添加橡胶块对橡胶衬套动刚度的影响研究.pdf

车辆与动力技术2023年第2 期Vehicle&Power Technology文章编号：10 0 9-46 8 7(2 0 2 3)0 2-0 0 2 0-0 4总第17 0 期添加橡胶块对橡胶衬套动刚度的影响研究曹茹，乡缪亚东（威巴克（无锡）减震器有限公司，无锡2 140 0 0）摘要：橡胶粘弹性参数的识别和合理的仿真简化模型是保障仿真结果可靠性的两个关键因素：文中提供了如何获取ABAQUS中橡胶粘弹性模型的材料参数方法，并建立了完善的橡胶衬套动刚度有限元分析模型结果表明橡胶衬套动刚度曲线的仿真结果与实验结果有很好的相关性，表明建立的材料参数和仿真模型可以有效的模拟橡胶衬套的动态性能在此基础上，采用有限元方法研究了橡胶块（也称为Flap）对橡胶衬套动刚度的影响.研究结果表明，Flap的添加可以有效的抑制衬套主体结构的振动峰值，改善橡胶衬套的动态性能同时还发现，Flap 的结构、位置均对衬套动刚度有一定的影响.关键词：橡胶块，动刚度，有限元分析，橡胶衬套中图分类号：U463.213The Research of Flap Influence on the Rubber Bush Dynamic Stiffness文献标识码：ACAO Ru,NMIAo Yadong(Vibracoustic（W u x i)Vi b r a t i o n I s o l a t o r s Co.,Lt d.,W u x i 2 140 0 0,Ch i n a)Abstract:The viscoelastic rubber and a reasonable simulation model are the two key factors for reliablesimulation results.This paper provides a method to obtain the rubber viscoelastic parameter in ABAQUSand creates an FEA model to simulate the rubber bush dynamic stiffness.It shows that the FEA resultshad a good correlation with the test results and demonstrates that the material parameter and FEA modelare reliable to simulate the rubber bush dynamic stiffness.Based on this,some research is performed tofind how the small rubber block(called Flap)would impact the bush dynamic performance.The resultsindicate that the flap could improve the bush s dynamic performance by restraining the main rubberelement vibration.Besides,it finds that the structure and position of the flap also have effects on the bushdynamic stiffness.Key words:flap,dynamic stffness,FEA,rubber bush随着生活水平的日益提高，人们对汽车的NVH（n o i s e，v i b r a t i o n a n d h a r s h n e s s，即噪声、振动和声振粗糙度）性能有了越来越高的要求汽车在行驶过程中，会受到各种各样的动载荷当动载荷与车身的动力学特性接近，即动载荷的某分量与车身的某阶模态的固有频率接近时，将可能引发结构共振产生较高的动应力，易导致车身的疲劳破坏汽车动力总成是汽车主要的振动激励源之一，发动机动不平衡性及燃烧波产生的振动并不是直接传给车身，而是经悬置系统减振后传给车身1 动力总成悬置系统可以衰减路面激励引起的动力总成振动、控制动力总成的位移和转角，减少动力总成振动向车身的传递2 ，所以悬置系统的减振效果直接影响汽车的平顺性和乘坐舒适性.