（机械工程专业论文）橡胶衬套刚度对悬架k＆c特性及整车操纵稳定性的影响.pdf

，kp_，i_j| ，!i t h ei n f l u e n c eo fr u b b e rb u s h i n gs t i f f n e s st os u s p e n s i o nk & c c h a r a c t e r i s t i c sa n df u l lv e h i c l eh a n d i n ga n ds t a b i l i t y b y l il i n h u a b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rs o n gx i a o l i n a p r i l ，2 0 1 1 ot 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 储躲力梢 日期：冽年j 月刁日 ，r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 黧挺：黧妻暑盈 剔磁各黝辨一醐珈j j 月碜日 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车操纵稳定性的影响 摘要 随着橡胶元件在现代汽车上的广泛应用，作为具有弹性，粘性阻尼特性，大 变形时的塑性特性的橡胶衬套偏离当初设计者采用它提高汽车操纵稳定性以及乘 坐舒适性的初衷，对整车性能也造成了负面的影响。 橡胶衬套的改变会对整车造成影响，其安装方向的改变；几何结构尺寸的不 同；材料属性的变化等都会影响悬架甚至整车的性能。但归根结底，主要表现在 橡胶衬套的刚度值上。研究表明，橡胶衬套对不同形式的悬架结构影响不同。考 虑到橡胶衬套对悬架的运动特性和整车性能的重要影响，进行了不同橡胶衬套刚 度下悬架的k & c 特性分析以及操纵稳定性的比较分析。 本文具体阐述了悬架k & c 特性的内容，研究方法，虚拟样机中的仿真实验 以及其评价指标对整车操纵稳定性的影响。在a d a m s 中建立了面向特性的橡胶 衬套力学模型，并建立了包含有橡胶衬套的麦弗逊悬架、双横臂悬架以及国内某 车型的前后独立悬架。在a d a m s 虚拟软件中调整橡胶衬套的刚度值进行平行轮 跳实验和侧向力作用实验，得到不同橡胶衬套刚度下悬架评价指标随轮跳和侧向 力变化的曲线，并比较分析各悬架在不同橡胶衬套刚度下k & c 特性。结果表明 橡胶衬套刚度值越小，评价指标越灵敏，且各悬架对刚度值的灵敏度不一样。 在c a r s i m 软件中建立了国内某车型的整车模型，主要研究不同橡胶衬套刚度 下悬架k & c 特性对整车操纵稳定性的影响。根据国家操纵稳定性标准，对该车 不同橡胶衬套刚度下进行了蛇行实验，转向瞬态响应实验中的角阶跃输入实验以 及稳态回转实验，根据国家操纵稳定性评价方法对各橡胶衬套刚度下的实验进行 计分。结果表明对于国内该车型，随着橡胶衬套刚度的增加，该车的操纵稳定性 能有所改善。 关键词：橡胶衬套；悬架k & c 特性；操纵稳定性；评价指标 i i _j 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nm o d e r ne a r s ，t h er u b b e rb u s h i n g ，w h i c hh a s e l a s t i c ，v i s c o u sd a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dp l a s t i cp r o p e r t i ei n 1 a r g ed e f o r m a t i o n ， d e v i a t e sf r o mt h eo r i g i n a lu s i n go fi m p r o v i n gt h ev e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y ，a n d a l s oc a u s e sn e g a t i v ee f f e c t st ot h ew h o l ec a r t h ec h a n g eo fr u b b e rb u s h i n gw i l la f f e c tt h ev e h i c l e ，s u c ha st h ec h a n g eo f m o u n t i n gd i r e c t i o n ；t h ed i f f e r e n ts i z e so fg e o m e t r i cs t r u c t u r e ；a n dc h a n g e si nm a t e