懸架襯套的案例
汽車懸架橡膠襯套靜剛度設(shè)計(jì)方法
摘要:基于剛度疊加法的原理、非線性有限元分析及優(yōu)化理論，提出了懸架襯套3 個(gè)方向靜剛度的設(shè)計(jì)方法。以某乘用車懸架橡膠襯套的三向靜剛度設(shè)計(jì)為例論述了該方法的有效性。該方法對(duì)懸架襯套三向靜剛度的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞
:橡膠襯套;三向靜剛度;剛度疊加;有限元分析;優(yōu)化設(shè)計(jì)
汽車懸架橡膠襯套為懸架系統(tǒng)中重要的彈性元件，三向靜剛度是襯套的重要性能參數(shù)，該參數(shù)對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性和平順性具有較大影響［1］。
在計(jì)算懸架襯套的三向靜剛度時(shí)，目前大都采用試湊的方法，或者利用工程中的一些簡單計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算［2 － 4］。根據(jù)某乘用車懸架系統(tǒng)橡膠襯套的三向靜剛度設(shè)計(jì)要求，基于剛度疊加法、非線性有限元分析和優(yōu)化理論，文中提出了懸架襯套3 個(gè)方向靜剛度的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。首先對(duì)襯套進(jìn)行參數(shù)化，利用ABAQUS 軟件計(jì)算襯套的三向靜剛度與一系列襯套參數(shù)的關(guān)系; 然后進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到襯套的三向靜剛度與襯套參數(shù)的關(guān)系; 最后通過優(yōu)化計(jì)算，得出滿足襯套三向靜剛度要求的襯套參數(shù)。給出了一個(gè)計(jì)算分析實(shí)例，說明了文中論述方法的有效性，該方法可以提高懸架襯套三向靜剛度的設(shè)計(jì)效率。
1 襯套的參數(shù)化和參數(shù)的確定
圖1 為要求設(shè)計(jì)的橡膠襯套安裝圖。橡膠體的內(nèi)外表面分別與鑄鋁內(nèi)管、尼龍外管硫化。其中高度H、內(nèi)徑d 和外徑D 是橡膠體的主要尺寸。襯套三向靜剛度的要求見表1。
由于該懸架襯套2 個(gè)徑向剛度( Kx，Ky ) 的要求值不一樣，為此把襯套在xy 平面內(nèi)的橡膠體設(shè)計(jì)成如圖2 所示的十字架形狀。襯套的橡膠體用2 個(gè)寬度參數(shù)b1，b2 進(jìn)行離散化。
展開 馬自達(dá)Miata Drop-Head Coupe概念車采用碳纖維硬頂設(shè)計(jì)
馬自達(dá)強(qiáng)化了懸架襯套，還升級(jí)了離合器及飛輪。該款車型的限滑差速器(limited-slip differential)及2.0 L直列式四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，可將該2019款車型的動(dòng)力輸出提升了26 Hp，其最大動(dòng)力輸出為181 Hp。
馬自達(dá)對(duì)內(nèi)飾件也做了調(diào)整，但公司尚未透露明細(xì)。目前，該公司官網(wǎng)也只發(fā)布了簡單的信息。
目前，該款馬自達(dá)Drop-Head Coupe概念車只是一款演示車輛，該車型將于下月亮相東京汽車沙龍(Tokyo Auto Salon)。
（來源：蓋世汽車）
底盤橡膠部件低溫特性的試驗(yàn)研究
1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與試驗(yàn)設(shè)計(jì)
為研究各種溫度段內(nèi)底盤橡膠部件的特性變化，本文中選取一種典型的橡膠襯套，即某轎車后縱臂軸套(見圖1)進(jìn)行研究，這種懸架襯套主要承受汽車加速和制動(dòng)時(shí)的縱向載荷和轉(zhuǎn)彎時(shí)的側(cè)向載荷，對(duì)減少汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)零部件之間的沖擊起重要作用。
考慮到汽車底盤橡膠部件中含有很多純天然橡膠，其特性與純天然橡膠的特性類似。圖2為純天然橡膠隨著溫度的動(dòng)態(tài)特性變化。由圖可以看出，低溫段屬于從玻璃相遷移到橡膠相的過渡階段，在這個(gè)范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)特性變化非常大。因此本文中在研究底盤橡膠部件在不同溫度下動(dòng)剛度和相位角的變化特性時(shí)將試驗(yàn)溫度點(diǎn)設(shè)為：-40，-35，-30，-25，-20，-15，-10，-5，0，20，40，60和80℃。
