基于车身虚拟振动台的汽车橡胶衬套特性分析_图文

1、基于车身虚拟振动台的汽车橡胶衬套特性分析闫鑫，王忠校，于保君一汽技术中心车身部车身试验室，长春【摘要】本文基于技术中心车身虚拟仿真振动台课题，采用LMS 公司的Virtual Lab 软件为多体建模仿真平台，利用Matlab 软件自制程序，获得了衬套的非线性刚度曲线和非线性阻尼曲线。对比汽车橡胶衬套试验中得到的线性刚度值，其更加真实的体现了橡胶衬套的非线性特性对于整车多体仿真的重要意义，从而为车身疲劳寿命研究提供更加准确的载荷输入。【关键词】汽车橡胶衬套，非线性特性，多体仿真Analysis on Rubber Bushing of Car Body Virtual Test RigYan X

2、in,Wang Zhongxiao,Yu BaojunChina FAW Group Corporation R&D Center Body Laboratory of Body Department，ChangchunAbstract: Based on the project of car body virtual test rig in RDC, the software Virtual Lab by LMS is adopted to build the MBS model and a Matlab program is exploited to acquire the non

3、linear stiffness curves and damp curves of rubber bushing. Comparing to the linear value of the real test, it is concluded that the nonlinear property of the rubber bushing is tremendously important and all the job we have done can provide more accurate load input for the study of car bodys fatigue

4、life .Keyword: Rubber bushing of the vehicle, Nonlinear property, Multi-body simulation1 引言目前在所有的汽车悬架系统中都可以看到橡胶衬套，悬架部件通过橡胶衬套相互联接或联接到子系统，这些衬套对设计具有理想的准静态和动态特性的悬架系统起着极其重要的作用。因此一个多体模型的优劣从根本上取决于其非线性特性的准确性。所以对衬套特性的研究以及建立新型高精度衬套模型具有很重要的意义。2 整车多体模型的建立乘用车整车多体模型的建立是一个复杂的系统工程。需要确定底盘系统硬点位置、部件连接关系、刚体质量质心和转动惯量参数（

5、包括底盘刚体、动力总成以及车身全内饰总成等）以及悬置系统弹性和非线性衬套动态特性等一系列参数。刚体部件、动力总成以及全内饰车身等刚体特性利用LMS 模态试验台测量及CAD 三维数据计算获得，同时需要对横向稳定杆柔性化处理，对上部转向系统简化处理，并对橡胶衬套和缓冲块作动态非线性分析处理。整车多体模型如图1所示： 图1 整车多体模型3 传统橡胶衬套特性传统的橡胶衬套静刚度曲线如图2所示，可以看出当位移大于2mm 和位移小于-3mm 时，力的误差很大。 图2 传统的静刚度曲线传统的橡胶衬套动刚度曲线如图3所示。对于此种动刚度曲线，每一点的动刚度值是由该频率下力-位移曲线的峰值（两个点）确定的，如图

6、4，并没有考虑到该频率下迟滞回线形状的影响，而迟滞回线的形状代表了其能量的损耗即动态阻尼。 图3 传统的动刚度曲线 图4 30Hz 0.8mm幅值下的迟滞回线因此，使用传统的静刚度和动刚度曲线来描述衬套特性是不准确的。因此需要重新设计试验方法来研究橡胶衬套特性，并得到精确的橡胶衬套模型。4 橡胶衬套试验目前橡胶衬套动态参数试验采用MTS 振动台如图5所示进行，只能输出衬套不同方向下的静态刚度和随频率变化的动刚度（不同幅值） 图5 MTS振动台新设计试验方法中橡胶衬套的非线性刚度和阻尼特性通过单轴动态试验得到。试验方案为覆盖一定范围的振幅和频率的矩阵，如表1所示。振幅值为使用中该自由度方向上最大

7、值s max 的一个函数。表1 衬套特性试验矩阵 振幅每个方向上的自由度属性都应做试验。典型的圆柱形橡胶衬套的6个方向的自由度如图6所示： 更详细的衬套和悬置测试方案如表2所示。值得注意的是，这些正弦加载试验中的频率值应至少循环10次，以保证迟滞回线的稳定性。表 2 衬套试验表格*表示如果为轴对称，只需测试径向的一个方向图7 所示为橡胶衬套试验100%最大幅度，不同频率下的迟滞回线。 图6 橡胶衬套的自由度 频率图7 100%最大幅度不同频率下的迟滞回线5 非线性橡胶衬套特性分析原理橡胶衬套非线性动态响应可以用力F 和位移s 以及通过位移求导得到的速度v 函数来表示。其方程如&=F (