r i a l p r o p e r t i e s ，w i l la f f e c tt h es u s p e n s i o ne v e nv e h i c l ep e r f o r m a n c e b u ti nt h ee n d ，i ti s m a i n l ye x p r e s s e di nt h er u b b e rb u s h i n gs t i f f n e s sv a l u e s t u d i e sh a v es h o w nt h a t d i f f e r e n tf o r m so f r u b b e rb u s h i n gh a v ead i f f e r e n ti n f l u e n c eo nd i f f e r e n ts u s p e n s i o n s t r u c t u r e t a k i n gt h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fr u b b e rb u s h i n go nt h es u s p e n s i o n a n di m p o r t a n ti n f l u e n c eo nv e h i c l ep e r f o r m a n c ei n t oa c c o u n t ，c o m p a r a t i v ea n a l y s e d t h ek&cc h a r a c t e r i s t i c so fs u s p e n s i o na n dh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c s u n d e rd i f f e r e n tr u b b e rb u s h i n gs t i f f n e s s t h i sp a p e rs p e c i f i c a l l yd e s c r i b e st h ec o n t e n to fs u s p e n s i o nk & c c h a r a c t e r i s t i c s ， r e s e a r c hm e t h o d o l o g y ，s i m u l a t i o nt e s ti nv i r t u a lp r o t o t y p i n ga n dt h ei n f l u e n c eo fi t s e v a l u a t i o ni n d e xt ov e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y t h em e c h a n i c a lm o d e lo fr u b b e r b u s hi nc h a r a c t e r i s t i c si se s t a b l i s h e di na d a m s ，a n dm a c p h e r s o ns u s p e n s i o n ，d o u b l e w i s h b o n es u s p e n s i o n ，a n dt h ef r o n ta n dr e a ri n d e p e n d e n ts u s p e n s i o no fad o m e s t i c v e h i c l ew i t hr u b b e rb u s h i n g sa r ea l s ob u i l t d o i n gp a r a l l e lw h e e lt r a v e la n dl a t e r a l f o r c ee x p e r i m e n ti na d a m su n d e rd i f f e r e n tr u b b e rb u s h i n gs t i f f n e s si n d e x ，o b t a i n i n g r e l e v a n t s u s p e n s i o n e v a l u a t i o ni n d i c a t o r c u r v e ，a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s et h e s u s p e n s i o nk & cc h a r a c t e r i s t i c su n d e rd i f f e r e n tr u b b e rb u s h i n gs t i f f n e s