橡胶衬套是汽车悬置系统最主要的减振件，随着纯电动汽车和混合动力汽车的发展，应用于电机悬置的橡胶衬套应用更加广泛汽车悬置的弹性运动及高频传递特性与橡胶衬套的静态、动态力学性收稿日期：2 0 2 2-0 8-10作者简介：曹茹（19 8 9）女，工程师，研究方向为汽车减震器第2 期能紧密相连3 因此，了解橡胶衬套的静态和动态性能对汽车的NVH性能的改善有重要的影响静态性能主要满足隔振系统的位移控制要求，而动态性能主要为了隔振系统的振动控制要求4 目前，人们对橡胶衬套静态性能已经有了比较成熟的认识，但是动态特性比较复杂，随激励频率、激励振幅和环境温度而变化5 橡胶衬套动态特性的研究一直是目前汽车悬置研究的热点6-8 1.有限元分析（FiniteElementAnalysis，FEA）作为一种仿真方法已经被广泛地应用于工业生产中搭建可靠的仿真方法可以准确地预估产品性能，用于前期的新品开发，节省资源，缩短开发周期对于橡胶衬套的动态特性仿真，橡胶粘弹性参数的识别和合理的衬套仿真简化模型是获取可靠仿真结果的两个关键因素文中建立了详细可靠的橡胶粘弹性参数识别方法和简化的橡胶衬套仿真模型并与实测结果对比验证了材料参数和仿真模型的可靠性，可以用于指导产品前期的设计随后又将其应用于实际案例中，利用该模型探索了小橡胶块（Flap）的添加对橡胶衬套动刚度的影响，具有一定的理论和工程实践意义。1(CAE仿真1.1材料定义橡胶材料的动态特性除了受其本身材料特性的影响外，还与橡胶部件所受载荷的频率和振幅有关，其中与频率的相关性由其粘弹性来决定8 橡胶材料的粘弹性使其具有一定的阻尼，从而能够衰减外加载荷引起的振动如何根据实验数据拟合出有限元分析所需的橡胶材料的粘弹性参数模型，是动刚度仿真的一大难点文中采用的橡胶粘弹性模型是ABAQUS中多参数的广义Maxwell模型，文中主要研究恒定振幅下的橡胶动态性能。图1为我司橡胶多轴向剪切测试样本示意图，其中，矩形橡胶块宽2 0 mm，长2 5mm，厚4mm.橡胶粘弹性材料的动态特性一般采用复模量形式.复剪切模量G*=G+iG,实部为存储模量KG=eS，曹茹等：添加橡胶块对橡胶衬套动刚度的影响研究虚部为损耗模量G二剪切刚度FKcos,一X剪切阻尼FC=sinX式中：e为试样厚度；S为试样截面积；为角频率；X为幅值；F为力；8 为损耗角.25 mm(a)正视图图1橡胶剪切实验样本示意图上述公式无法直接得出ABAQUS中粘弹性材料本构模型所需的材料参数，将其经过傅里叶变换，得到：实部R。(g*虚部I.m(g*其中，G。为准静态剪切模量实验测得的数据可分别绘制出实部与频率关系曲线以及虚部与频率关系曲线，如图2 所示将两条曲线分别用下列函数拟合：实部虚部公式（8）、（9）中，f表示频率，a，b，c 即(1)是ABAQUS中表征橡胶材料粘弹性行为所需的参数根据图2 中的数据，可得到该橡胶的粘弹性参数a=0.8542,b=0.018 6，c=-0.19 8 5.(2):21C,S20 mm4mm(b)侧视图G(a G.)1GR(g*)=b f,Im(g*)=c f-a.(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)22-01x()y-01x(3)l车辆与动力技术5.0移，模拟橡胶预载过程.4.54.03.53.02.52.01.51.00.50020406080100 120 140 160 180200频率/Hz(a)实部与频率关系曲线1.5.(g.)=0.1985 f0.8542.2023年R,(g)=0.0186:F-485424）约束刚性面6 个方向自由度，在主节点第3方向施加幅值为0.0 5mm的简谐波激励，模拟橡胶对谐波激励的线性化稳态响应过程.1.3仿真结果有效性检验刚性面参考点是动态响应过程的输出点，提取该点随着频率变化在3方向上的置反力，置反力与幅值的比值即为响应频率下的动刚度如图4为两种模型ABAQUS仿真结果与实验结果在0 10 0 0Hz范围内的动刚度曲线对比图从图中可以看出，仿真曲线与实测曲线有较好的重合度，峰值出现的4.5020 406080100 120 140 160 180 200频率/Hz(b)虚部与频率关系曲线图2 橡胶粘弹性参数拟合结果示例1.2有限元分析模型建立图3为橡胶动刚度有限元分析的模型示意图.