每次試驗(yàn)前，為消除Mullin效應(yīng)，先用測量范圍1.1倍的力進(jìn)行3次靜態(tài)試驗(yàn)，然后進(jìn)入正式測試階段。
為消除傳感器噪聲的影響，提高數(shù)據(jù)的可靠性和真實(shí)性[6]，本文中利用Matlab語言對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。
2 靜態(tài)特性試驗(yàn)研究
底盤橡膠部件的主要特性有頻率依賴性?振幅依賴性和溫度依賴性[7-10]。橡膠部件的常規(guī)特性試驗(yàn)有兩種，即靜態(tài)特性試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)。
靜態(tài)特性指的是在靜態(tài)載荷作用下橡膠部件的特性，例如汽車在停放狀態(tài)下橡膠部件的剛度特性。通過靜剛度的調(diào)整可控制整車和各總成的定位參數(shù)。
本文中以0.1mm/s的加載速度采用三角波的方式進(jìn)行試驗(yàn)，得到后縱臂軸套X方向靜剛度曲線，如圖3所示，相應(yīng)數(shù)據(jù)見表1。
圖4為X方向靜剛度隨著溫度的變化曲線。由圖可見，靜剛度基本上隨著溫度的下降而增大，-40℃時(shí)的靜剛度約為80℃時(shí)靜剛度的1.3倍。
展開 全球8大車企前沿輕量化工藝匯總
捷豹：輕量化、懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)及材質(zhì)
捷豹2018款E-PACE的輕量化表現(xiàn)
該款車型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前護(hù)板、車頂及艙蓋式后背門采用全鋁材質(zhì)打造，相較于鋼制發(fā)動(dòng)機(jī)罩，其發(fā)動(dòng)機(jī)罩為該款捷豹車型減重22磅，而前護(hù)板為車身減重6.6磅。除提升燃油里程，該款輕量化的鋁質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩還降低了車輛的重心，提升了車輛的操控能力與穩(wěn)定性。而鋁質(zhì)艙蓋式后背門則實(shí)現(xiàn)減重33磅。
該款車型設(shè)計(jì)先進(jìn)，采用了鉚接/粘合工藝、對(duì)某些選定結(jié)縫采用激光焊，進(jìn)一步優(yōu)化了車重及品質(zhì)。
捷豹2018款E-PACE懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)及材質(zhì)
前轉(zhuǎn)向節(jié)采用了輕量化的空心鑄鋁組件，旨在提升翹曲度，盡可能降低操縱失靈。E-PACE的前副車架經(jīng)過特殊調(diào)準(zhǔn)，該結(jié)構(gòu)硬度高。懸架襯套及橫向平衡桿質(zhì)地堅(jiān)固，可提升轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度，確保在低傾斜角下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。
捷豹的工程師們采用了大量的輕量化鋁質(zhì)懸架組件，在提升的硬度的同時(shí)降低非簧載質(zhì)量，有助于實(shí)現(xiàn)車輛的動(dòng)態(tài)性能。后懸架安全在輕質(zhì)、堅(jiān)固的鋼質(zhì)副車架上，優(yōu)化轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度，并進(jìn)行了工藝細(xì)化。
5. 寶馬：碳纖維、成本過高
據(jù)外媒報(bào)道，寶馬工程師表示，碳纖維材料由于價(jià)格極為高昂，成本難以降低，在汽車上的應(yīng)用將不太樂觀。碳纖維材料應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)在于其成本過高，且該項(xiàng)技術(shù)的難度也較大，其用途十分有限，僅被用于一級(jí)方程式賽車、價(jià)格高昂的超豪華車型的車身及底盤。
寶馬明確表示，下一代寶馬5系車輛將不會(huì)再使用碳纖維，但寶馬i3、寶馬i8及寶馬7系尚未放棄該材質(zhì)。他表示大約在2020年，寶馬旗下車輛將大量采用碳纖維。寶馬的i3和i8的整個(gè)車身件均采用了碳纖維，而寶馬7系的白車身則采用多種復(fù)合材料，涉及碳纖維板、強(qiáng)化鋼質(zhì)及鋁質(zhì)元件。
6.
