1、 设计与计算 车用橡胶悬置减振块的分析与研究承德陆上先锋工业责任有限公司 吴宗锟河北工业大学 武一民 陈 健 摘要 汽车的发动机悬置系统主要采用橡胶减振块 , 合理地设计橡胶减振块可有效地降低发动机的振动。本文对橡胶减振块的功能及结构形式进行了分析 , 并分别给出了简单拉压矩形板、简单剪切矩形板及斜向布置的矩形板的刚度特性表达式。叙词 : 汽车 发动机 悬置 橡胶 结构 设计1 前言随着现代汽车使用性能要求的不断提高 , 人们对汽车的振动与噪声也提出了更高的要求 , 为了使汽车具有良好的舒适性 , 近年来国内外对发动机悬置系统进行了大量的分析与研究。由于橡胶弹性元件优越的减振降噪功能 , 汽车
2、的结构系统使用了大量形状各异 , 功能不同的橡胶支承元件 ; 轿车、客车、货车等车辆的发动机悬置系统主要采用橡胶减振块。国外橡胶支承元件的设计开发技术已经比较成熟 , 国内在这方面则存在较大差距。为了掌握各种橡胶支承元件的设计开发技术 , 对发动机悬置中的橡胶减振块进行分析 , 对橡胶材料的特性参数进行研究具有重要的实际意义。2 橡胶减振块的功能及结构形式现代汽车的发动机及其动力总成是通过悬置系统安装在汽车底盘上的 , 而大量汽车的悬置通常采用橡胶减振块。橡胶减振块承受着发动机的重量 , 在受各种干扰力作用的情况下 , 应能有效地限制其最大位移 , 以避免发生与邻近件的干涉 , 同时 , 它应
3、具有良好的隔振作用 : 既要降低来自发动机的振动与冲击 , 也要降低来自路面的振动与冲击。因此橡胶减振块的功能是 :1) 允许车架或车身扭转而不致给机身造成过大的残余应力 , 并防止给装置造成过大的残余变形 , 特别是对于四点支承型式 ;2)减少由发动机振动引起的结构噪声 , 并减小声波的传播 ;3)防止由发动机振动引起的人体的不舒服及疲劳 ;4)防止部件的疲劳、损坏或误操作 , 诸如散热器、继电器、仪表等等。总的来说 , 橡胶减振块具有三大功能 : 支承、限位、隔振。橡胶减振块的结构形式通常为复合型、剪切型和压缩型 3 种 , 如图 1 所示。图 1 橡胶减振块的结构形式3 橡胶减振块参数的
4、设计3. 1 橡胶的弹性模量橡胶是一种高分子物质 , 是一种非线性材料 , 橡胶有弹性滞后现象 , 即在加载了一定时间以后才会产生最终变形。同样 , 卸载后 , 也要经过一些时间才能恢复。由于橡胶的变形是时间的函数 , 通常加载瞬时所确定的弹性模量为瞬态弹性模量 , 而加载后橡胶产生的最终变形确定的模量为静态弹性模量。在计算橡胶减振块的静变形时 , 应采用静态弹性模量。动载荷是随时间变化的载荷 , 故动态弹性模量将大于静态弹性模量。动态弹性模量 E d 与静态弹性模量 E s 之比值 nd = E d E s 是一个重要参数 , 它受橡胶品种、工作温度、相对变形大小等多种922002 年第 3
5、 期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.设计与计算 因素的影响 , 在减振设计中 , 一般取 nd= 2 2. 5。图 2 橡胶的温度系数曲线图 3 橡胶的形状系数曲线综上所述 , 工作状态下橡胶的静态弹性模量 E s 为 :E s= NtNF E式中 : E 受硬度变化影响的弹性模量 , kg cm 2。 E 值由图 4 确定 (温度 15 , 相对变形 15% , LF= 0. 25) ;Nt温度影响系数 ;NF 形状影响系数 ;LF = A B2 (A + B )H 或 LF =
6、D4HA B 矩形截面橡胶块的长宽 , cm 2;D 圆形截面橡胶块的直径 , cm ;H 橡胶块的厚度 , cm。工作状态下橡胶的动态弹性模量 E d 为 :E d= ndE s= ndNtNF E而动态剪切模量 :Gd= 1 3E d在减振设计中 , 一般应控制变形为 15% 25%。因此控制变形 D为 :D= (0. 15 0. 25)H试验表明 , 在此范围内 , 弹性模量的变化约为 5%。图 4 弹性模量随硬度的变化曲线3. 2 橡胶减振块的设计公式发动机支承用橡胶减振块总是承受拉压、剪切或它们的复合作用 , 在设计制作橡胶支承时 , 应对橡胶件的受力变形特性做出预测。3. 2. 1
