橡胶衬套对悬架弹性运动与整车转向特性影响的研究

橡胶衬套对悬架弹性运动与整车转向特性影响的研究

王湾湾于保硕宋坤昊

河北御捷车业有限公司河北邢台054800

摘要：橡胶衬套的防振性能主耍和装配出现松矿、自身破裂老化等有关，非正常的橡胶衬套将直接导致错误的轮胎定位，致使异常的轮胎磨损，甚至在某些位置与车架直接接触后引起异响，装配合适的橡胶衬套有助于车身灵敏度的提高、车身靭性的加强、车身异响的消弱等，即对整车性能综合分析研究具有重要的作用。

关键词：橡胶衬套；悬架弹性；整车转向特性；影响研究

1研究背景及意义

1.1研究背景

橡胶工业从1839年美国人-固特异发明硫化法至今已170多年,期间,英国人邓禄普在1887年发明了充气橡胶轮胎,成为推动橡胶工业发展的重要基石⑴;相应的其它橡胶部件也陆续被大量应用到了机械工业产品中,尤其是各种交通工具如航空器､轨道车辆､及地面车辆等,主要应用目的是防振｡工业上的防振檢胶最早出现在1932年,金屈与橡胶的粘结强度和可靠度在当吋已达到非常成功的水准｡以1937年以后的F丨本为例,防振橡胶首先被应)H到了螺旋菜飞机的发动机支架上,之后随着在战期积絮起来的橡胶防振技术,于1946年､1947年分别被应用到了卡车､公共汽车上,1951年以后又被应用到机车车辆的转向架上,1955年以后日本轿车工业步入正轨后,防振橡胶真正被得到极大应用[2]｡我国的橡胶工业在1949年后迅速发展,特别是改革开放进入21世纪后,橡胶部件的产量已步入世界生产大国之列｡

2车用防振橡胶部件的构成与应用

防振的本质是减少或消除源振动,但又不可能完全消除,必须考虑采用其他振动控制措施,即使用各种防振部件,特别是防振橡胶部件,包括NR天然胶以及PUR聚氨酷等弹性材料都可作为车用的防振橡胶｡其选用原则一般是:发动机悬置或悬架衬套等使用天然胶､顺丁或丁苯胶;耐油性零部件如油管支架等使用丁腈胶;耐候性零部件如球销衬套等使用氯丁胶;有耐热性要求的排气消声管吊耳等使用三元乙丙胶;阻尼性要求大的使用丁基胶;减震器支架等一般使用聚氨醋｡车用防振橡胶部件在实际使用时通常是带有刚性圈的零件,起到连接与支撑作用,同时也会影响防振檢胶的减振性能｡对于车用防振檢胶中的刚性圈,使用的主要材料有招合金､合金钢或工程塑料等｡以工程塑料为例,其材料特点是:一定的聚合特性､强度与硬度低､密度小､温度依赖性较强,相应原材料在使用吋一般需加入固化物和填充材料,例如将20%¯40%的玻璃纤维加到常用的PA66塑料中,主要用在如悬架衬套和副车架支撑等的外刚性圈上,本文将要研究的麦弗逊悬架舒适性橡胶衬套使用的正是此种材料｡具有较小密度的铅合金在车辆中使用广泛,常用结构为热乱或冷乳类的冲压板材､冷拔管材､铸造或锻压件等｡

3橡胶衬套刚度对悬架运动学特性的影响

运用ADAMS/CAR分析不同衬套刚度的悬架运动学特性,可知:当水平或垂直衬套刚度增加到两倍,或同时增加到两倍时,悬架系统的运动学特性基本上没有发生变化;当水平或者垂直衬套刚度增加到5倍,或者同时增加到5倍时,悬架系统的运动学特性的变化仍然很小。当水平或垂直衬套刚度减小50%,或者同时减小50%时,悬架系统的运动学特性稍有变化;当水平或者垂直衬套刚度减小80%,或者同时减小80%时,悬架系统的运动学特性的变化相当明显。

3.1影响整车操纵稳定性的机理

悬架橡胶衬套弹性变形对整车操纵稳定性影响的机理可从整车横向运动的双轨模型!’。]加以分析。图1为考虑束角变化的车辆双轨运动，其中示、尽为前悬架左、右车轮转向角，fl.fr.rfr:分别为前、后悬架左、右车轮初始束角，r为后悬架运动和衬套弹性变形引起的左、右车轮束角的增量,α1l、α1r、α2l、α2r为前、后悬架左、右轮胎弹性侧偏角,所有角度均取逆时针方向为正。汽车绕瞬心O′以横摆角速度dψ/dt转动,前、后悬架的左、右轮瞬时速度矢量u1l、u1r、u2l、u2r与车辆纵轴线的夹角可由车辆坐标系纵轴ox相对基础坐标系OX轴的横摆角ψ和汽车质心侧偏角β表示为

