1 引言
動力總成懸置系統重要功能之一是動力總成支撐和定位的作用。根據整車空間及減振的需要,發動機被支撐在幾個懸置上,在發動機本身振動和外界作用力驅動下,發動機和底盤之間存在著相對運動。因此懸置系統具有控制發動機相對運動和位移的功能,使發動機始終保持在相對穩定和正確的位置上,而不能讓發動機在各方向運動中與底盤、車身上的零件產生干涉和觸碰。對于懸置系統而言,其疲勞性能的好壞對整車性能影響極大,越來越受到人們的關注。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整個懸置系統的壽命起著決定性的作用。今年來隨著有限元技術的不斷成熟,用有限元法來分析橡膠材料的疲勞破壞被各國學者廣泛采用。某動力總成橡膠懸置在臺架疲勞中出現橡膠主簧斷裂現象,如圖1 所示。由圖可知,橡膠主簧斷裂處位于主簧下側圓角處。此懸置臺架疲勞要求在特定的疲勞工況及特定的試驗頻率下,橡膠主簧40 萬次不出現裂紋,但是試驗懸置在27 萬次時失效,出現橡膠主簧斷裂現象。

圖1 失效橡膠懸置疲勞斷裂示意圖

針對此問題,首先采用ABAQUS 對失效懸置進行剛度與應變進行分析,找出失效懸置主簧斷裂與有限元計算結果之間的一致性;然后根據失效懸置與計算結果對原懸置重新進行結構設計,并利用ABAQUS 預測新結構懸置的應變與疲勞特性;最后通過臺架疲勞試驗驗證此懸置的實際壽命。
2 失效懸置有限元分析
2.1 模型描述
此懸置為某汽車動力總成前懸置,懸置外管與動力總成側支架固連接,懸置芯子與車身側支架固連接,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,在臺架疲勞試驗中,主要對懸置主方向Z 向進行疲勞驗證;疲勞試驗在MTS 單軸疲勞試驗機上通過特制工裝分別連接懸置外管及懸置芯子進行試驗,作動缸在懸置芯子端加載模擬懸置實際受載。
2.2 懸置結構有限元模型
橡膠材料的彈性特性表現為超彈性行為,其具有某種形式的應變能函數,可通過該應變能函數推導出應力-應變關系。根據不同的應變能函數可得到各種不同的橡膠超彈性本構模型。由于ABAQUS 擁有豐富的橡膠超彈性本構模型、較強的非線性與接觸計算功能,故采用ABAQUS 軟件對此懸置進行有限元分析。本文的橡膠超彈性模型采用Mooney-Rivlin 模型,通過橡膠材料試驗獲得其模型參數;網格采用C3D8RH(一階六面體縮減雜交單元)類型單元。
為模擬實際懸置的真實邊界,在ABAQUS 中對懸置進行簡化處理,即只生成懸置橡膠主簧的網格,通過約束懸置橡膠主簧外側(外管硫化)單元節點6 個方向自由度來模擬懸置橡膠主簧約束邊界,在懸置彈性中心點建立與懸置橡膠主簧的內側(與芯子硫化處)單元節點的Coupling 來模擬加載區域,如圖3 所示。

圖3 懸置有限元建模

2.3 懸置靜剛度分析
此動力總成懸置系統為四點支撐結構,發動機側懸置、變速箱側懸置及前后懸置,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-位移曲線測試值、計算值與目標值吻合較好;由于在大位移下橡膠主簧發生較大變形,網格變形嚴重,計算不易收斂,故一般計算出懸置的拐點即能得出懸置的非線性特性。將懸置測試、計算與目標線性段靜剛度分別為71N/mm,65N/mm 與68N/mm,可知計算值和目標值的誤差控制在10%以內。

圖4 失效懸置力-位移曲線

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

圖5 失效懸置應變分析結果

從上圖可以看出,在疲勞工況載荷下,懸置Z 向上拉的最大應變是0.436,懸置Z 向下壓的最大應變是0.621;采用ABAQUS計算出的應變集中位置與圖1 中實際零件疲勞破壞位置一致,在一定程度上說明采用ABAQUS 計算懸置在疲勞工況下的應變來反映其疲勞特性是可行的。
3 懸置新結構設計更改
3.1 懸置新老結構更改對比
針對老結構懸置的失效,在失效懸置基礎上對其結構進行更改,重新設計了另外一種新結構懸置,新老結構差異對比如圖6 所示。

圖6 新老懸置結構對比

3.2 新結構懸置靜剛度分析
對新結構懸置按照前述有限元邊界與材料本構計算其靜剛度,其結果如圖7 所示,因橡膠主簧結構未做調整,新結構懸置線性階段剛度值沒有太大變化,通過更改+Z 向限位塊,+Z 向剛度曲線拐點靠后了,比老結構更靠近目標值。

圖7 新結構懸置力-位移曲線

3.3 新結構懸置應變分析
通過新老結構在相同疲勞工況載荷下的應變統計對比(如表1)結果可以看出,懸置應變集中位置基本沒有發生變化;而在在拉伸載荷下,新老結構應變值相差不大,在壓縮載荷下,新結構的倒角處的應變相對于老結構,有很大的改善,有利于懸置疲勞。

3.4 新結構樣件疲勞試驗結果
根據新結構的懸置方案,采用同一批膠料制作新結構懸置,在相同的疲勞條件下對其進行臺架試驗,新結構懸置承受40 萬次疲勞試驗后,橡膠主簧沒有出現裂紋,達到疲勞目標值。
4 結論
通過對汽車動力總成某失效懸置與新結構懸置有限元計算、疲勞測試結果對比分析,可以得到以下結論:
(1) 在懸置設計初期可采用ABAQUS 對其靜剛度進行計算,并且計算值與測試值具有良好的一致性,兩者誤差在工程可接受范圍內;
(2) 在懸置疲勞預測與整改過程中可采用ABAQUS 計算懸置在實際疲勞載荷下的應變,其計算的應變值與實際零件疲勞次數具有較強的一致性。