胡浩炬，鄧小強，郭紹良，余家皓，羅 歡

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434)

液壓襯套作為懸架控制臂與副車架之間的連接件和隔振件，通過在橡膠襯套基礎(chǔ)上封裝液體，使其能在較廣的頻率范圍內(nèi)提供大阻尼，有效抑制因路面不平衡激勵引起的振動，在乘用車懸架系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1]。

為使搭載的液壓襯套能與車輛相適應(yīng)，液壓襯套的動態(tài)特性與懸架系統(tǒng)的匹配是其設(shè)計的關(guān)鍵。本文以某車型懸架控制臂液壓襯套為研究對象，分別采用有限元流固耦合法和AMESim機(jī)械液壓系統(tǒng)法建模，對其動態(tài)特性進(jìn)行仿真，并與試驗結(jié)果對比，最后通過已驗證的AMESim參數(shù)模型，研究其動態(tài)特性主要影響因素。

1 控制臂液壓襯套結(jié)構(gòu)

本文所研究的液壓襯套為徑向型雙慣性通道式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中液室2由橡膠主簧1、硬質(zhì)塑料板4及外套管6圍裹形成，兩個液室中充滿乙二醇水溶液，通過兩個慣性通道連接。當(dāng)內(nèi)套管7與外套管6的相對位移變化時，兩液室產(chǎn)生壓力差，液體通過慣性通道3在兩液室中來回流動，通過液體流動的慣性損失、液體與壁面的摩擦損失以及局部損失衰減振動的能量。

(a) 三維模型 (b) 剖面圖

液壓襯套中存在液體與結(jié)構(gòu)的耦合作用，因此其動態(tài)特性具有非線性特性，不能用線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)描述，但可以利用描述函數(shù)法定義[2]。當(dāng)非線性系統(tǒng)受到正弦激勵時，其輸出量通常不是一個諧波響應(yīng)，其中除了含有與激勵頻率(基頻)相同的成分外，還有高階諧波成分。由于該系統(tǒng)的非線性程度較弱，其高階諧量的幅值較小，所以可以將描述函數(shù)N定義為輸出量的基頻成分與輸入量的復(fù)數(shù)比值：

N=Y1/X·ej(φ1-φ0)

(1)

式中：X和φ0分別為輸入諧波的幅值和相位；Y1和φ1分別為輸出基頻成分的幅值和相位；Y1/X為系統(tǒng)的動態(tài)剛度；φ1-φ0為系統(tǒng)的阻尼滯后角。

2 仿真模型建立

2.1 有限元法流固耦合模型

控制臂液壓襯套工作時，被封裝的液體與固體橡膠相互作用，液體作用力施加于固體橡膠上，引起固體橡膠變形，進(jìn)而又造成液體運動區(qū)域的改變。此類流固耦合問題，需采用任意拉格朗日歐拉法ALE來描述[3]。在流固耦合界面上需要滿足運動學(xué)和動力學(xué)的條件是：

df=ds，nτs=nτf

(2)

式中：d為耦合邊界位移；τ為邊界應(yīng)力(下標(biāo)f、s分別代表流體和固體)；n為邊界法線方向。

建立有限元網(wǎng)格模型如圖2所示，其中固體橡膠網(wǎng)格包含70 846個六面體單元，液體網(wǎng)格包含 13 832個四面體單元，固體橡膠網(wǎng)格與液體網(wǎng)格采用共節(jié)點連接。

模型材料參數(shù)如下：內(nèi)外套管及中間骨架均為鋁材質(zhì)，密度為2.73×106kg/mm3，泊松比為 0.33，彈性模量為70 000 N/mm2；塑料板的密度1.13×106kg/mm3，泊松比為0.35，彈性模量為5 000 N/mm2；橡膠主簧材料采用Mooney本構(gòu)模型[4]，其C10=0.796、C01=0.019，密度為1.2×106kg/mm3；液體為70%的乙二醇與30%的水混合溶液，密度為1.053×106kg/mm3，20 ℃時的動力粘度為7.5×10-9MPa·s。

2.2 AMESim機(jī)械液壓系統(tǒng)法模型

控制臂液壓襯套的動力學(xué)模型如圖3所示：K和C分別代表橡膠主簧的剛度和阻尼；橡膠主簧的徑向運動等效于活塞的泵吸運動，圖中的Ap相當(dāng)于液體泵吸運動的等效活塞面積，KVOL為液室的體積剛度，P1、P2分別代表控制臂兩液室的壓力；左右對稱的兩個慣性通道長度L1=L2，截面積都為AC，粗糙度都為R。當(dāng)襯套內(nèi)管受到X(t)=Xsin(ωt+φ0)激勵時，襯套外管受到的反力Y(t)為[5]：