运用HyperMesh软件建立网格模型，模型采用六面体杂交单元金属外圈的变形与橡胶变形相比可以忽略不记，因此，用刚性面代替，橡胶内心节点与一主节点建立刚性连接整个仿真过程如下.刚体一橡胶衬套YX衬套内心节点图3橡胶动刚度有限元分析模型示意图1）约束主节点及刚性面6 个方向的自由度，将橡胶外表面收缩到刚体内表面，模拟橡胶与金属外圈的过盈装配过程，使橡胶处于一定的预压缩状态，以预紧橡胶.2）约束主节点及刚性面6 个方向的自由度，将橡胶冷却至室温，模拟橡胶从热膜到冷膜的过程。3）约束刚性面6 个方向自由度，释放主节点第3方向的平移自由度，在该方向上施加一定的位频率误差均在10%以内说明文中仿真材料参数、仿真模型及过程设置可以有效的预测橡胶动刚度的变化趋势.20001800一仿真1600实测1 4001200N)/S10008006004002000100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000(a)仿真与实测结果对比案例120001800橡胶块Flap16001 4001200N)/SM10008006004002000100 200 300 400 500 600 700 800 9001 000(b)仿真与实测结果对比案例2图4橡胶动刚度仿真与实测结果对比2不同Flap设计对动刚度性能的影响研究2.1Flap结构对橡胶衬套动刚度的影响基于以上仿真结果的可靠性，采用有限元分析的方法研究了不同结构的Flap对橡胶衬套动刚度的影响添加Flap可以在不影响衬套静态性能的条件下改善其动态性能，对实际的工业生产有很大的可操作性图5为衬套主体结构相同，3种不同Flap设计的橡胶衬套，方案a无Flap结构，方案b频率/Hz一仿真-实测频率f/Hz第2 期整圈Flap结构，方案c分段式Flap结构.曹茹等：添加橡胶块对橡胶衬套动刚度的影响研究23XXZ图6 为3种不同Flap结构的橡胶衬套动刚度曲线对比结果：从图中曲线可以看出，Flap的添加可以有效地降低无Flap结构的一阶峰值方案a的一阶峰值点坐标为（6 6 0，2 8 6 8），该频率下的振动实际是衬套主体结构的整体运动造成的方案b添加了整圈Flap之后可以明显的抑制衬套主体结构的振动，但是却在38 0 Hz及56 0 Hz分别出现了两个小峰，这两个频率下的振动是Flap本身的振动造成的，在整车系统分析中，这两个小峰的存在，不利于汽车的NVH性能为了改善这一现象，我们设计了方案c中分段式的Flap结构结果表明，该结构可以有效的抑制衬套主体结构的振动，且不会带来Flap振动的干扰峰，满足了系统分析对橡胶衬套的动刚度要求同时，从曲线上还可以看出，3条曲线初始刚度基本重合在一起，表明Flap的添加没有改变衬套的静态刚度.3 000一方案a2.500-.-方案b(r-wu N)/S.方案c2.000150010005000100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000图6 3种不同Flap设计的动刚度曲线对比2.2Flap位置对橡胶衬套动刚度的影响为了更好的了解Flap对橡胶动刚度的影响，利用有限元分析的便捷优势，又研究了Flap位置对橡胶衬套动刚度的影响将图7 方案d中的Flap顺时针旋转9 0 得到了图7 方案e的设计从图8中的动刚度对比曲线可以发现，方案d的激振频率要滞后于方案e，更有利于汽车的NVH性能呈XYZZ(a)方案a(b)方案b图53种不同Flap设计结构现这一结果主要是因为方案e中Flap的方向与激励的方向一致，同样沿着Z向，因此更容易引发振动观察图8 中的曲线还可以发现，方案e在400 Hz前出现了一个小峰，该峰应为Flap本身的振动峰.这也侧面验证了Flap设计与激励方向一致时更易引发振动的猜想.XX一YZ(a)方案d图7 两种不同Flap位置设计结构2.500一方案d(r-uu N)/S.2.000F-.