某汽車動(dòng)力總成橡膠懸置疲勞整改

1 引言
動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)重要功能之一是動(dòng)力總成支撐和定位的作用。根據(jù)整車空間及減振的需要,發(fā)動(dòng)機(jī)被支撐在幾個(gè)懸置上,在發(fā)動(dòng)機(jī)本身振動(dòng)和外界作用力驅(qū)動(dòng)下,發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此懸置系統(tǒng)具有控制發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和位移的功能,使發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持在相對(duì)穩(wěn)定和正確的位置上,而不能讓發(fā)動(dòng)機(jī)在各方向運(yùn)動(dòng)中與底盤(pán)、車身上的零件產(chǎn)生干涉和觸碰。對(duì)于懸置系統(tǒng)而言,其疲勞性能的好壞對(duì)整車性能影響極大,越來(lái)越受到人們的關(guān)注。橡膠懸置的疲勞破壞形式以橡膠主簧失效居多,因此橡膠主簧的疲勞對(duì)整個(gè)懸置系統(tǒng)的壽命起著決定性的作用。今年來(lái)隨著有限元技術(shù)的不斷成熟,用有限元法來(lái)分析橡膠材料的疲勞破壞被各國(guó)學(xué)者廣泛采用。某動(dòng)力總成橡膠懸置在臺(tái)架疲勞中出現(xiàn)橡膠主簧斷裂現(xiàn)象,如圖1 所示。由圖可知,橡膠主簧斷裂處位于主簧下側(cè)圓角處。此懸置臺(tái)架疲勞要求在特定的疲勞工況及特定的試驗(yàn)頻率下,橡膠主簧40 萬(wàn)次不出現(xiàn)裂紋,但是試驗(yàn)懸置在27 萬(wàn)次時(shí)失效,出現(xiàn)橡膠主簧斷裂現(xiàn)象。

圖1 失效橡膠懸置疲勞斷裂示意圖

針對(duì)此問(wèn)題,首先采用ABAQUS 對(duì)失效懸置進(jìn)行剛度與應(yīng)變進(jìn)行分析,找出失效懸置主簧斷裂與有限元計(jì)算結(jié)果之間的一致性;然后根據(jù)失效懸置與計(jì)算結(jié)果對(duì)原懸置重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并利用ABAQUS 預(yù)測(cè)新結(jié)構(gòu)懸置的應(yīng)變與疲勞特性;最后通過(guò)臺(tái)架疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證此懸置的實(shí)際壽命。
2 失效懸置有限元分析
2.1 模型描述
此懸置為某汽車動(dòng)力總成前懸置,懸置外管與動(dòng)力總成側(cè)支架固連接,懸置芯子與車身側(cè)支架固連接,如圖2 所示。

圖2 懸置裝車邊界

由于Z 方向是懸置主要受力方向,在臺(tái)架疲勞試驗(yàn)中,主要對(duì)懸置主方向Z 向進(jìn)行疲勞驗(yàn)證;疲勞試驗(yàn)在MTS 單軸疲勞試驗(yàn)機(jī)上通過(guò)特制工裝分別連接懸置外管及懸置芯子進(jìn)行試驗(yàn),作動(dòng)缸在懸置芯子端加載模擬懸置實(shí)際受載。
2.2 懸置結(jié)構(gòu)有限元模型
橡膠材料的彈性特性表現(xiàn)為超彈性行為,其具有某種形式的應(yīng)變能函數(shù),可通過(guò)該應(yīng)變能函數(shù)推導(dǎo)出應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。根據(jù)不同的應(yīng)變能函數(shù)可得到各種不同的橡膠超彈性本構(gòu)模型。由于ABAQUS 擁有豐富的橡膠超彈性本構(gòu)模型、較強(qiáng)的非線性與接觸計(jì)算功能,故采用ABAQUS 軟件對(duì)此懸置進(jìn)行有限元分析。本文的橡膠超彈性模型采用Mooney-Rivlin 模型,通過(guò)橡膠材料試驗(yàn)獲得其模型參數(shù);網(wǎng)格采用C3D8RH(一階六面體縮減雜交單元)類型單元。
為模擬實(shí)際懸置的真實(shí)邊界,在ABAQUS 中對(duì)懸置進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,即只生成懸置橡膠主簧的網(wǎng)格,通過(guò)約束懸置橡膠主簧外側(cè)(外管硫化)單元節(jié)點(diǎn)6 個(gè)方向自由度來(lái)模擬懸置橡膠主簧約束邊界,在懸置彈性中心點(diǎn)建立與懸置橡膠主簧的內(nèi)側(cè)(與芯子硫化處)單元節(jié)點(diǎn)的Coupling 來(lái)模擬加載區(qū)域,如圖3 所示。

