李奕寶 羅謝盼 林家榮

摘 要：針對(duì)某車型控制臂襯套整車耐久路試失效問題，通過分析路譜載荷，以提高襯套抵抗大扭矩變形為目標(biāo)，重新定義與之相應(yīng)的試驗(yàn)條件，并對(duì)襯套剛度和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的襯套通過了新試驗(yàn)條件的臺(tái)架驗(yàn)證，并通過整車耐久路試驗(yàn)證。臺(tái)架試驗(yàn)和整車耐久路試結(jié)果表明，通過分析路譜載荷重新定義的試驗(yàn)條件合理，襯套經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足整車耐久性能要求。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu);路譜;耐久;靜剛度

中圖分類號(hào)：U462.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）13-28-03

Analysis And Optimization Of Fatigue Failure Case Of Rubber Bushing

Li Yibao， Luo Xiepan， Lin Jiarong

（GAC Automotive Engineering Research Institute， Guangdong Guangzhou 510640）

Abstract： To solve the control arm bushing failure problem in real car endurance test， an optimazation design of bushing stiffness and structure to improve the torque deformation is carried out by analyzing road load. And a novel corresponding bench test method is proposed. The optimized bushing has passed the bench test according to the novel bench test method， and its endurance performance is validated by the real car endurance test. The validity of the novel corresponding bench test method derived by road load and the endurance performance of the optimized bushing have been proved by the results of bench test and real car endurance test.

Keywords： Structure; Road Spectrum; Durability; Static stiffness

CLC NO.： U462.1? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）13-28-03

引言

隨著汽車零部件制作工藝和精度的不斷提升， 路面等級(jí)的不斷優(yōu)化，發(fā)動(dòng)機(jī)及底盤本身引起的振動(dòng)噪聲問題凸顯出來，消費(fèi)者對(duì)于整車的舒適性要求越來越敏感，橡膠襯套，作為底盤的重要減振部件，發(fā)揮著極其重要的作用。通常，主機(jī)廠針對(duì)零部件開發(fā)時(shí)，會(huì)進(jìn)行零部件臺(tái)架耐久和整車路試耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，臺(tái)架耐久驗(yàn)證合格后則進(jìn)行整車路試驗(yàn)證，以便提高整車路試的成功率，降低整車路試的試驗(yàn)成本，然而在實(shí)際開發(fā)過程中，也會(huì)出現(xiàn)臺(tái)架耐久和整車路試耐久矛盾的情況，即臺(tái)架耐久滿足設(shè)計(jì)要求，而整車路試耐久卻失效。本文中的案例，介紹了橡膠襯套的初始結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)條件滿足臺(tái)架耐久的要求，卻不能滿足整車路試，從而引出重新定義臺(tái)架試驗(yàn)條件和重新設(shè)計(jì)襯套結(jié)構(gòu)。

1 問題描述

某車型控制臂襯套靜態(tài)、動(dòng)態(tài)剛度以及臺(tái)架耐久試驗(yàn)均滿足要求，臺(tái)架耐久試驗(yàn)完成后，進(jìn)行整車路試驗(yàn)證，在整車強(qiáng)化路試過程中5千公里左右兩件均出現(xiàn)開裂失效。

2 原因分析

首先，通過對(duì)懸架系統(tǒng)所有零部件尺寸，裝配關(guān)系，受力狀態(tài)進(jìn)行排查，確定無異常情況，進(jìn)一步排除裝配、材質(zhì)、制作工藝及尺寸超差等因素;其次，路試樣件與臺(tái)架試驗(yàn)樣件屬于同一批次，可以推斷臺(tái)架試驗(yàn)條件不能完全模擬整車路試條件;最后，針對(duì)襯套橡膠裂紋位置，深度及斷裂表面分析，初步認(rèn)為襯套同時(shí)在徑向及擺轉(zhuǎn)方向（見圖2 b）存在較大受力，橡膠應(yīng)力過大造成開裂失效，此襯套定義的性能要求和臺(tái)架試驗(yàn)條件不能滿足整車實(shí)際工況要求。

