悬架衬套的特性与设计

5.4 悬架弹性橡胶衬套特性与设计

5.4.1研究意义

1 研究的意义

随着时代的发展，近年来对汽车的要求是乘坐舒适，高速，操纵稳定，豪华。并且加紧研究解决有关公害、安全措施和噪音问题。随着这些问题的研究解决，汽车上用的弹性件的种类逐年增加，现在据说已达几百种之多。虽然防振橡胶的种类因汽车的车系、车型、车种以及因悬挂机构的不同而多少有些差异，但其有代表性的主要种类可归纳为如图5.4.1。

图5.4.1汽车常用的橡胶衬套

用橡胶作防振材料的主要理由如下。

1)橡胶的弹性模量与金属相比非常小，隔离振动的性能优越。

2)橡胶是不可压缩性的物质，泊松比为0.5。能在应力与变形之间产生时间延迟，具有非线性的性质，适合作防振材料使用。

3)防振橡胶本身不会诱发固有振动，出现冲击性的谐振现象。

4)具有能自由选择形状的优点，可适当选择三方向的弹簧常数比。

5)容易和金属牢固地粘结在一起，可使防振橡胶本身体积小，重量轻，其支撑方法也很简单。

6)安装后完全不需要给油和保养。

7)橡胶弹簧可通过不同的配方和聚合物来选择其阻尼系数。

8)能在形状不变的情况下改变其弹簧常数；或者在弹簧常数不变的情况下改变其形状，这也是它的优点。

悬架系统承受车体重量，防止车轮上下振动传给车身，抑制簧下的不规则运动，传递动力、制动力和操纵时的侧向力等，从而保证汽车能够正常行使。

悬架可分为独立悬架和非独立悬架两个大类，而且每一类型中又有多种具体型式。一般前悬架系统和操纵系统及发动机系统有密切关系，前悬架系统的布置会直接影响到乘坐舒适性和操纵稳定性。近年来，在轿

车独立悬架系统的设计开发过程中，采用刚度相对较小的弹簧来提高车辆的乘坐舒适性，就必然导致动行程过大等现象，从而直接影响到车辆的转向系统。前悬架系统振动与车身晃动、路面冲击、车轮摆振等现象相关，为防止上述各种振动，车辆悬架系统中使用了许多防振橡胶。

橡胶衬套最初在车辆悬架系统中的大量使用，得益于其无需润滑，维修保养简单，可以校正车辆组装时的对准定向，修正各种误差等优点，得到广泛应用。随这人们对车辆性能要求的不断提高，近年来橡胶衬套除了要具备上述功能外，还要求起到抑制振动的作用。例如，振颤现象、路面的冲击和发动机转矩变化造成的后承重板簧系统的角振动谐振，是产生车内噪音的原因，橡胶衬套对此有影响。

随着车辆性能的不断提升，影响车辆操纵稳定性、平顺性能等重要因素越来越多的集中在了车辆的悬架系统中，而在车辆悬架系统性能的分析工作中，都必须设计到悬架橡胶衬套性能，特别对于高速行驶的车辆，橡胶弹性衬套性能的影响至关重要。为此，在研究悬架系统的工作中，这是一项很重要工作。

