汽车悬置橡胶结构抗疲劳设计
摘要：随着世界工业化的快速发展，汽车更新换代的周期也日益缩短。但样车制造的每个阶段不能节省，这就要求样车试制速度必须加快，需要在有限时间内完成各项测试，从而减低产品开发风险。主机厂如果所有样件均自制，在人力、时间、场地及项目协调上会有巨大投入，所以大多主机厂样车制作大多采用以散件打包外发或干脆整车打包外发的策略。橡胶材料寿命预测的研究主要集中在寻橡胶疲劳寿命与某种力学参数的一一对应关系。早期的橡胶材料疲劳研究主要选取应变参数(如工程应变、八面体切应变、最大剪应变等)作为疲劳损伤参量。从20世纪50年代开始，随着断裂力学理论在橡胶疲劳研究方面的应用，应变能密度逐渐被用作橡胶材料的疲劳损伤参量。与使用应变或等效应力相比，使用应变能密度在估算多轴疲劳寿命方面具有很大的优势。动力总成悬置作为发动机与汽车车身的关键连接构件，其系统包括橡胶悬置件和支架连接件两部分，其中起隔振作用的橡胶件，不仅要提供良好的隔振性能，而且要满足其系统的耐久性和安全性等要求。所以对于动力总成悬置系统中的橡胶结构，其疲劳耐久性能显得尤为重要，如何设计满足疲劳耐久性能目标要求的橡胶减振件成为各生产企业迫切要解决的问题。基于此，本篇文章对汽车悬置橡胶结构抗疲劳设计进行研究，以供参考。
关键词：汽车；悬置橡胶结构；抗疲劳设计
引言
汽车是橡胶工业最重要的配套服务对象，销售额占到整个橡胶工业的约2/3，耗胶量则占据70%以上的显赫地位。多年来，汽车橡胶制品在生产技术上，一直发挥橡胶工业领头羊的作用，象征着行业的发展和进步。汽车上使用的橡胶制品约占其重量的5%，一辆汽车装配着100~200种、数量达200~500件的各类橡胶零部件，遍及汽车的发动机、车身、车桥、车轮各个部位以及减震、密封、刹车、液压、燃料、润滑和空调等系统。仅以现代普通轿车来说，每辆即要耗用100kg左右的橡胶材料，几乎涉及所有天然和合成橡胶胶种。现在，汽车橡胶制品正在走上高性能化、多功能化、安全化、节能化、环保化和低成本化，并成为汽车安全、节能、环保的重要一环。汽车橡胶制品倍受汽车部门的关注，与汽车本体的关系日臻紧密。今后伴随着汽车的发展，汽车橡胶制品的前景十分看好，发展空间极为广阔。
1研究背景
1.1汽车及其零部件行业的发展
目前在不同的地区，汽车零部件制造企业的发展是不同的，对于主要靠高新科技发展的城市
来说汽车零部件制造企业的发展就比较顺利，因为汽车零部件制造产业的发展可以作为这个城市的主产业，并且依靠高新科技的发展能够更好的促进汽车零部件制造企业技术的提高，所以汽车零部件制造企业可以很好的提高城市的经济效益，所以能够得到很好的重视。对一些经济水平和科技水平发展不好的城市，汽车零部件制造企业的发展就没有那么的先进，因为汽车零部件制造企业发展的不够好，就不能够给城市的经济效益带来一定的提高就不能够得到很好的重视。就目前来说，我国汽车零部件制造企业所能带来的经济效益也是很有限的，在企业正常运行的过程中由于汽车零部件质量把控并没有做到很完善，并且汽车零部件的销售渠道也比较狭窄，这就导致了汽车零部件制造企业的发展受到了阻碍。汽车零部件制造企业也应该根据政府出台的相关政策，加强对汽车零部件制造的质量控制。并且，也有许多政策支持汽车零部件制造企业的发展，能够很好的帮助汽车零部件制造技术的提升。国家的政策可以帮助汽车零部件制造产业走向全国，面向世界，并且互联网发展是当下顶峰时期，汽车零部件制造企业可以结合互联网进行销售，从而增加自己的销售量，提高经济效益。并且我国汽车零部件制造企业的生产成本还是比较高的，这就导致利润的减小，所以一些投资商就不会选择我国汽车零部件制造企业进行投资。这就陷入了一个恶性循环，没有投资就没有钱进行新技术的开发，这样就离别人越来越远，获得的收益也越来越低。所以收益