為了證實(shí)此判斷，通過路譜采集，懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型仿真（見圖2 a），得到襯套的分路譜受力數(shù)據(jù)。

通過專業(yè)的路譜分析軟件nCode對(duì)路譜信號(hào)進(jìn)行處理、迭代分析，并根據(jù)線性損傷累計(jì)理論（Miner）重新得出襯套的疲勞試驗(yàn)條件，與初始試驗(yàn)條件進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1表明，原襯套定義的加載振幅（力值）遠(yuǎn)小于由路譜分析后重新定義的受力加載振幅（力值），另外加載頻率也有所提升。

利用新的試驗(yàn)條件重新對(duì)初始結(jié)構(gòu)的襯套進(jìn)行臺(tái)架疲勞耐久試驗(yàn)，結(jié)果顯示襯套在V2 方向49萬次左右出現(xiàn)裂紋，不滿足耐久性能要求，且橡膠失效位置和模式與整車路試情況相似，詳見圖3，此襯套結(jié)構(gòu)不能滿足整車耐久性能要求，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并進(jìn)一步表明更新后的實(shí)驗(yàn)條件與整車路試工況相仿。因此，產(chǎn)生失效的根本原因是初始的實(shí)驗(yàn)條件不能充分模擬整車路試工況，初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因?yàn)榕_(tái)架實(shí)驗(yàn)條件原因產(chǎn)生虛度設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

兼顧襯套失效模式，以及新的試驗(yàn)條件下，加載振幅大幅度加大，因此，初始襯套靜態(tài)剛度需要提升，來降低襯套在大載荷作用下產(chǎn)生的位移，同時(shí)，為了最大化的隔離振動(dòng)，產(chǎn)生較高的隔振效果，動(dòng)態(tài)剛度又不能過高，橡膠材料需要較好的動(dòng)靜比和隔振性能，因此，最終決定采取兩方面措施來提升其耐久特性。

一方面，在結(jié)構(gòu)上增加襯套橡膠本體徑向?qū)挾龋黾酉鹉z本體的膠體體積，增加其靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)隔振性能，同時(shí)，略減小橡膠本體軸向的厚度，兩側(cè)的阻尼孔由原來不對(duì)稱改為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，尺寸相對(duì)減小，目的是緩解其徑向V2方向和V1 扭擺方向應(yīng)力，詳見圖4。

另一方面，為了減低橡膠本體的剪切成分，增加其壓縮成分，將襯套的內(nèi)骨架初始為冷拔直管，改為冷鐓成型的中間弧形內(nèi)管，詳見圖5。

對(duì)比初始結(jié)構(gòu)和新結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，可以看出：

1）在橡膠本體寬度和高度尺寸相同的情況下，直管的實(shí)心方向剛度小于球形內(nèi)管實(shí)心方向的剛度，在同樣的實(shí)心方向載荷作用下，球形內(nèi)管的位移行程要小于直管，從而在同等載荷作用下，球形內(nèi)管的應(yīng)變要小于直管的應(yīng)變，同理球形內(nèi)管的應(yīng)力也會(huì)小于直管的應(yīng)力，目前球形內(nèi)管的橡膠本體在寬度和高度尺寸上都要略大于直管的橡膠本體，這樣徑向的剛度會(huì)變得更大，更有利于改善應(yīng)力。通過改變襯套結(jié)構(gòu)，起到降低襯套應(yīng)力的目的，使得襯套的疲勞壽命更長。

2）從阻尼孔尺寸方面分析，直管空心方向?yàn)椴粚?duì)稱結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在受到偏擺15°工況作用下，結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱導(dǎo)致兩邊空心方向的應(yīng)力、應(yīng)變不能對(duì)稱分布，使得應(yīng)力、應(yīng)變不能均勻分散，這樣更容易導(dǎo)致襯套橡膠本體在一邊空心處應(yīng)力集中且很大，另一邊空心處應(yīng)力較小。由于這種不對(duì)稱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的應(yīng)力集中，使得應(yīng)力較大，縮短了襯套的疲勞壽命，不容易滿足臺(tái)架、路試的耐久要求。球形內(nèi)管的空心方向?yàn)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)，這樣在同樣偏擺15°的工況下，由于空心結(jié)構(gòu)的對(duì)稱使得襯套橡膠本體上的應(yīng)力分布更均勻，應(yīng)力集中相對(duì)直管而言更小，橡膠本體的應(yīng)力也會(huì)更小，襯套的疲勞壽命也會(huì)更長。

