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缩径处理对汽车橡胶悬置刚度与疲劳性能影响有多大？仿真告诉你

仿真圈

7月前浏览1820

导读：纯橡胶型衬套类悬置在电动车上应用广泛，而且基本上都是回转体类，主簧结构也大都为十字型，一般电动车悬置减振件结构多由内、外金属管套和橡胶主簧组成，如图1所示。

一般来所，此类悬置为了提升疲劳性能基本上都会做一些缩径处理，而进行缩径就会改变其刚度特性及疲劳性能，此文就用一个实际案例来说明一下缩径对悬置性能的影响。

图1 电动车悬置几何结构

一、为什么要进行缩径处理

橡胶减振衬套进行缩径处理的好处有以下三点：

1、衬套缩径可以提高产品的耐久性能，通俗来说就是让衬套更好用，更耐用。在生产的过程中衬套在硫化成型后，橡胶冷却收缩，橡胶与内外套粘接牢固，橡胶没有收缩空间，造成分子存在拉伸应力。

2、橡胶衬套在工作过程中受到外界载荷作用，使得一侧的拉伸状态有所缓和而另一侧拉伸应力加大，当分子间的拉伸应力超过橡胶的自身强度时，就会出现分子间化学键断裂，橡胶衬套内部出现裂纹，导致产品出现早期破坏。

3、在橡胶衬套硫化成型后，通过自动缩径机对外套进行径向压缩，可使得橡胶分子间预先存在压缩应力，同时通过压缩量的调整，使得橡胶衬套在工作过程中不受拉伸应力的作用。

二、网格划分

此处只取悬置橡胶主簧部分在HYPERMESH中进行网格划分，为了计算速度够快，可以只进行四面体网格划分，因为仅是进行静刚度分析，四面体网格其实以及足够，但是本文还要进行精确的疲劳分析，就需要划分六面体网格了，划分六面体网格需要耗费的时间比较长，此案例划分的六面体网格模型见图2。

图2 六面体网格划分

三、缩径对衬套刚度的影响

将在HYPERMESH中划分好的网格模型导出INP格式，导入到ABAQUS软件中，设置材料属性，此处采用60度的橡胶材料参数，选择M-R模型，设置分析步以及边界条件，先进行缩径步骤，再分别在三个方向加载3mm的位移，设置完成后的模型如图3所示。

图3 有限元网格加载模型

提交分析后得到缩径与不缩径情况下的三向刚度数据如表所示：

由此可见，缩径工艺对衬套刚度具有提升作用，那么在实际应用中，我们一般都会采用刚度优先的原则。同等刚度条件下，考虑缩径工艺的悬置衬套可以选用较低硬度的橡胶，从而提升橡胶衬套的减振性能和疲劳寿命。

下图4是缩径对衬套非线性刚度的影响情况。

图4 缩径前后Z向非线性刚度

四、缩径对衬套耐久性能的影响

作为一个电动车悬置衬套，刚度特性仅是其一个基本的特性。除了刚度外，我们还比较关心橡胶的疲劳寿命。毕竟可以用与用的久还是具有非常大的差别。但是橡胶材料的疲劳计算理论并不像金属材料一样，具有一个完备的疲劳理论。更详细的可以参考文章“橡胶减振衬套疲劳寿命预测方法以及疲劳损伤参量选择”

本例中我们采用应变能密度（Strain Energy Density）来评估橡胶衬套的疲劳应变性能。

悬置衬套在实际工况中的载荷为变形量，故我们研究相同位移载的条件下的应变云图。值得注意的是，由于缩径后悬置衬套的刚度有所提升，所以在相同力载荷的条件下，缩径后的模型位移量会有所减小。在理论上缩径工艺就可以降低橡胶衬套的疲劳应变能密度。

图5 缩径后悬置衬套X向应变能密度云图

图6 未缩径悬置衬套X向应变能密度云图

图7 缩径后悬置衬套Z向应变能密度云图

图8 未缩径悬置衬套Z向应变能密度云图

对比以上云图，可以发现缩径工艺改变了最大应变出现的位置：未缩径时，X方向是在橡胶左侧出现最大应变；缩径之后，最大应变出现在橡胶的右侧。而在Z方向同样的压缩量下，却是缩径后应变能密度变大了。这是由于缩径后，整个衬套橡胶处于压缩状态，当出现向右的加载时，左侧的橡胶首先是恢复原始状态，其内部应力表现为：预压缩应力——>原始状态无应力——>拉伸应力。相比未缩径的衬套，其多出了预压缩应力的恢复过程，所以其最大应变出现的时间要比未缩径的衬套晚一些。汇总以上四幅图的应变值如表2所示：

表2 缩径前后X/Z向耐久性能变化

五、写在最后

本文基于一个具体的电动车悬置衬套，通过ABAQUS仿真验证了缩径工艺对悬置橡胶衬套性能的影响，为回转类橡胶衬套的设计提供了一些设计参考。当然，对某一悬置衬套的缩径量也是有限制的，缩径只是可以优化衬套的一些特性，并不能对某一特性具有质的飞跃。在悬置衬套设计时还是优先考虑结构与胶料的优化，其次是缩径所带来的微调。

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