8、s , v =F s (s +F v (v 下：F (s , s当衬套被应用到汽车悬置上时下列特征是非常典型的：z 从试验结果可见，在0到40Hz 的频率范围下，迟滞回线的形状基本不改变。用非线性 阻尼曲线描述该形状特性。z 在很多悬置衬套试验中非线性的准静态变形响应能够得到。可以用非线性刚度来描述衬套动态特性。z 橡胶衬套的试验参数显示衬套具有粘弹性响应特性。可以通过用Maxwell 数学模型模拟。 因此，橡胶衬套的的变形响应可以用上述三部分的复合模型来模拟，如图8所示，数学方程表示如下。& =K nonlin (s + D nonlin (s & +F MW =K (s +

9、D (s & F (s , s图8 橡胶衬套模型6 橡胶衬套试验非线性刚度和非线性阻尼分析程序 本项目建立了基于Matlab的橡胶衬套非线性刚度和非线性阻尼分析程序。如图9所示：图9 衬套特性分析程序橡胶衬套非线性刚度和非线性阻尼分析流程如下：1 把试验结果中，每个橡胶衬套每个方向的迟滞回线结果文件放置于同一文件夹下。 文件名命名格式如图10所示：图 10 迟滞回线文件命名规则 此文件格式包含了3列，如图11所示， 图 11 迟滞回线文件格式 创建filenames.txt文件，该文件下包含所有迟滞回线文件名。 2 获取刚度曲线 点击Stiffness Curve，选择准静态的迟滞回线

10、文件。刚度曲线将会以excel表格形式自动储存在该文 件夹下。 3）获取非线性阻尼曲线 点击Damper Curve，程序自动读取所有迟滞回线，当所有迟滞回线获取完毕，出现对话框选择刚度曲 线表格，并自动进行参数优化，最终非线性阻尼曲线会以excl表格形式自动储存在该文件夹下。 图 12 参数优化 根据项目需要，分别对试验测量的24个衬套都做了特性分析处理，得到每个衬套不同方向下的动态刚 度和动态阻尼。以拖曳臂与底盘处衬套X向为例，程序分析结果如表3、表4所示： 表3 衬套动态刚度分析数据结果 拖曳臂与底盘处衬套X向刚度曲线 10000 8000 6000 4000 力(N 2000 0 -8

11、 -6 -4 -2 -2000 -4000 -6000 -8000 -10000 0 2 4 6 8 位移（mm 图 13 衬套动态刚度曲线 表4 衬套动态阻尼分析数据结果 拖曳臂与底盘处衬套X向阻尼曲线 80 60 40 20 力(N 0 -120 -70 -20 -20 -40 -60 -80 30 80 速度(mm/s 图 14 衬套动态阻尼曲线 7 对比仿真 在多体模型中，先对所有衬套仅输入线性刚度参数，在多体模型中的TSI（时间历程输入）里载入道 路试验取得并处理后的驱动信号，计算求解，得到各衬套力以及整车悬架弹簧阻尼器处位移响应。之后将 线性刚度参数置换为非线性刚度变量及非线性阻尼

12、变量，再进行计算求解。现只提取拖曳臂与底盘连接处 X向衬套力时间历程信号和左车轮悬架弹簧阻尼器处位移响应。 图 15 拖曳臂与底盘连接处 X 向衬套力 图 16 左车轮悬置弹簧阻尼器位移 图15中红色三角标示的曲线为试验线性输入得到的曲线，黑色方块标示曲线为处理后的非线性输入得 到的曲线，前者力的幅值要比后者更大，且同周期内的振动更加频繁和剧烈。 而对于弹簧阻尼器位移来说， 如图16，可以看出未加阻尼参数的衬套在振动上更加剧烈，振幅变化更加明显。 8 结语 本文针对橡胶衬套的非线性特性，取得了其非线性刚度和非线性阻尼，并通过试验得到了衬套线性刚 度值，对整车多体模型进行对比仿真，发现衬套的非线性特性对于其分析结果有着重要的意义，可以为其 后的车身结构疲劳寿命分析提供更加准确的