大型矿车发动机橡胶悬置静、动态刚度特性研究

大型矿车发动机橡胶悬置静、动态刚度特性研究
胡启国;周亨;罗天洪;彭涛;田振勇
【摘要】大型矿车的发动机质量巨大、安装方式独特,对其发动机悬置的静、动态刚度特性进行研究具有重要意义.采用显式有限元计算方法对大型矿车的发动机橡胶悬置进行了静、动态刚度特性分析,并在试验台上进行试验来检测数值仿真的精度,结果表明:大型矿车发动机悬置的静刚度仿真测试相对误差在8％以内、动刚度仿真测试相对误差在15％以内,这说明仿真与测试结果较为吻合,可以在结构设计阶段通过数值模拟的方式预测其静、动态刚度特性.研究结果对大型装备悬置系统的结构设计、缩短研发周期以及预防振动噪声具有参考价值.
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2015(000)012
【总页数】4页(P213-215,220)
【关键词】大型矿车;橡胶悬置;静、动态刚度;显式有限元法
【作者】胡启国;周亨;罗天洪;彭涛;田振勇
【作者单位】重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆 400074;重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆 400074;重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆 400074;重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆 400074;重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆 400074
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TH114
摘.：大型矿车的发动机质量巨大、安装方式独特，对其发动机悬置的静、动态刚
度特性进行研究具有重要意义。

采用显式有限元计算方法对大型矿车的发动机橡胶悬置进行了静、动态刚度特性分析，并在试验台上进行试验来检测数值仿真的精度，结果表明：大型矿车发动机悬置的静刚度仿真测试相对误差在8%以内、动刚度仿真测试相对误差在15%以内，这说明仿真与测试结果较为吻合，可以在结构设计
阶段通过数值模拟的方式预测其静、动态刚度特性。

研究结果对大型装备悬置系统的结构设计、缩短研发周期以及预防振动噪声具有参考价值。

随着矿用自卸车的不断发展，人们对其平顺性和舒适性的要求不断提高，因此矿用自卸车的NVH性能就显得尤为重要，它是衡量平顺性和舒适性的重要指标之一。

大型矿车的发动机质量重达10 t以上，通过安装支架与车架相连接，这种结构造
成其悬置系统与传统轿车的结构形式不一样，很有必要对发动机橡胶悬置的静、动态刚度特性进行研究。

但是市面上鲜有关于这种重量级别发动机悬置性能的研究资料，目前对橡胶悬置系统进行静、动态刚度研究工作主要是针对中小型汽车，相关研究有：
文献[1]对发动机悬置橡胶材料的非线性行为进行了研究，讨论了材料的非线性行
为与悬置的静、动态刚度之间的关系。

文献[2-4]基于哑铃形橡胶试件的疲劳试验
结果，分别以应变能密度、最大主Green-Lagrange应变、有效应力为损伤参量
建立该橡胶材料的三种寿命预测模型对汽车动力总成橡胶悬置疲劳寿命进行预测。

文献[5-6]利用解析解法及有限元法对橡胶悬置的静态刚度特性的计算方法进行了
研究，并与实验进行对比，对橡胶元件的结构设计方法进行了总结；文献[7-8]研
究了轿车的发动机悬置刚度的测试方法，并对测试方法进行了有限元模拟，得到了悬置的静、动态刚度。

综上所述，以往研究通过橡胶材料的非线性模型、先进的试验方法以及有限元数值模拟对悬置的强度和刚度进行了分析，并取得了良好效果。

然而这些研究绝大部分
都是针对中小型汽车，大型矿用自卸车是最近几年国内才开发出来的重量级装备，其体积庞大，发动机橡胶悬置刚度与一般小型汽车不在一个数量级，相关研究资料较为馈乏，为此，对其发动机橡胶悬置进行了静、动态刚度特性研究。

以某公司的一款大型矿用自卸车为研究对象，由于发动机质量超过10t，是普通轿车的数十倍，其发动机的安装形式一般的汽车有所不同，其发动机并没有直接与车架相连，而是安装在发动机安装支架上，通过安装支架与车架相连。

其悬置采用三点支撑方式，前悬置为一点支撑，后悬置为二点支撑，如图1所示。

这种三点支
撑方式导致前后橡胶悬置的结构有所区别，前悬置包括支撑座、外衬套、内衬套、橡胶件和承力杆等零件，后悬置包括支撑座、内衬套、橡胶件和承力杆等零件，它与前悬置相比少了外衬套，且承力杆不再是两边对称承载。

建模时采用3维CAD软件进行建模，忽略对分析影响很小的零部件，同时对一些无关紧要的细小特征进行简化处理。

建模完成后导入Hypermesh软件进行网格划分，整个模型主要用六面体网格划分，包括少数5面棱柱体网格，网格划分完后
前悬置总共包括网格数目14586个，其有限元模型和剖面，如图2所示。

单个后
悬置网格数目为12322个，有限元模型和剖面，如图3所示。

建模完成后需要对单元赋予材料属性。

材料的力学性能对静、动态刚度的数值计算精度非常关键，橡胶材料是超弹性材料，在LS-DYNA中用Mooney-Rivlion超
弹性本构模型比较适合用来描述橡胶材料的超弹性特性，其应变能密度函数表示为：式中：C10、C01、D1—材料系数；J—橡胶材料变化前后的体积比。