s t h er e s u l t s s h o wt h a tt h es m a l l e rt h er u b b e rb u s h i n gs t i f f n e s s ，t h em o r es e n s i t i v et h ee v a l u a t i o n i n d i c a t o r ，a n dt h es e n s i t i v i t yi sn o tt h es a m et od i f f e r e n ts u s p e n s i o n b u i l tt h ed o m e s t i cv e h i c l em o d e l i nc a r s i m a n dm a i n l yr e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo f s u s p e n s i o nk &cc h a r a c t e r i s t i c st ov e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yu n d e rd i f f e r e n t r u b b e rb u s h i n gs t i f f n e s s a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r d so fh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y ， t h es n a k ee x p e r i m e n t ，a n g l el a p l a c ed o m a i ne x p e r i m e n to fs t e e r i n gt r a n s i e n tr e s p o n s e e x p e r i m e n t ，a n ds t e a d y - s t a t er o t a r ye x p e r i m e n ta r ec a r r i e do u tu n d e rd i f f e r e n tr u b b e r b u s h i n gs t i f f n e s s o nt h eb a s i so ft h en a t i o n a ls t e e r i n gs t a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d ， e x p e r i m e n t sa r es c o r e di nv a r i o u sr u b b e rb u s h i n gs t i f f n e s s t h er e s u l t ss h o wt h a tt o 1 i i 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车操纵稳定性的影响 t h ev e r yc a r ，t h ev e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yw i l lb e c o m eb e t t e rw i t ht h ei n c r e a s eo f b u s h i n gs t i f f n e s s k e y w o r d s ：r u b b e rb u s h i n g ；s u s p e n s i o nk & cc h a r a c t e r i s t i c s ；v e h i c l eh a n d l i n ga n d s t a b i l i t y ；e v a l u a t i o ni n d e x 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 研究意义1 1 2 橡胶衬套概述1 1 2 1 橡胶衬套1 1 2 2 橡胶衬套对性能的影响4 1 3 国内外研究概况5 1 3 1 橡胶衬套模型的发展概况5 1 3 2 悬架k & c 特性及整车操纵稳定性研究概况6 1 4 本文研究的内容6 第2 章橡胶衬套建模及悬架k & c 特性8 2 1 面向特性的悬架橡胶衬套建模8 2 1 1 悬架橡胶衬套的力学特性一8 2 1 2 橡胶衬套力学特性建模1 0 2 1 3 橡胶衬套刚度的数学模型1 0 2 2 悬架k & c 特性1 3 2 2 1 悬架运动学与弹性运动学的定义1 3 2 2 2 研究悬架k & c 特性的方法1 3 2 2 3 悬架k & c 特性的虚拟样机仿真1 3 2 2 