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"斷軸門"大爆發(fā)，上汽通用史上最大規(guī)模召回近333萬輛缺陷汽車，涉及別克、雪佛蘭、凱迪拉克
而其召回的共同原因則是車輛所配備的前懸架控制臂襯套在受到較大外力沖擊時(shí)可能會(huì)發(fā)生變形或脫出，并在極端情況下可能導(dǎo)致車輛失控，存在安全隱患。
9月29日，國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布《上汽通用汽車有限公司召回部分別克、雪佛蘭、凱迪拉克品牌汽車》召回公告。公告稱，日前，上汽通用汽車有限公司根據(jù)《缺陷汽車產(chǎn)品召回管理?xiàng)l例》《缺陷汽車產(chǎn)品召回管理?xiàng)l例實(shí)施辦法》的要求，向國家市場監(jiān)督管理總局備案了召回計(jì)劃，決定自2018年10月20日起，召回以下別克、雪佛蘭及凱迪拉克品牌車輛，共計(jì)3,326,725輛。
本次召回范圍內(nèi)車輛配備的前懸架下控制臂襯套，在受到較大外力沖擊時(shí)可能發(fā)生變形或脫出，極端情況下可能導(dǎo)致車輛失控，存在安全隱患。上汽通用汽車有限公司將為召回范圍內(nèi)的車輛免費(fèi)安裝下控制臂集成式襯套，以消除安全隱患。
歷經(jīng)近五年時(shí)間，上汽通用終于承認(rèn)“分體式控制臂襯套”存在設(shè)計(jì)缺陷。曾經(jīng)轟轟烈烈的“斷軸門”，與一汽大眾掛上了等號(hào)；實(shí)際上，上汽通用也是當(dāng)仁不讓的“斷軸”大戶，各個(gè)車型均有斷軸的事實(shí)為證，從2014年下半年開始，上汽通用各個(gè)車型的斷軸事件層出不窮，一個(gè)接著一個(gè)，屢見不鮮。然而，在廣大通用車主的不斷維權(quán)下，上汽通用采取了既不承認(rèn)錯(cuò)誤也不召回，而且2014年以后生產(chǎn)的新車?yán)^續(xù)采取了存在安全隱患設(shè)計(jì)的＂分體式控制臂襯套＂，終究釀成了高達(dá)333萬級(jí)的歷史性“斷軸門事件”。按照一輛車召回成本300元計(jì)算，高達(dá)333萬輛搭載“分體式控制臂襯套”的上汽通用“斷軸隱患車輛”，光召回材料的費(fèi)用就在10億元人民幣左右，不重質(zhì)量安全的后果代價(jià)太重！
涉及召回的車型包括昂科威、威朗、英朗、君越、君威、科魯茲、科沃茲、探界者、邁銳寶XL以及凱迪拉克XT5等十余款車型。如果你是上汽通用車主，并不幸躺槍，電動(dòng)知家建議您趕緊聯(lián)系4S店去維修吧。
展開 知名車企前沿輕量化工藝匯總
馬自達(dá)采用扭力梁式懸架系統(tǒng)替換了上一代多連桿式后懸架系統(tǒng)。當(dāng)該平臺(tái)與Skyactiv-X火花控制壓燃汽油發(fā)動(dòng)機(jī)搭配后，下一代馬自達(dá)3或?qū)⒊蔀橐豢钊苄蛙囆汀?座椅
馬自達(dá)座椅質(zhì)地更硬，可確保壓縮軸平穩(wěn)，使骨盆和上升保持自然的肢體活動(dòng)，使乘客的頭部更平穩(wěn)。為此，對(duì)這類核心區(qū)域的座架進(jìn)行了強(qiáng)化，使得骨盆橫向側(cè)位移的最大降幅達(dá)到了83%，進(jìn)而提升舒適度，并感受細(xì)微的不同。當(dāng)在座椅上做好后，身體將得到支撐，“甩頭”的情況將大幅減少。若乘坐的車輛減震性能不好，您的頭部勢必會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)或搖擺，我相信甩頭絕對(duì)是一項(xiàng)惱人的搭乘體驗(yàn)。
車身設(shè)計(jì)
馬自達(dá)在現(xiàn)款馬自達(dá)3的基礎(chǔ)上做了大量的改動(dòng)。車身的打造通常會(huì)采用三個(gè)矩形構(gòu)架設(shè)計(jì)——其分別跨越前艙壁、跨越B柱、位于后艙壁。馬自達(dá)為最新款底盤設(shè)計(jì)了全方位的環(huán)形結(jié)構(gòu)，在前后減震器剛性支承間構(gòu)建斜向能量路徑，將最新款車身從前端減震器到后減震器的屈曲傳輸速度提升了近三成。