橡胶材料数据一般是通过试验获得，橡胶材料参数为厂家提供，硬度为邵氏 50；C10、
C01—0.245和0.087，密度为 1110kg/m3。

除橡胶之外，前后悬置中的其它零
件均为钢材，密度为7850kg/m3，弹性模量为2.06e11Pa，泊松比为0.3。

采用软件LS-DYNA进行前后悬置的静、动态刚度仿真。

在对悬置进行静刚度仿真时，前悬置约束底面，对承力杆两个螺栓孔进行加载，加载速度为6mm/min，如
图2所示。

后悬置约束支撑座的端面，对承力杆台阶面进行加载，加载速度为
6mm/min，如图3所示。

对悬置进行动刚度仿真时，前后悬置的约束方式及加载的位置与静刚度仿真相同，只不过载荷方式不再一样。

动刚度仿真时先根据整车装配后静止时悬置的实际受力情况施加预载荷，前后悬置的预载荷大小可以根据它们各自相对发动机的重心位置进行计算获得，然后施加位移正弦激励信号，由于动刚度的值与激励的频率相关，所以要测试不同频率下悬置对应的动刚度值，取位移激励信号的频率为分别为15Hz、20Hz和30Hz，前悬置幅值为0.5mm，后悬置幅值为1mm，如表1所示。

静刚度仿真得到的力与位移之间的变化关系，如图4所示。

前悬置在加载后力随着位移增加而渐渐增大，其变化曲线呈现微弱的非线性特点；后悬置力随位移的变化关系呈现多段折线的特点，在绝对位移大于2mm后，曲线变平，这是由于变形过大后网格畸变导致的，计算时应该将变平的这一段排除。

由于静刚度曲线呈现微弱的非线性特点，在计算刚度时需要用直线对其进行拟合，然后取对应直线的斜率为静刚度，这样计算得到前悬置的静刚度为13989N/mm，后悬置静刚度为20453N/mm。

在15Hz的激励频率下，动刚度仿真得到的力与位移之间的变化关系，如图5所示。

从图5中可以看出前后悬置均出现动特性反应滞后现象，而且前悬置的滞后程度要高于后悬置，这是由于前后悬置的装配关系区别导致的。

前悬置的橡胶层由内外两层衬套覆盖，衬套与支撑座之间为间隙配合，而后悬置的橡胶层只有一个内衬套，橡胶外圈直接与支撑座通过过盈配合传力，导致其迟滞很小。

其它频率激励下前后悬置动刚度特性与15Hz情况下类似，不再一一复述。

在计算动刚度时，取众多直线中的中心线，对其进行拟合，然后取对应直线的斜率计算动刚度，结果，如表2所示。

从表2可以看出前后悬置的动刚度随着激励频率的增加而变大。

动静比是悬置静、动态刚度特性的一重要参数，动静比过大会降低橡胶悬置的寿命[9]。

通常情况下，橡胶悬置应具有较小的动静刚度比，计算结
果表明该悬置的动静比随激振频率的加大而变大，不满足隔振系统对悬置在较高频下需较小刚度来隔振降噪的要求，说明悬置的隔振性能会随频率的变大而变差。

对了考察仿真的准确性，对悬置静、动态刚度特性进行试验来检测。

试验在发动机悬置支架衬套三通道协调加载试验台上进行，如图6所示。

将力传感器进行固定，作动器与胶芯钢管连接，静态试验时先在悬置承载方向上进行两次预加载、卸载试验。

卸、加载速度与仿真一致，均为6 mm/min。

第三次从零逐步加载至悬置变
形为1 mm后持续10s，再卸载至载荷为0，对各点加卸载荷时的载荷值和悬置位移值进行记录。

动态试验时，静载荷采用力的方式控制，动态载荷采用位移控制，前悬置的振幅为0.5mm，后悬置的振幅为1mm。

根据测试的频率范围，对作动
器施加频率分别为15Hz、20Hz、30 Hz的稳态正弦位移激励，采集得到悬置的
位移与作用反力，通过计算得到该频率下的动刚度。

测试得到静、动态刚度值后将数据与仿真数据进行对比，如表3所示。

从表3中
可以发现：悬置结构静刚度的仿真测试相对误差在8%之内，说明在结构设计阶段，通过有限元仿真分析的方式可以较准确地控制悬置的静态性能，避免样件试制过程的盲目性。

悬置的动刚度值较大，均超过了15000 N/mm，仿真测试相对误差在15%以内，误差要比静刚度的相对误差大，原因一方面是由于动刚度仿真的准确
度是基于对悬置本身固有频率的准确计算，导致其对材料力学性能、质量等输入数据的准确性依赖性程度更高，另一方面悬置动态特性具有迟滞现象，导致数据处理引入的误差较大。

总的来说，由于悬置的刚度影响因素非常之多，如硫化工艺、材料力学性能、橡胶硬度等均会对刚度有较大影响，所以悬置的静刚度仿真值相对误在8%以内、动刚度仿真测试相对误差在15%以内在工程上可以接受，这说明仿
真与测试结果基本一致，可以在结构设计阶段通过数值模拟的方式预测刚度值。

采用显式有限元法对大型矿用自卸车的悬置系统进行了静、动态刚度特性研究，并与试验结果进行对比，结果表明悬置的静刚度的仿真测试相对误差在8%以内、动
刚度仿真测试相对误差在15%以内。

误差主要原因是橡胶在生产时会有硬度偏差，以及硫化工艺、阻尼参数偏差都会增大数值模拟的误差。

仿真与试验值偏差在工程可接受范围之内，可以在结构设计阶段通过数值模拟的方式预测大型矿用自卸车动力橡胶悬置的静、动态刚度特性，这对于大型装备在研发之初节省试验费用、缩短研发周期以及预防振动噪声具有积极意义。

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