圖3 懸置有限元建模

2.3 懸置靜剛度分析
此動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)為四點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu),發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)懸置、變速箱側(cè)懸置及前后懸置,作為前懸置,主要考慮其主方向X 和Z 向的剛度。本文主要考慮其Z 向的剛度要求。
在ABAQUS 軟件中計(jì)算得到失效懸置Z 向剛度曲線如圖4 所示。在懸置線性段,Z 向力-位移曲線測(cè)試值、計(jì)算值與目標(biāo)值吻合較好;由于在大位移下橡膠主簧發(fā)生較大變形,網(wǎng)格變形嚴(yán)重,計(jì)算不易收斂,故一般計(jì)算出懸置的拐點(diǎn)即能得出懸置的非線性特性。將懸置測(cè)試、計(jì)算與目標(biāo)線性段靜剛度分別為71N/mm,65N/mm 與68N/mm,可知計(jì)算值和目標(biāo)值的誤差控制在10%以內(nèi)。

圖4 失效懸置力-位移曲線

2.4 懸置應(yīng)變分析
在失效懸置Z 方向加載疲勞工況載荷力(拉壓載荷),找出主簧最大應(yīng)變集中處的應(yīng)變,如圖5 所示。

圖5 失效懸置應(yīng)變分析結(jié)果

從上圖可以看出,在疲勞工況載荷下,懸置Z 向上拉的最大應(yīng)變是0.436,懸置Z 向下壓的最大應(yīng)變是0.621;采用ABAQUS計(jì)算出的應(yīng)變集中位置與圖1 中實(shí)際零件疲勞破壞位置一致,在一定程度上說(shuō)明采用ABAQUS 計(jì)算懸置在疲勞工況下的應(yīng)變來(lái)反映其疲勞特性是可行的。
3 懸置新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更改
3.1 懸置新老結(jié)構(gòu)更改對(duì)比
針對(duì)老結(jié)構(gòu)懸置的失效,在失效懸置基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改,重新設(shè)計(jì)了另外一種新結(jié)構(gòu)懸置,新老結(jié)構(gòu)差異對(duì)比如圖6 所示。

圖6 新老懸置結(jié)構(gòu)對(duì)比

3.2 新結(jié)構(gòu)懸置靜剛度分析
對(duì)新結(jié)構(gòu)懸置按照前述有限元邊界與材料本構(gòu)計(jì)算其靜剛度,其結(jié)果如圖7 所示,因橡膠主簧結(jié)構(gòu)未做調(diào)整,新結(jié)構(gòu)懸置線性階段剛度值沒(méi)有太大變化,通過(guò)更改+Z 向限位塊,+Z 向剛度曲線拐點(diǎn)靠后了,比老結(jié)構(gòu)更靠近目標(biāo)值。

圖7 新結(jié)構(gòu)懸置力-位移曲線

3.3 新結(jié)構(gòu)懸置應(yīng)變分析
通過(guò)新老結(jié)構(gòu)在相同疲勞工況載荷下的應(yīng)變統(tǒng)計(jì)對(duì)比(如表1)結(jié)果可以看出,懸置應(yīng)變集中位置基本沒(méi)有發(fā)生變化;而在在拉伸載荷下,新老結(jié)構(gòu)應(yīng)變值相差不大,在壓縮載荷下,新結(jié)構(gòu)的倒角處的應(yīng)變相對(duì)于老結(jié)構(gòu),有很大的改善,有利于懸置疲勞。

3.4 新結(jié)構(gòu)樣件疲勞試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)新結(jié)構(gòu)的懸置方案,采用同一批膠料制作新結(jié)構(gòu)懸置,在相同的疲勞條件下對(duì)其進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),新結(jié)構(gòu)懸置承受40 萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后,橡膠主簧沒(méi)有出現(xiàn)裂紋,達(dá)到疲勞目標(biāo)值。
4 結(jié)論
通過(guò)對(duì)汽車動(dòng)力總成某失效懸置與新結(jié)構(gòu)懸置有限元計(jì)算、疲勞測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析,可以得到以下結(jié)論:
(1) 在懸置設(shè)計(jì)初期可采用ABAQUS 對(duì)其靜剛度進(jìn)行計(jì)算,并且計(jì)算值與測(cè)試值具有良好的一致性,兩者誤差在工程可接受范圍內(nèi);
(2) 在懸置疲勞預(yù)測(cè)與整改過(guò)程中可采用ABAQUS 計(jì)算懸置在實(shí)際疲勞載荷下的應(yīng)變,其計(jì)算的應(yīng)變值與實(shí)際零件疲勞次數(shù)具有較強(qiáng)的一致性。