-方案e150010005000100200300 400500600700 8009001000频率f/Hz图8 Flap不同位置动刚度曲线对比图3结 论1）文中建立了可靠的材料参数和仿真模型，仿真与实验的对比结果表明，文中的橡胶材料参数和仿真模型可以有效的模拟橡胶衬套的动刚度特性.(下转第2 8 页）(c)方案cZ频率/Hz(b)方案e28变小于1%因此，判断本排气歧管产品的结构满足等效塑性应变的设计要求.4试验验证对排气歧管进行了EMCtest耐久试验试验过程中，排气歧管无漏气现象试验结束后，排气歧管内外表面均无微裂纹，如图7 所示.图7 排气歧管试验5结 论基于Star ccm+得到排气歧管的温度场，作为温度载荷导人Abaqus软件中分析了排气歧管的热应力、热应变表现，结论如下：1）排气歧管外壁的最高温为7 6 9 K，低于材料耐热高硅钼球墨铸铁的温度限制10 33K，满足温度使用范围，且最高温度分析值与同一位置处的车辆与动力技术试验值7 53K基本接近.2）得到了排气歧管外壁换热系数，避免了经验估值对结果的影响.3）新排气歧管产品的结构满足高温时的强度要求，设计较为合理，参考文献：1朱晴基于流固耦合的排气歧管热强度复合因素影响规律的研究D：长春：吉林大学，2 0 14.2于进文，周煜，吴振兴温度对球墨铸铁QTRSi4Mo1拉伸性能与循环变形的影响J】机械强度，2 0 2 1，43(0 5)：10 7 7-10 8 1.3霍小臭，潘效龙基于Fluent与ABAQUS的排气歧管温度场及热应力分析J】研究与开发，2 0 2 0(10):044-046.4涂涛，高维进，丁开文，等某重型柴油发动机排气歧管优化设计J柴油机设计与制造，2019,4(25):012-016.5孙立旺，朱清山，侯献军，等，基于直接流固耦合的发动机排气歧管热应力分析J：河南农业大学学报，2 0 12，46(0 1)：8 1-8 4.6李红庆，杨万里，刘国庆，等。内燃机排气管热应力分析J】：内燃机工程，2 0 0 5，2 6（0 5）：8 1-8 4.7田越，程育仁.U71Mn轨钢拉伸应力应变曲线的Ramberg-Osgood模型拟合J物理测试，19 9 1(05):30-35.2023年(上接第2 3 页)2）考察了Flap的添加以及不同Flap结构对橡胶衬套动刚度的影响结果表明，Flap的添加可以有效地衰减衬套工作频率的峰值，改善衬套的动态性能.其中，分段式的Flap可以有效地抑制衬套主体结构的振动，且不会带来Flap振动的干扰峰，效果最佳同时应注意，设计分段式Flap时，Flap的位置应避免与主要激励方向一致.3）根据现有的结果还可以预测到Flap的形状、添加位置、大小尺寸、不同的方位都将对衬套的动态性能有一定的影响在后续的项目中我们将展开更加详细的研究，期望可以建立参数化数模，通过改变主要设计参数，进行仿真迭代，优化出最佳效果的Flap设计.参考文献：1 靳晓雄，张立军，江浩汽车振动分析M上海：同济大学出版社，2 0 0 2.2SHANGGUAN W B.Engine mounts and powertrainmounting systems:a review J.International Journalof Vehicle Design,2009,49(04):237-258.3代正莉汽车悬架橡胶衬套静动特性研究D重庆：重庆理工大学，2 0 19.4潘孝勇，上官文斌，柴国钟，等橡胶隔振器动态特性计算方法的研究J振动工程学报，2 0 0 9，2 2(04):345-3515SJOBERG M.On dynamic properties of rubber isolators D.Sweden:KTH Royal Institute of Technology,2002.6时健悬置橡胶衬套简化建模方法研究及应用D.重庆：重庆交通大学，2 0 18.7暴比达二级隔振橡胶悬置高频动刚度的研究D广州：华南理工大学，2 0 2 1.8唐安特，上官文斌，潘孝勇，等橡胶隔振器高频动态特性的计算方法J：工程力学，2 0 2 0，37(01):230-238.