4 悬架运动与弹性运动评价指标1 4 2 3 本章小结18 第3 章橡胶衬套刚度对不同悬架k & c 特性的影响1 9 3 1a d a m s 软件简介1 9 3 2 典型的悬架参数化模型的建立2 1 3 2 1 麦弗逊式独立悬架2 1 3 2 2 双横臂式独立悬架2 2 3 2 3 某车型前悬架一2 2 3 2 4 某车型后悬架2 3 v 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车操纵稳定性的影响 3 3 橡胶衬套刚度变化对悬架k & c 特性影响分析2 4 3 3 1 橡胶衬套刚度变化对悬架k 特性影响2 5 3 3 2 橡胶衬套刚度变化对悬架c 特性影响2 9 3 4 本章小结3 3 第4 章橡胶衬套对整车性能影响分析3 5 4 1 整车模型的建立3 5 4 1 1c a r s i m 软件介绍3 5 4 1 2c a r s i m 中整车模型的建立3 6 4 2 橡胶衬套刚度对整车操纵稳定性的影响4 0 4 3 本章小结4 7 第5 章全文总结与展望4 8 5 1 全文总结4 8 5 2 研究展望4 8 参考文献5 0 致 射5 3 v i r t 硕士学位论文 1 1 研究意义 第1 章绪论 随着我国高速公路和高速运输业的快速发展，车辆的行驶速度越来越快，最 高车速和转弯车速越来越高，行驶过程中的加速度愈来愈大；因而对车辆的舒适 性、稳定性和安全性提出了更高的要求。 为了使车辆获得良好的操纵稳定性和乘坐舒适性，在车辆悬架系统的连接处 使用了大量的橡胶件。悬架上的橡胶件在传递力与力矩的过程中充当了重要的角 色，特别是橡胶衬套。起初，采用橡胶衬套是为了隔离路面对车身的冲击和振动， 但在大量采用橡胶衬套后，悬架的运动学特性和弹性运动学特性( 简称悬架k & c 特性) 变化变得比较突出，且如果橡胶衬套使用不当还会对汽车的操纵稳定性产 生负面影响；车速的不断提高，使汽车横向运动时悬架承受的侧向力大大增加， 悬架弹性运动较为明显。通常转向轮胎的侧偏角在3 4 度左右，而悬架弹性转角 却能达到1 2 度，这使得高速下弹性转向对汽车的稳定性影响较大。对橡胶衬套 利用的好坏，将对整车的转向性能造成至关重要的影响。 在现代轿车广泛使用橡胶衬套后，橡胶衬套对整车性能的影响就日益受到人 们的重视。深入系统的开展橡胶衬套对悬架k & c 特性，整车平顺性、操纵稳定 性的研究，并由此指导现代汽车悬架和整车的开发设计，提高汽车的操纵稳定性、 乘坐舒适性，安全性等已成为汽车研究中的一项重大课题。 1 2 橡胶衬套概述 1 2 1 橡胶衬套 在汽车上用到的橡胶零件有6 0 0 多种，其中大部分是作为承载结构零件【l 】。 这些橡胶零件起着不同的作用，如吸收冲击、密封、隔振以及在高温高压下输送 液体和气体等。在汽车悬架，尤其是现代轿车中，橡胶衬套作为一个重要部件已 经引起汽车设计人员的高度重视。如图1 1 所示，橡胶衬套由内、外套筒和套筒 中间的橡胶层结合成一体，内、外套筒一般用金属材料制造而成，橡胶层的主要 材料来自于天然的橡胶，橡胶层通过硫化等方法与内外套筒粘接在一起。橡胶衬 套在汽车悬架上主要用于铰链连接，例如，减振器与车桥或摆臂的连接，车架与 拖臂的连接，车身与悬架摆臂的连接，扭转稳定杆的安装点等等。 j17码，嚎；葶+ 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车操纵稳定性的影响 一外套筒 图1 1 橡胶衬套图1 2 橡胶衬套变形示图 在固定橡胶衬套的外套筒的情况下，通过内套筒的运动可产生四种基本变形 方式( 坐标如图1 2 所示) ：( 1 ) 轴向变形，即内套筒上的每个点进行平行于o x 轴的平移；( 2 ) 径向运动，即内套筒沿径向方向( o y 轴或o z 轴) 平移；( 3 ) 扭 转，即内套筒绕o x 轴回转；( 4 ) 侧倾变形，即内套筒绕o x 轴的正交轴一o y 轴或o z 轴转动。橡胶衬套的径向刚度和轴向刚度一般并不相同，刚度的变化和 大小可以通过其结构和形状来构造，也可以通过橡胶材料的配方和调整加工工艺 来实现【2 1 。 1 2 1 1 橡胶衬套的分类 橡胶衬套按形状分为压缩型、剪切型和复合型三类。 1 压缩型 压缩型橡胶衬套多用于载荷大或允许橡胶的空间余量小的场合，如图1 3 所 示。 i l 崖毋徊彩：7 ( a ) 带有内部自由空间( b ) 带有中间粘结板 图1 3 压缩型橡胶衬套 图1 3 ( a ) 中的内部自由空间能够降低k l k 2 ( k l 为垂直或轴向方向刚度，k 2 为 径向或横向方向上的刚度) 的比值，起到降低压缩向刚度的作用；图1 3 ( b ) 中的中 间粘结板能够提高其k l k 2 值，在截面积相同的情况下可承受大的载荷。 