导入Abaqus，拟合得到Mooney-Rivlin本构模型材料系数为[12]：C10=0.521，C01=0.186，D1=0.

3 有限元仿真分析

3.1 前处理

主要研究防尘罩非线性大变形.防尘罩材质为橡胶，仅需要设置超弹性材料参数.选择Mooney-Rivlin本构模型，赋予上文中C10、C01、D1材料系数[13].因防尘罩结构较为复杂，选用8节点线性降阶积分混合单元C3D8RH，单元大小为0.5.相较于橡胶制品，球销总成中球销、球销座、卡簧、骨架及转向节臂为钢铁材质，弹性模量远大于橡胶材质，为加快运算速度，皆只保留约束和接触用面， 简化为离散型壳刚体.选用4节点双线性刚体四边形壳单元 R3D4， 为防止发生接触穿透，刚体单元大小>1.有限元模型简化为1/2三维旋转模型，如图5所示.

图5 简化的有限元模型Fig.5 Simplified finite element model

3.2 约束及后处理

球销座与防尘罩下端模拟卡簧建立绑定连接，并将球销座进行固定约束，防尘罩卡簧槽表面直接建立固定约束.转向节臂下表面与防尘罩顶端面建立接触，骨架与防尘罩建立绑定连接.防尘罩中部内外表面建立自接触，与底座潜在发生碰撞的面建立接触[14].为最真实模拟防尘罩在车辆行驶过程中的运动状态，第一步先对转向节臂刚体面施加下压载荷，将防尘罩下压8 mm;第二步为工作工况，在球销中心施加旋转载荷，使防尘罩转动25°，模拟车辆在转向、制动、加速时球销带动防尘罩的摆动.两步仿真与实际效果对比如图6、图7所示.两步仿真结果与实际样件运动效果接近，最大应力为1.829 MPa.第二步为工作工况下，防尘罩运动极限位置与前下摆臂主体钣金接触，发生了干涉，需进行相应结构优化.

图6 施加下压载荷时的仿真结果与实际效果对比Fig.6 Simulation results compared with the actual results when the downforce load is applied

图7 施加旋转载荷时的仿真结果与实际效果对比Fig.7 Simulation results compared with the actual results when the rotating load is applied

4 结构优化及仿真分析

在防尘罩与球销座、球销安装尺寸不变的前提下，主要针对防尘罩中部结构进行优化，由纺锥形变更为多段圆弧逐渐平滑过渡型曲线，上端壁厚增加，往下厚度逐渐减小，可以实现上端变形量相对于下端变形量小的效果，从而减少防尘罩整体的变形量，如图8所示.

采用与上文相同的前处理及接触约束方式对优化后的防尘罩进行有限元仿真，得到分析结果如图9、图10所示，最大应力为1.684 MPa，工作工况下， 即转动时未发生干涉.相对于优化前的防尘罩，优化后扭转刚度也得到提升，如图11所示.

图8 优化后结构图Fig.8 Optimized structure

图9 优化后施加下压载荷时的仿真结果与实际效果对比Fig.9 Simulation results compared with the actual results when the downforce load is applied after optimization

图10 优化后施加旋转载荷时的仿真结果与实际效果对比Fig.10 Simulation results compared with the actual results when the rotating load is applied after optimization

图11 扭转刚度曲线对比Fig.11 Torsional stiffness curve comparison

5 结 论

研究了在汽车行驶过程中因球销摆动导致防尘罩干涉磨损的问题.借助Abaqus有限元软件进行相应的仿真分析.通过拟合应力-应变数据得到本构模型系数，并对球销装配总成进行弹性体和刚体简化，能够快速和较为准确地模拟出橡胶防尘罩运动形态.对防尘罩本体进行结构优化后，避免了运动干涉的现象，与实际产品效果接近.在汽车前下摆臂球销防尘罩结构设计中，以上方法可以预先探测出防尘罩在运动过程中的失效和缺陷， 降低了产品模具开发和试制成本，缩短了设计和样件试制周期.由于主要是针对防尘罩本体结构运动的干涉进行研究，对裙边及唇口只进行了设计简化，将来需要对裙边及唇口的接触应力和密封效果进行深入研究.