2 悬架橡胶弹性衬套分类

通常的衬套按制造方法和特性可分为以下几类： A)只有橡胶的橡胶衬套； B)只有内筒的衬套； C)有内外筒的衬套。 (1) 内外筒粘结型；

(2) 内筒粘结、外筒压入型； (3)内外筒都是压入型。

合成橡胶衬套是汽车或其它车辆悬架系统中使用的一种结构元件。衬套实质上是一个空心圆柱体，包括内金属杆、外圆柱金属套筒和它们之间的合成橡胶。金属套筒和杆件与车辆的悬架系统的部件相联用来传递从车轮通过合成橡胶材料到底盘的力。合成橡胶材料被用来减少连接处的振动和冲击。因为它们连接在车辆悬架系统中的不同部件上，套筒和杆件承受平行和垂直于它们共同轴线的相对位移和转动。就是这种相对位移使合成橡胶弹性衬套受力并允许通过衬套传递力。 在分析包括了衬套的悬架系统时，工程人员越来越多的使用多体系统动力分析的方法和软件，特别在汽车行业应用非常广泛。福特汽车公司的工程技术人员通过选择正确的衬套模型来对悬架系统的动力学特性进行预测，为了准确预测作用在悬架系统零部件上的动力学载荷，就必须对衬套的性能进行预测。在实际使用过程中，衬套特性是用力-位移关系来表达的。因此，确定正确的力-位移特性关系就成为衬套分析中的重要课题。

5.4.2弹性橡胶衬套静特性分析的理论及方法 1 橡胶衬套的静力学特性

橡胶衬套一般有三类：衬套长度不变；衬套长度随半径线性变化；切应力和衬套半径无关为常数。 1)轴向剪切特性 对于长度不变的衬套式橡胶弹簧，在轴向力r P 作用下，

位于距轴线不同距离的橡胶各点上承受有不同的切应力，而在距轴线等距离的各点上则由于结构和外力对称其切应力相同。

在较大变形情况下，半径r 处的剪切变形量r dF 可由下式给出：

π

θrlG P tg tg dr dF r

r 2== (5.4.1) 由此得到总变形量r F 为：

在近似计算时，其轴向剪切刚度'

r P 为： 1

2'

ln 2r r lG P r π

=

(5.4.2) 以上是纯剪切情况下推导的公式，如果考虑弯曲变形的影响，其刚度为

1

22221'

1-⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=l n r n lG P r (5.4.3)

式中：

[]

2

2222

2

21

21)(ln 4)1(3)1(16ln 2k k k k k n r r k k

n ---=

=

=

π (5.4.4)

如果式(5.4.3)的括号中没有第二项，则式(5.4.3)便和式(5.4.2)相同，所以这一项是反映了弯曲变形的影响。 对于长度随半径线性变化的衬套式橡胶弹簧，轴向剪切变形r F 为：

在近似计算时轴向剪切刚度'

r P 为： 1

22

1121221'ln

)()

(2r l r l r r r l r l G P r --=

π (5.4.5) 对于切应力和半径无关的衬套式橡胶弹簧，其轴向剪切刚度'

r P 为：

1

222'2r r G r l P r -=

π

(5.4.6)

2)同轴扭转特性 图是衬套式橡胶弹簧同轴扭转时的变形图。

长度随半径线性变化的衬套式橡胶弹簧的同轴扭转刚度'T 为：

1

2221121221'

11)(4-⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛---=r r r r r l r l G T π (5.4.7) 切应力和半径无关的衬套式橡胶弹簧，其同轴扭转刚度'

T 为：

1

2222'

ln 2r r G r l T π=

(5.4.8) 3)径向变形和弯曲变形特征

衬套式橡胶弹簧在径向变形(图5.4.2a)或者弯曲变形(图5.4.2b)时，橡胶的应力状态是非常复杂的，并且具有剪切、压缩和拉伸应力综合的特征。所以，有关特性的计算也比较复杂，这里只列出刚度的近似计算公式。

径向刚度'

r P 为：

1

2

'

ln )(r r G E l P a r π

+=

(5.4.9) 本文中将对橡胶弹性衬套的轴向刚度进行基于弹性理论基础上的理论研究。为了研究方便，将研究弹性衬套简化为如图5.4.2所示的弹性衬套。其内外与刚性的金属套筒粘结，半径分别为a 和b ，长度为L 。图中只绘出了橡胶部分。假定所研究衬套的橡胶是均质、各向同性和不可压缩的，那么就有足够小的位移梯度，因此，可以使用经典弹性理论进行分析工作。