2 剪切型 剪切型橡胶衬套包括普通型和两体型，多用于某一方向的刚度非常低的场合 2 硕士学位论文 或载荷轻、转速低的机器上，如图1 4 所示。其中，图1 4 ( a ) 是控制臂橡胶衬套 常用结构，图1 4 ( b ) 由2 个橡胶衬套组成，多在内筒端面方向加载。由于这种形 式的橡胶衬套在端面方向有主载荷作用，所以通常采用先将内筒与橡胶硫化粘结， 然后再压入外筒的结构形式。 i 簟两羹力 ( a ) 常见型( b ) 无内筒型 图1 5 复合型橡胶衬套 1 2 1 2 橡胶衬套的作用 在悬架系统中引入橡胶元件可在几乎不改变低频段隔振特性的前提下，可大 大改善系统在高频段的隔振效果。有助于悬架系统隔离高频固有振动，降低路面 不平度引起的车内噪声。所以，通过设计橡胶衬套的特性可缓解从路面传来的振 动及冲击，确保操纵稳定性。有些橡胶衬套还兼有万向铰的功能，可避免一些零 件在使用中承受弯矩和早期磨损。橡胶衬套与其它零件相比具有如下优点： ( 1 ) 因橡胶的弹性模量比金属的小，故隔振降噪效果显著； ( 2 ) 橡胶的形状不受限制，各方向的刚度可在一定范围内自由选择，能适当 地选择3 个方向的弹簧刚度比； 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车操纵稳定性的影响 ( 3 ) 能很容易的与金属件牢固结合，使橡胶衬套可承受多方向的载荷。既简 化了结构，又减轻了整车质量； ( 4 ) 硫化橡胶的内部摩擦比金属内部摩擦大，且具有随频率增大而增大的倾 向，故在共振时振幅较小； ( 5 ) 硫化橡胶有较大的可逆向弹性变形，且弹性系数比金属的小。 但橡胶衬套的耐高低温性和耐油性比金属零件差；长时间连续负荷，会产生 蠕变和滞后。通过橡胶聚合物的适当选择，这些缺点可以在一定程度上得到改善 【2 ，5 ，6 】 o 1 2 2 橡胶衬套对性能的影响 悬架上的橡胶衬套除提供扭转和倾斜的柔性链接外，将较大程度地改善汽车 的舒适性和操纵稳定性。由于橡胶衬套所特有的力学特性，其对整车性能的影响 主要体现在低频的操纵稳定性、平顺性和高频的整车n v h 特性。悬架橡胶衬套 对整车性能影响关系如图1 6 所示。 图1 6 橡胶衬套对性能的影响关系 橡胶衬套的各向刚度值还会影响悬架侧倾角刚度的大小，一般认为橡胶衬套 对车身抗侧倾性能的贡献在l o 左右。 由于橡胶衬套的粘弹性特性，其相当于悬架的隔振、隔噪装置，其性能对整 车的n v h 性能有很大的改善【7 1 。橡胶衬套对悬架振动系统传递特性的影响主要表 现在：对汽车振动平顺性，车身固有频率附近的传递特性；对汽车的n v h 特性， 固体波动乃至噪声控制十分重要的高频特性1 8 j 。 橡胶衬套通过改变车辆垂直方向和水平方向上的悬架刚度直接影响整车的平 顺性。悬架系统的垂直刚度主要由以下部分组成：( 1 ) 主簧线刚度及导向机构几何 参数确定的刚度k o ；( 2 ) 由于过约束引起的导向机构杆件变形和橡胶衬套变形引起 的刚度k l ；( 3 ) 转向时，由于横向稳定杆扭转决定的刚度k 2 ；( 4 ) 悬架橡胶缓冲块 4 硕士学位论文 决定的刚度k 3 。在车辆悬架小变形范围内，橡胶衬套对悬架垂向刚度的影响较小 【8 ，9 1 。由于橡胶衬套径向及轴向刚度与阻尼特性的影响( 与衬套的安装位置相关) ， 橡胶衬套还对汽车水平顺从性有一定影响，能有效的抑制低频区的振动。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 橡胶衬套模型的发展概况 在对橡胶衬套的研究过程中，主要从两个方向展开：面向特性和面向结构。 到目前为止，很多理论成果和研究都是面向特性的。2 0 世纪6 0 年代佩恩发现橡 胶衬套的动态模量随应变值的增加而不断减小，低频情况下，模量的减小几乎与 频率无关【1 0 】；7 0 年代，迈德里亚概括了动态模量和振幅之间的关系【l l 】；8 0 年代， 斯蒂文森【l2 】和一些学者发现对于由非填充橡胶构成的橡胶元件可以用粘弹性模 型来表示，而为填充橡胶时，由于振幅对动态模量的影响比频率和温度更重要， 就不能很好的反应橡胶元件的特性；后来克劳兹【l3 】提出了反映振幅影响的一维模 型，他的模型也被其他一些学者如乌尔姆尔【l4 1 、维尤埃格【l5 】等证明。在这些研究 的基础上，学者和专家纷纷提出了不同的橡胶衬套模型来反映橡胶衬套的特性。 最初的模型为k e l v i n v o i g t 模型，该模型为用同轴的位移力曲线来描述橡胶 衬套模型的简单粘弹性模型。该模型中各个方向上的自由度是相互独立的，而经 过各种实验证明这个假设是不成立的。莱蒙恩【l6 j 等人提出了改进模型，虽然有一 定改善，但该模型过高估计了因耦合造成的刚度改变，并且没有解决振幅的影响。 为了描述振幅的影响，专家们提出了塑弹型模型，如广义的马克斯韦尔模型很好 的解决了振幅对橡胶衬套特性的影响，不过忽略了频率因素。