各角度即便是在大的侧向加速度下仍较小,且各项分母第二项较小,可忽略,因此式(1)可线性化为

汽车质心瞬时曲率半径ρ=ν/dψdt,前后悬架的左右轮胎平均弹性侧偏角α1、α2为

将式(3)代入式(2)并消去式(2)中的β可得

式中:分母的第一项(δcl+δcr)/2为后悬架运动或弹性变形产生的左右车轮束角增量的平均值。本文所阐述的便是其中悬架弹性变形引起的束角增量,这一增量是由连接悬架导向机构和车身的橡胶衬套在轮胎力作用下的弹性变形产生的。可见,在汽车转弯运动时,如果后悬架衬套的弹性变形使得内侧车轮前束角δorl增加δcl,外侧车轮前束角δorr减小δcr,将使得(δcl+δcr)/2变大,从而使ρ变小,反之,ρ变大。式(4)中分母的第二项(δl+δr)/2是前悬架左、右车轮的平均转向角,前悬架弹性变形也引起左、右车轮束角增量,本文在推导时分别把它们记入在δl、δr中,它们对ρ的影响类似于后悬架,感兴趣的读者可以把它们分开来推导。式(4)中分母的第三项α1-α2反映的是轮胎弹性特性对ρ的影响,此非本文讨论的内容。质心瞬时曲率半径ρ与整车的操稳性有直接关系。为便于说明,将上述双轨模型简化为单轨模型,将整车看作具有绕z轴转动和沿y轴横向移动的二自由度(y,ψ)系统。设m、Iz分别为汽车总质量和绕z轴的转动惯量,前后轮胎侧偏刚度c1、c2取正值,δ为左、右轮平均转向角,系统矩阵形式的二阶微分方程为

研究系统稳态特性,则式(5)的二阶微分量为0,这样可推得K=(ρ/ρo-1)/u2。其中K为稳定性因数,ρo=L/δ。可见,ρ减小,则K减小,系统的不足转向量减小,反之亦然。这样,上述悬架橡胶衬套弹性变形对ρ的影响便转化为对整车转向特性的影响,直观地阐明了悬架橡胶衬套弹性特性对整车稳态转向特性影响的机理。2仿真模型的建立及验证要精确研究橡胶衬套这样小的部件对整车动力学特性的影响,必须建立多自由度精确可靠的整车多体动力学模型。为了保证建模的精度,在获得大量试验测试数据的基础上,将整车分解为前悬架、后悬架、转向系、前后轮胎、动力总成、传动系和车身等多个子系统分别进行建模和调试,最后将各系统组装为整车模型。图2—图4分别为前、后悬架和整车虚拟样机模型。整车模型包括

含58个质量体,6个圆柱副,10个铰接副,8个球铰,3个移动副,8个恒速副,12个固定副,2个万向副,1个线束副,1个平面副,5个垂直副,3个运动副,系统的自由度数为

图5为整车稳态回转道路试验和虚拟样机模型仿真试验的对比情况,两者吻合较好。另外由实车测试所得的前、后悬架静刚度值分别是37.80N/mm和37.50N/mm,由仿真模型测得的前后悬架静刚度分别是37.75N/mm和38.25N/mm,两者相差很小,可见虚拟样机模型的准确性是令人满意的。由图5还可以看出,随着侧向加速度的增加,转向半径比值增加比较大,说明原车具有较大的不足转向量。

4结论

近年来,随着汽车悬架的高性能化发展,通过悬架橡胶衬套弹性特性改善整车性能倍受人们的关注。整车是多体系统,衬套作为其连接件,其弹性特性势必对整车性能尤其是操纵稳定性产生至关重要的影响，但由于整车多体系统的复杂性,揭示衬套弹性变形影响整车操纵稳定性的机理并非容易,目前很少有文献专门对此给出明确的解释。

参考文献：

[1]杨树凯.橡胶衬套对悬架弹性运动与整车转向特性影响的研究[D].吉林大学,2008.

[2]姜栋,高翔,刘义.橡胶衬套刚度对悬架弹性运动影响的研究[J].机械设计与制造,2011(10):207-209.

[3]王爽.某微车悬架K&C特性研究及其对整车操纵稳定性的影响[D].吉林大学,2008.

[4]李广英.瓦特杆扭梁悬架K&C特性分析及对整车操稳性的影响研究[D].湖南大学,2014.