除提升車身剛度外，馬自達(dá)還致力于降噪，其在車身結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌入了16個(gè)減震彈性體，可避免多余的振動(dòng)，保留熱能。這類減震節(jié)點(diǎn)及減震結(jié)合處有助于降低噪聲信號(hào)變動(dòng)的速率，前者會(huì)使人不太愉快。從設(shè)計(jì)角度看，可從聲音變動(dòng)的振幅或頻率來進(jìn)行調(diào)整，這樣乘客所能感知到的刺耳聲音將減少。
使簧下質(zhì)量定時(shí)控制平順化
馬自達(dá)從車輪、輪胎、制動(dòng)器等方面入手。首先，公司為輪胎配置了一塊質(zhì)地較軟的側(cè)壁，降低前/后輪行程，然后又采用了新款襯套設(shè)計(jì)，提升前懸架臂意味著馬自達(dá)可更為精細(xì)地調(diào)控簧下質(zhì)量的定時(shí)控制。馬自達(dá)采用扭力梁式懸架系統(tǒng)替換了上一代多連桿式后懸架系統(tǒng)。
其他方面也有可圈可點(diǎn)之處。電輔助轉(zhuǎn)向的運(yùn)營聲音較輕，其電制動(dòng)系統(tǒng)也表現(xiàn)也很有意思，還需要對(duì)制動(dòng)模塊進(jìn)行些許調(diào)整。
展開 某SUV車型工裝樣車擺臂結(jié)構(gòu)開裂問題優(yōu)化分析
2 整車多體動(dòng)力學(xué)分析
本次分析多體動(dòng)力學(xué)模型包括前懸架系統(tǒng)、動(dòng)力總成系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、穩(wěn)定桿、后懸架系統(tǒng)以及車體，其中車體為剛體，動(dòng)力總成簡化為具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的集中質(zhì)量，懸架系統(tǒng)彈簧、襯套以及緩沖塊的剛度以及阻尼都是實(shí)際樣車測得的數(shù)據(jù)。根據(jù)樣車襄陽實(shí)際道路可靠性試驗(yàn)情況輸出擺臂典型的三個(gè)極限工況下的載荷，極限工況主要有顛簸工況、轉(zhuǎn)彎工況、制動(dòng)工況，各個(gè)極限工況的載荷見表1。
3 擺臂結(jié)構(gòu)耐久性分析
通過對(duì)三個(gè)極限工況的分析，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)工況開裂位置應(yīng)力最大，并且應(yīng)力集中的位置和開裂位置一致，是導(dǎo)致開裂的主要工況，其他兩個(gè)工況應(yīng)力較小并且應(yīng)力與開裂位置不符，因此后續(xù)的優(yōu)化和驗(yàn)證分析都在制動(dòng)工況下進(jìn)行，分別計(jì)算制動(dòng)方向的剛度、制動(dòng)工況下的強(qiáng)度、制動(dòng)工況下的疲勞損傷。
4 擺臂結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化
強(qiáng)度分析結(jié)果表明開裂的主要原因是擺臂下蓋板與上蓋板搭接尺寸較小所致，主要通過優(yōu)化下蓋板的尺寸進(jìn)行解決問題，但下蓋板與上蓋板搭接過多的話會(huì)引起三個(gè)接附點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力集中，導(dǎo)致開裂轉(zhuǎn)移，因此下蓋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化到什么程度同時(shí)又不會(huì)引起其他地方應(yīng)力升高導(dǎo)致開裂就成了解決問題的關(guān)鍵所在。
應(yīng)用HyperMorph和HyperStudy模塊對(duì)加強(qiáng)板進(jìn)行優(yōu)化，以滿足應(yīng)力小于材料的使用安全系數(shù)為條件，以下蓋板圖4紅色箭頭所示方向最佳的優(yōu)化位置為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)保證在制動(dòng)方向的剛度不能降低，尋找下蓋板的最佳位置，以滿足其剛度和強(qiáng)度以及疲勞的要求，通過HyperMorph和HyperStudy模塊優(yōu)化后的下蓋板的最佳尺寸見圖4，在原來開裂的件的基礎(chǔ)上沿紅色箭頭分別增加40mm、25mm。
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