低的话就很难和其他企业一起进行合作。传统的汽车零部件加工方式效率比较低，并且加工出来的产品样式单一，不能够很好的符合当下汽车产业发展的需求。所以要加入新技术，提高汽车零部件制造质量的提高，这样才能够降低成本，拓宽销售渠道才能够更好的促进汽车零部件制造企业的发展。
1.2噪声激励源识别
通过主观评价发现，某款纯电动汽车在光滑沥青路面低速行驶时，驾驶舱内有明显的尖锐啸叫噪声，严重影响了车辆驾驶安全性和乘坐舒适性。在消声环境的四驱转鼓试验室内，测试在0~120km/h的加速工况下驾驶员耳旁噪声，存在与主观评价同等的啸叫问题。因此可排除风噪和路面激励的原因，确定啸叫噪声激励源为动力总成系统。汽车密封条
1.3隔振率机理分析
隔振率是表征隔振效果的常用物理量。隔振率越大，通过隔振器传递的力越小，隔振效果越显著，隔振性能越好。工程中为了量化隔振性能，一般采用悬置元件隔振率的数值指标来评价悬置系统的隔振性能。此时，隔振率的计算公式为：
TdB=20×lg
式中，TdB为隔振率的分贝形式；aa为主动侧的加速度；ap为被动侧的加速度。TdB越大，表明隔振性能越好。当TdB≥20dB时，表明该悬置系统从主动侧传递到被动侧的振动量削弱了90%及以上，满足隔振性能要求。
1.4悬置系统计算模型
因动力总成弹性体的刚度较大，其模态频率较高，且悬置支撑侧的动刚度通常要求是悬置软垫刚度的10倍以上，其振动较小，所以一般将悬置系统简化为一个无阻尼、空间六自由度的振动系统。其振动特性与动力总成的质量、质心、转动惯量及悬置软垫各向刚度、支撑位置相关。
1.5悬置布置方案
常用的悬置布置形式有平置式、斜置式和会聚式三种。平置式悬置的三个主刚度方向和动力总成参考坐标方向分别平行,这种形式的悬置结构简单且安装方便,主要对垂向的激励起作用。斜置式悬置多用在小型车,悬置只有一个主刚度方向与动力总成参考坐标方向平行,其余
两个方向对称地布置在纵向切面的两侧,既能对垂向激励起隔振作用,又能对横向扭摆起到缓冲作用。会聚式悬置是一种比较理想的布置方案,其各悬置主刚度方向会聚于一点,但其在整车应用上对位置及角度的选择要求较高,故使用较少。
1.6振动水平及评价指标
随机选择两辆相同配置的重型自卸车,在定置怠速工况下测量几处位置的振动加速度。结果显示,车辆后视镜位置振动较为严重,且车辆1的测量数据超出要求限值,车辆2距要求限值较近;其余测点振动都在最高限值的中等偏上范围,整体舒适性偏差。
2悬置橡胶的概述
2.1悬置橡胶有结构
橡胶悬置作为一种弹性元件使动力总成与车架相连，起到支撑、限位、隔振等作用。悬置系统的设计和整车NVH性能之间有着密切的关系，动力总成的振动沿着传递路径首先通过悬置系统，再通过一系列的连接件传递到车身，造成车身振动使车内噪声加大。合理匹配动力总成悬置系统，则可以满足刚体振动模态的固有频率和实现系统振动解耦的目标，以降低车内
振动及噪声。实现方法通常采用改变安装位置，安装角度以及刚度等悬置系统参数。受动力总成布置形式限制，安装位置及安装角度往往难以改变，因此，改变悬置刚度以匹配动力总成悬置系统成为最合理的方法。橡胶悬置的刚度参数不仅与材料特性相关，也与结构有关。国内外已对悬置刚度性能做了一系列研究。提出了参数化设计方法，结合有限元软件，对某发动机悬置进行分析，优化得到最终模型。研究人员也对结构参数方面进行了研究。提出了橡胶隔振器拓扑优化设计方法采用密度分布法同时考虑静态和动态性能。使用微分进化算法对形状优化以确定橡胶衬套的模型参数。通过神经网络和遗传算法结合的策略对悬置几何参数进行优化。通过研究锥形橡胶弹簧结构参数对刚度和最大主应变范围的影响，对锥形弹簧结构参数进行优化，优化结果较好。研究人员大量针对橡胶填充结构进行优化分析，很少针对非橡胶填充结构进行分析。因此本文针对某汽车动力总成悬置，对其非橡胶填充结构进行研究。采用正交试验与有限元结合的方法，将非橡胶填充的结构参数与其静刚度的关系建立二阶响应面模型，采用谢菲尔德遗传算法实现多目标优化从而获取最优的结构参数以满足设计目标，优化结果误差较小满足设计要求。