圖3 控制臂液壓襯套的力學(xué)模型

(3)

根據(jù)圖3所示的動力學(xué)模型，在AMESim軟件中建立其機(jī)械液壓耦合系統(tǒng)模型如圖4所示，其主要參數(shù)參考文獻(xiàn)[6-7]中的參數(shù)識別方法，即通過“試驗標(biāo)定與計算”方法獲得，見表1。內(nèi)外套管采用LCON13元件模擬，橡膠主簧用彈簧SPR000A元件和阻尼DAM0000元件模擬，左右液室材料用HHAD11元件模擬，液室壓力用BHC11元件模擬，慣性通道用HL03元件模擬。

圖4 控制臂液壓襯套AMESim草圖模型

表1 AMESim模型中的主要參數(shù)

3 液壓襯套動態(tài)特性計算及分析

3.1 動態(tài)特性計算

此控制臂液壓襯套為徑向型結(jié)構(gòu)，主要作用方向為徑向，故只針對其徑向動態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。定義幅值分別為0.1 mm、0.5 mm正弦波位移載荷曲線，選取1～50 Hz頻率內(nèi)的15個典型頻率分別通過有限元法模型及AMESim機(jī)械液壓系統(tǒng)法模型進(jìn)行液固耦合仿真計算，并提取各頻率下襯套外套管的力與時間曲線，再利用幾何作圖法[8]獲得各頻率下的阻尼角及動剛度，然后繪制成阻尼角及動剛度隨頻率變化曲線。

為驗證計算結(jié)果，進(jìn)行液壓襯套的動態(tài)特性試驗。將控制臂液壓襯套固定在MTS831試驗臺上，試驗方法見文獻(xiàn)[9]，在內(nèi)套管分別施加0.1 mm、0.5 mm幅值的掃頻位移載荷，頻率范圍1～50 Hz，頻率間隔1 Hz。將測得的試驗數(shù)據(jù)處理后最終得到試驗的阻尼角曲線和動剛度曲線。

通過對比分析發(fā)現(xiàn)：不同幅值下的兩種模型的阻尼角及動剛度曲線趨勢與試驗結(jié)果一致，阻尼角峰值出現(xiàn)頻率也與試驗結(jié)果吻合較好?？梢妰煞N建模方法的計算結(jié)果均能很好地模擬控制臂液壓襯套的動態(tài)特性。其中0.1 mm幅值下兩種模型的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比如圖5所示。

(b) 動剛度曲線

3.2 主要參數(shù)影響分析

基于上述已驗證的AMESim機(jī)械液壓系統(tǒng)法模型，研究主要參數(shù)對控制臂液壓襯套動態(tài)特性的影響，對其動態(tài)性能設(shè)計及優(yōu)化有非常重要的意義。

1) 慣性通道截面積AC。調(diào)整AMESim參數(shù)模型中AC為原來的0.75倍和1.25倍，其他參數(shù)不變。分別仿真計算控制臂液壓襯套動態(tài)特性，結(jié)果如圖6所示，表明增大AC，其阻尼角峰值與頻率都增大，動剛度則隨AC的增大而減小。

(a) 阻尼角曲線

(b) 動剛度曲線

2)慣性通道長度L。同樣固定其他參數(shù)不變，只改變L為原來的0.75倍和1.25倍。分別計算控制臂液壓襯套動態(tài)特性曲線如圖7所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著L增大，阻尼角峰值增加、峰值頻率減小，動剛度增加。

(a) 阻尼角曲線

(b) 動剛度曲線

4 結(jié) 論

1) 有限元法模型及AMESim機(jī)械液壓系統(tǒng)法模型的計算結(jié)果均能與試驗結(jié)果較好吻合。

2) 有限元法流固耦合分析屬于結(jié)構(gòu)分析范疇，存在建模復(fù)雜、工作量大、計算時間長等缺點。而利用AMESim機(jī)械液壓系統(tǒng)法建模，計算效率高，調(diào)整參數(shù)方便，便于單變量趨勢性分析，但其仿真精度非常依賴于參數(shù)識別的準(zhǔn)確性。

3) 可以通過改變慣性通道截面積與長度來實現(xiàn)其阻尼角的調(diào)整，但調(diào)整時還需綜合考慮其動剛度的變化規(guī)律。