新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，其靜態(tài)剛度值較初始結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，詳見表2，（注：大257/小361，表示初始結(jié)構(gòu)徑向方向阻尼孔不對(duì)稱產(chǎn)生的剛度不一樣）。同時(shí)，為了驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)與初始結(jié)構(gòu)在同樣邊界條件下應(yīng)力應(yīng)變的變化趨勢，通過有限元軟件Abaqus進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示，應(yīng)力和應(yīng)變均明顯降低，詳見表3。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證，新結(jié)構(gòu)襯套設(shè)計(jì)的合理性，以及新的試驗(yàn)條件與整車路試工況的匹配程度，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的襯套，重新安裝在實(shí)驗(yàn)室MTS多通道試驗(yàn)臺(tái)架上，進(jìn)行耐久疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)條件：V2方向（實(shí)心方向）：±4200N，6Hz ;V1（空心扭擺方向）：±15°，1.3Hz，風(fēng)冷，兩方向同時(shí)進(jìn)行，詳見圖6。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，V2方向交變次數(shù)60萬次，V1方向交變13萬次，兩個(gè)方向的力值和位移無明顯變化，試驗(yàn)后均無開裂現(xiàn)象，詳見圖7，因此，可以認(rèn)為新結(jié)構(gòu)襯套較初始結(jié)構(gòu)襯套疲勞耐久性能有大幅提升。

4.2 整車路試試驗(yàn)

臺(tái)架試驗(yàn)完成后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證新臺(tái)架實(shí)驗(yàn)條件與整車路試工況一致性，將新結(jié)構(gòu)的樣件裝車重新進(jìn)行整車路試試驗(yàn)，試驗(yàn)完后襯套均無裂紋，路試通過，同時(shí)，新結(jié)構(gòu)襯套在30km/h速度過坎工況，振動(dòng)衰減時(shí)間縮短，整車NVH平順性評(píng)價(jià)通過。充分證明，初始結(jié)構(gòu)試驗(yàn)條件定義不合理，通過路譜分析重新定義的試驗(yàn)條件與整車路試工況吻合度高，同時(shí)，新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加其剛度性能，減少應(yīng)力集中，對(duì)改善襯套耐久性能起到了重要作用。

5 結(jié)束語

文中針對(duì)某車型控制臂襯套整車路試耐久失效問題，確認(rèn)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及臺(tái)架實(shí)驗(yàn)條件不滿足實(shí)際整車道路試驗(yàn)條件，通過路譜及懸架結(jié)構(gòu)Adams模型進(jìn)行受力分析，分離出襯套的原始路譜，通過Ncode路譜分析軟件，對(duì)襯套的耐久和試驗(yàn)條件重新定義，同時(shí)根據(jù)初始結(jié)構(gòu)的襯套裂紋失效模式、發(fā)生位置和表面開裂特征，判斷為應(yīng)力集中引起的耐久裂紋失效。據(jù)此對(duì)襯套結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，適當(dāng)增加其剛度，減少大載荷下的位移，緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象。更改后的結(jié)構(gòu)通過重新定義試驗(yàn)條件的臺(tái)架耐久試驗(yàn)和整車道路試驗(yàn)，問題得以解決。

通過文中的敘述，可以總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)襯套耐久問題，尤其是臺(tái)架試驗(yàn)與整車路試結(jié)果相互矛盾時(shí)的解決提供依據(jù)。

（1）不同車型（重量或懸架結(jié)構(gòu)）的襯套設(shè)計(jì)時(shí)，需通過路譜分析和動(dòng)力學(xué)模型得到襯套的受力譜;

（2）通過路譜定義襯套的臺(tái)架疲勞試驗(yàn)條件;

（3）通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足襯套靜、動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)，盡量減少襯套應(yīng)力、應(yīng)變，提高其耐久性能。

參考文獻(xiàn)

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