齐纳提出了综合考 虑振幅和频率作用的齐纳模型，但由于在应用中模型过于简单，精度不够，无法 反应橡胶衬套的特性。进入2 1 世纪，随着对橡胶衬套模型精度的需求，s a w o m i r d z i e r e k 提出了基于试验的模型【1 7 】。该模型由粘性阻尼，弹性弹簧和摩擦阻尼组 成。这种方法先将力位移曲线分解成表示衬套弹性特性的恢复力曲线和表示阻尼 特性的阻尼曲线，用部分阻尼曲线来识别耗散力的性质，然后通过分析回复力曲 线和部分阻尼曲线确定单个部件的类型、排列和解析的种类。通过试验表明，在 期望的频率、振幅和变形模式范围内，该模型能很好的模拟橡胶衬套的刚度和阻 尼特性且很容易应用于a d a m s 模型。但该模型只能对橡胶衬套的径向和轴向进 行描述，对其扭转和摆转特性是失效的，而且也没有考虑橡胶衬套的各向耦合。 2 0 0 3 年瑞格纳尔在肖伯格、高尔以及巴格利等人提出的k e l v i n v o i g t 模型基 础上，提出了改进的k e l v i n v o i g t 模型。整个模型由阻尼部分和弹性部分组成。 阻尼部分又分为粘性阻尼和摩擦阻尼，粘性阻尼用来描述频率的影响，摩擦阻尼 用来描述振幅对橡胶衬套特性的影响；弹性部分由弹性弹簧表示。同年，费德雷 克卡尔森和安德斯伯森提出了广义粘塑弹性模型。 5 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车操纵稳定性的影响 面向结构的研究相对少些，其中比较有代表性的是马振东博士在这方面的研 究。他将橡胶衬套处理为作用在刚体和刚体间的无质量力元，通过力向量，将其 引入运动方程【1 8 2 们。 1 3 2 悬架k & c 特性及整车操纵稳定性研究概况 随着独立悬架的产生，2 0 世纪3 0 年代，汽车领域的专家们就开始对悬架运 动学特性进行了研究和分析；而对悬架橡胶衬套的研究相对较晚，在8 0 年代，橡 胶衬套在汽车上大量采用后才兴起。 g b r o u l h i e t 较为详细的讨论了学者们对悬架运动学的研究。在德国耶尔森 赖姆帕尔的汽车底盘基础中研究了车辆运动学和弹性运动学，内容涉及到车轮定 位参数( 前束角，轮距，轴距，主销内倾角，主销后倾角等) 对汽车操纵稳定性， 直线行驶，轮胎磨损等性能的影响分析，并采用大量实例对汽车的性能进行了分 析【2 1 1 。德国的阿达姆措莫托德汽车行驶性能、w o l f g a n gm a t s c h i n s k y 编写的 车辆悬架、日本学者安部正人所著的汽车的运动和操纵、美国的t h o m a s d g i l l e s p i e 教授讲义所著的车辆动力学基础以及宇野高明编写的汽车行驶 性能和底盘机构等都对汽车悬架的k & c 特性对汽车操纵稳定性的影响进行了 深入的讨论分析【2 玉2 5 】。 我国在汽车悬架k & c 特性上的研究始于2 0 世纪8 0 年代。其中郭孔辉教授 所著的汽车操纵动力学系统的分析了悬架k & c 特性，率先从侧向力转向， 纵向力转向的角度出发来研究，同时，对汽车操纵稳定性做了系统的研究，提出 了操纵稳定性的评价指标和实验方法等【2 6 1 。林逸教授对车用橡胶元件的特性进行 了大量的研究 2 7 , 2 8 】。同济大学雷雨成教授也探讨了橡胶衬套等弹性元件对整车性 能的影响。吉林大学在围绕悬架k & c 特性方面研究较为全面，包括悬架弹性运 动学特性及对整车操纵稳定性的影响分析，悬架k & c 特性评价，对深入研究悬 架k & c 特性以及整车操纵稳定性提供了重要的参考【1 9 , 2 0 】。 1 4 本文研究的内容 橡胶衬套对整车性能的影响主要表现在低频的操纵稳定性和平顺性以及高频 的整车n v h 特性。考虑到悬架的橡胶衬套对悬架的运动特性和整车性能的重要影 响，进行不同橡胶衬套刚度下悬架运动学特性和弹性运动学特性分析以及操纵稳 定性的分析是完全有必要的。本文的主要内容有： 1 第一章对橡胶衬套的结构型式进行了概述，阐述了其对汽车性能的影响。 归纳总结了橡胶衬套模型研究概况，以及其对悬架k & c 特性和整车操纵稳定性影 响的研究概况； 2 第二章建立了面向特性的橡胶衬套力学特性模型，并阐述了悬架k & c 特性 的定义、研究方法、虚拟样机中的仿真实验以及评价指标及其对操纵稳定性的影 6 硕士学位论文 响分析。为以后的分析奠定了理论基础。 3 第三章在a d a m s 软件中建立了典型的麦弗逊独立悬架、双横臂独立悬架 以及国内某车型的前后独立悬架模型。对各悬架的橡胶衬套刚度值进行调整，分 析比较了在o 1 倍，0 2 倍，初始值，5 倍，1 0 倍橡胶衬套刚度值下各悬架的k & c 特 性。结果表明随着橡胶衬套刚度的减少，悬架各评价指标受其影响越灵敏。 