7、 简单的拉、压橡胶减振块常用的承压橡胶振块如图 1 所示。根据隔振要求 ,设计橡胶减振块时 , 应计算橡胶块的高度、受力面积等。简单拉、压的矩形板承受单向拉压作用的矩形板将产生两种变形 : 受力方向上的拉压变形和周边的胀大变形 ,其外力变形关系如下 :F = E sA DH式中 : A 受力面积 ;H 橡胶块厚度 ;D受力方向的变形 ;E s橡胶静态弹性模量。图 5 承压橡胶减振块若被支承的发动机的总重为 W , 整个系统要求的固有频率为 f , 则橡胶减振块在垂直方向的动刚度为 :K d= W g = (2Pf ) 2每只橡胶减振块的动刚度为 :K 1d= K dn = Wng (2Pf )
8、 203 汽车研究与开发 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.设计与计算 式中 : n橡胶减振块个数。每只橡胶减振决的静刚度为 :K is= K id nd式中 : nd 值一般为 2 2. 5。在 30时可取 2. 5。3. 2. 2 简单承剪橡胶减振块承剪橡胶减振块指的是工作过程中胶块处于受剪状态 , 承剪橡胶减振块的理论计算误差较大 , 一般采用静力和动力试验 , 测出静变位和系统的固有频率 , 从而求得实际的静、动刚度数据。以下给出的公式 , 可作为设计估算用。图 6 中承剪橡胶减
9、振块的外力变形关系如下 :F = G s2bDa设计准则为 :S= W 2bH 2. 1kg cm 2W GsA 0. 5图 6 承剪橡胶减振块3. 2. 3 斜向布置的矩形橡胶减振块的复合变形发动机悬置中使用最多是将矩形橡胶板总成呈 V形布置 , 以使支承橡胶系统起到收敛聚焦的作用。如图7 所示 , 斜面上的橡胶块受铅垂力 F 的作用 , 沿力的方向上将产生变形 X , 将其分解为压缩变形 X C 和剪切变形 X S, 外力 F 将由压缩力 F C 和剪切力 F S 在铅垂方向上的分量的和所平衡 , 则有 :F = F Cco sA+ F S sinAX C= X co sAX S= X s
10、inAF C= K CX CF S= K SX S式中 : A斜向倾角 ;K C压缩刚度 ;K S剪切刚度。由上式推导得 :F = (K Cco s2A+ K S sin2A)X上式即为斜向胶块的刚度特性表达式 , 其刚度大小与倾角、外形及形状因素有关。对称楔形结构的橡胶悬置的刚度值即用上式计算。运用上述方法还可推导出其他对称楔形结构的刚度表达式。图 7 斜向胶块的复合变形4 橡胶减振块设计中应注意的事项4. 1 避免橡胶件的应力集中橡胶减振块的应力集中容易造成橡胶件的早期损坏。在橡胶件与金属件的粘合过渡处 , 应采用圆滑过渡并且使胶体向实体部分收缩而不应鼓出。这样可避免胶体压缩时金属锐边切入
11、胶体 , 使胶体开裂直至脱落。此外 , 在橡胶体周边应当避免锐棱拐角 , 即使在胶体内部也不例外。4. 2 橡胶体的变形空间运行中的车辆 , 其发动机与车架之间的相对位置将随橡胶减振块变形的大小而产生变化 , 为避免刚性碰撞 , 橡胶支座及被支承物周围要留有足够的变形空间。利用前节推导出的外力变形关系式 , 根据估测的最大冲击负荷 , 即可得出最大变形值 , 由最大变形值预留跳动空间。5 结束语随着道路条件的不断改善 , 车辆运行的速度越来越高 , 人们对汽车的舒适性及平顺性提出了更高的要求。发动机悬置系统在隔离发动机振动中的作用越来越引起人们的关注。随着人们对发动机悬置系统研究的不断深入 , 除橡胶悬置外 , 液力悬置、主动悬置系统会越来越广泛地应用在汽车的发动机支承设计中。132002 年第 3 期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