4 第四章根据第三章的分析，在c a r s i m 软件中建立了国内某车型在橡胶衬套 刚度为0 1 倍，初始值以及1 0 倍下的整车模型。根据国家标准，进行了蛇行仿真实 验，转向瞬态响应实验中的角阶跃输入实验以及转向回正实验，并对仿真结果进 行了分析比较，根据国标中操纵稳定性评价方法进行计分。 5 第五章对全文进行了总结，并对橡胶衬套对整车性能的研究提出了展望。 7 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车操纵稳定性的影响 第2 章橡胶衬套建模及悬架k & c 特性 橡胶衬套模型研究方法主要有面向结构和面向特性的建模两种。面向结构的 方法一般是根据橡胶衬套的物理特性，如几何结构形状，橡胶的材料特性( 邵氏 硬度、杨氏模量等) 在有限元软件中建模，然后在虚拟样机中建立刚弹耦合模型 进行分析。面向特性的方法一般是根据试验测试得到橡胶衬套的特性曲线，然后 直接在虚拟样机软件中建立相应的橡胶衬套模型进行分析。本文中对橡胶衬套的 建模是基于特性的建模。首先在对橡胶衬套建模时分析了橡胶衬套的力学特性， 提出了橡胶衬套线性力学模型，橡胶衬套非线性力学模型，橡胶衬套耦合力学模 型，并对其进行了分析。根据橡胶衬套的静态力学特性试验数据，在a d a m s c a r 中建立了面向特性的橡胶衬套模型。然后提出因橡胶衬套变形引起的反映悬架运 动学特性( 即k 特性) 和弹性运动学特性( 即c 特性) 变化的评价指标，并分析 这些评价指标对整车操纵稳定性的影响。 2 1 面向特性的悬架橡胶衬套建模 2 1 1 悬架橡胶衬套的力学特性 汽车上使用的橡胶衬套是用经过硫化和填充的天然橡胶做成的。天然橡胶在 天然状态下分子呈线性，分子链长，彼此之间不产生交联，具有较大的柔顺性。 在外力作用下，分子链本身的伸张或收缩表现为超弹性，分子链之间的相互摩擦 表现为天然橡胶的粘性，分子链之间的错动表现为天然橡胶的塑性。因此，天然 橡胶具有超弹性，粘性阻尼特性，大变形时的塑性三个重要的物理特性，且对温 度非常敏感。由于这些特性，使得橡胶变得柔软，胶粘，很少用于实际应用。橡 胶经过硫化和填充以后，它的力学特性主要表现为弹性特性和阻尼特性。在受到 不同的外力作用下，橡胶衬套表现为静态力学特性和动态力学特性【1 9 , 2 9 。 橡胶衬套的静态力学特性是指在线性的缓慢增加的载荷力作用下，橡胶衬套 发生的变形随载荷力的变化关系，也就是橡胶的静刚度特性。橡胶材料在变形不 大的工况下静刚度特性大致呈线性特性，常用杨氏模量e o 来描述，此时的e o 为： e 0 = 鬻n s t a n f 亿， t r ( t ) 和占( f ) 分别为应力和应变随时间的变化量，e o 即为橡胶材料的弹性模量。 通过硫化和填充等不同配方措施可以使e o 有很大的变化，一般可在o 2 8 0 m p a 的范围内变动。而橡胶衬套的静刚度特性一般用橡胶衬套的变形万( f ) 与外力f ( f ) 的变化关系来表示，用静刚度k ，表征。k 。为： 硕士学位论文 i 耻鬻= c o r l s t a n ， ( 2 2 ) 橡胶衬套的动态力学特性是指受不断变化的非线性载荷力作用时表现出的力 学特性，通常加载正弦力来研究其动态力学特性。由于橡胶材料具有阻尼，在周 期性的正弦力作用下，应变响应s ( f ) 的周期性变化滞后于应力c r ( t ) 的变化，两者 同频率而不同相位，这种现象称为滞后现象。 在对橡胶试件施加一个正弦交变的简谐激励应力的情况下，设 s = 8 0 e 伊 ( 2 3 ) 则有 仃= 仃n e j ( 甜+ 一 ( 2 4 ) 由此推导出橡胶的复弹性模量： 如詈= 可o - o e j ( t a + # ) = 旦8 0 s q e ”。 ：鱼c o s + 歹鱼s i n s q占o = e j 七 e ； = e ( 1 + j r l ) ( 2 5 ) 式中：e 为为复弹性模量，e 为同向弹性模量，五”为正交弹性模量。且 = ：= t a n 孕i r t a n t z o ) 2 了= j 式中，7 为橡胶材料的耗散因子，为相位差或损失角。令岛为复模量e ? 的模 ( 即动态模量) ，则有： 易= l e i = ( e ) 2 + ( e ”) 2 ( 2 7 ) 对应橡胶衬套而言，将上述各应力应变转换为动态正弦载荷f ( t ) 和动态变形 万o ) ，可以得到橡胶衬套的复刚度为： k = k + j r ”= k ( 1 + _ ，7 7 ) ( 2 8 ) 式中：k 为橡胶衬套的复刚度，k 为橡胶衬套的单向位移动刚度( 同向动 刚度) ，k “为橡胶衬套的正交动刚度( 结构阻尼系数) ，且有： ，7 ：鲁 ( 2 9 ) ，7 2 万 y ， k d = i k l = 而碍丽 ( 2 1 0 ) 式中：刀为耗散因子，k d 为橡胶衬套的动刚度1 9 1 。 本文研究的是悬架动力学特性及整车操纵稳定性，此时橡胶衬套的工作频率 9 橡胶衬套刚度对悬架k & c 特性及整车操纵稳定性的影响 通常在2 - 3 h z ，主要表现为静态力学特性。 2 1 2 橡胶衬套力学特性建模 在悬架中常用的橡胶衬套是由中间橡胶体和内、外金属套筒组成。在使用时 橡胶衬套外筒固定，内筒随车轮或其它零件的运动而产生相应的变形。橡胶衬套 作为两个物体的连接部件，根据两物体在连接点处的相对位移，橡胶衬套模型对 两者施加六个方向的弹性力和阻尼力，因此对橡胶衬套的力学特性建模一般考虑 六个方向的刚度特性，即两个径向刚度k ，、k 。，一个轴向刚度k ：以及三个扭转 刚度k k 。、k 。各个方向上的差别很大，而且因受力和变形相互影响，彼 此间存在耦合关系。 橡胶衬套模型主要有三种：橡胶衬套线性力学模型，橡胶衬套非线性力学模 型，橡胶衬套耦合力学模型。橡胶衬套的线性力学模型，两连接部件之间的约束 力用六个方向的线性弹力和力矩以及阻尼力来表示。不考虑橡胶衬套各向的非线 性特性，主要考虑其弹性特性和阻尼特性，弹性力与位移之间，阻尼力与速度之 间均为线性关系，且六个方向上的力间不产生耦合作用。六个方向上的刚度通过 橡胶衬套静态力学试验测得。由于静态力学试验分析不注重橡胶衬套的阻尼，因 此阻尼系数大小的假设基本上不影响模型的精度。橡胶衬套的非线性特性模型是 根据试验得到的橡胶衬套的静刚度特性，通过试验测得橡胶衬套六个方向的刚度 特性，然后将其制成样条曲线，阻尼力与位移之间仍为线性关系。仿真分析时， 通过计算橡胶衬套连接的两个物体的相对位移来对样条曲线进行插值，以获得两 物体间的刚度力。而在橡胶衬套耦合力模型中，弹性力和阻尼力仍然是相对位移 和速度的线性关系，与线性橡胶衬套模型不同的是考虑各个方向刚度的耦合作用。 因此两个连接部件某个方向上的约束力不仅与两物体这个方向上的相对位移有 关，还受其他方向上相对位移耦合作用的影响。但是，在模拟悬架运动时，橡胶 衬套的受力状况复杂，难以用橡胶衬套耦合力学模型来保证安装解耦，因此在软 件仿真中一般不采用这种模型1 2 0 。 在车轮转向与大位移跳动工况下，橡胶衬套的工作频率一般在几个赫兹范围 内，橡胶衬套的受力工况可近似为静态力学状况，阻尼力作用不大，弹性特性是 考虑的主要因素，橡胶衬套的建模主要是对弹性力的建模。因此，本文采用橡胶 衬套静态力学特性试验结果来展开研究。 2 1 3 橡胶衬套刚度的数学模型 1 衬套变形位移的计算 a d a m s 中衬套的刚度力( 橡胶衬套所受到的广义力) 用衬套的位移矩阵来计 算，式2 1l 是衬套的位移计算公式，式中k 是从1 到3 的整数值，分别表示x ，y ， z 坐标方向。计算时根据刚度力的方向分成非耦合方向和耦合方向。 1 0 硕士学位论文 对于非耦合方向( 后 d ) ，q i = 准； i = 峨毒一g 对于耦合方向 d ) ， 掰2 1 善矿 ( 2 11 ) lq i = m 木s g n ( r ) 其中，d 衬套位移的标量级数； 靠物理模型衬套在k 方向的位移； h k k 方向的水平位移缩放比例( d i s ps c a l e ) ，常用于单位转换； g 衬套在后方向的位移偏移( d i s p o f f s e t ) ，常用于说明由于装配过程 中旋转载荷引起的仿真相模型衬套和物理模型衬套间的偏差； 也仿真模型衬套在k 方向的位移； 吼刚度力特性的纵坐标( 查找点) 。 2 衬套刚度力的计算 由以上得到衬套的位移后，根据公式计算衬套所受的刚度力。 对于非耦合的方向( k d ) ，以= q 一圪+ y k ( q i ，攻) ； 对于耦合方向( k d ) ，j：世m( 2 1 2 ) l 、。， = g k 一圪 w k 木y k ( q t ，1 ，t ) 其中：w k 后方向返回力的加权值( 根据耦合方向取0 ，1 ) ； g k k 方向的力偏移( f o r c eo f f s e t ) ； 圪k 方向的垂直力缩放比例( s t i f f n e s sf o r c es c a l e ) ； y 。内部返回力，用户定义的k 方向衬套刚度特性。 3 衬套刚度力特性的确定 衬套刚度力特性有线性、分段线性、平滑分段线性、样条曲线等几种。在 a d a m s c a r 中橡胶衬套的刚度特性是通过对子程序的调用实现的。模型的a d m 文件通过f i e l d 关键字声明来调用子程序【30 1 ，格式如下： f i e l d i d ，i = i d i ，j = i d j ，f u n c t i o n = u s e r ( b r a n c h ，s h a p e ，t x a ，t y a ，t z a ，r x a ，r y a ，r z a ) ， 以上函数返回衬套6 个方向上的力、力矩，其中后面六个参数是数组的