轿车悬架橡胶衬套结构特点分析

设计计算研究····

轿车悬架橡胶衬套结构特点分析

余振龙

具龙锡

（一汽轿车股份有限公司）

介绍了橡胶衬套的种类,阐述了汽车悬架橡胶衬套的基本性能及其应用情况。研究了悬架的副车架橡【摘要】

胶衬套和控制臂橡胶衬套在车辆中各向特性参数的分布及其对汽车操纵稳定性和平顺性的影响，并对橡胶衬套的结构设计特点、橡胶材料和配方、疲劳破坏性能等进行了分析。

主题词：轿车独立悬架橡胶衬套静刚度

中图分类号：U463.33+5.1文献标识码：A文章编号：1000－3703（2009）08－0034－05

AnalysisofStructuralCharacteristicsof

RubberBushinginCarSuspension

YuZhenlong,JuLongxi

（FAWCarCo.,Ltd）

【Abstract】Categoryofrubberbushingisintroducedinthepaper,andthebasicperformanceandapplicationof

rubbingbushingofautomotivesuspensionarealsodiscussed.Distributionofsub-framerubberbushingofsuspensionandrubberbusingofcontrolarmincharacteristicparametersandtheireffectonvehiclehandlingstabilityandridearestudied.Meanwhilethestructuraldesignfeatures,rubbermaterialandformula,fatiguedamagepropertiesoftherubberbushing,etc.,areanalyzed.

Keywords：CarIndependentsuspension,Rubberbushing,Staticstiffness

1前言

现代轿车悬架中大量采用橡胶衬套等柔性连

中间粘结板

接来满足车辆减振降噪的需求，而悬架的精确设计也需要橡胶衬套的各向性能参数的匹配。在我国橡胶衬套的应用很广泛，针对橡胶衬套对汽车性能的影响及其优化、隔振等方面的研究很多，但是结合具体车型分析衬套的结构、参数及对汽车性能影响的研究相对较少。本文结合某车型的试验数据，讨论了常见橡胶衬套的结构特点及其刚度在车辆中的分布，分析结果可作为橡胶衬套的设计参考。

自由空间

（a）带有内部自由面积

图1

（b）带有中间粘结板

压缩型橡胶衬套

b.剪切型橡胶衬套包括普通型和两体型,多用

于某一方向的刚度非常低的场合或载荷轻、转速低的机器支承上，如图2所示。图2a是控制臂橡胶衬套常用结构，图2b由2个橡胶衬套组成，多在内筒端面方向加载。由于这种形式的橡胶衬套在端面方向有主载荷作用，所以通常采用先将内筒与橡胶硫化粘结，然后再压入外筒的结构形式。

端面受力

2橡胶衬套分类

橡胶衬套按形状分为压缩型、剪切型和复合型

3类。

a.

压缩型橡胶衬套多用于载荷大或允许橡胶

的空间余量小的场合，如图1所示。图1a中的内部自由面积能够降低k1/k2（k1为垂直或轴向方向刚度，k2为径向或横向方向刚度）的比值，起到降低压缩向刚度的作用；图1b中的中间粘结板能够提高其

（a）普通型

图2

外筒

内筒

（b）两体型

剪切型橡胶衬套

汽

车

技

术

k1/k2值，在截面积相同的情况下可承受大的载荷。—34—

设计计算研究····

c.在以上2种橡胶衬套的刚度比均不能达到a.b.

副车架橡胶衬套:前副车架和后副车架分别前悬架的上控制臂通过2个橡胶衬套与车

要求时，通常采用复合型橡胶衬套，这种橡胶衬套能够承受剪切和压缩载荷，如图3所示。

用4个衬套与车身底板柔性连接。

身连接，前下控制臂和后下控制臂的一端通过橡胶衬套与副车架连接，另一端通过球头与转向节连接。

c.后悬架的上控制臂、下控制臂及调整拉杆

的一端通过橡胶衬套与副车架连接，另一端通过橡胶衬套与纵臂连接；纵臂的前端用橡胶衬套与车身

（a）常见型

图3

（b）无内筒

复合型橡胶衬套

底板相连接。

1

23

4

5

6

78

9

3

3.1

橡胶衬套在悬架中的应用

悬架橡胶衬套的作用

在悬架系统中引入橡胶元件可在几乎不改变低

频段隔振特性的前提下,大大改善系统在高频段的隔振效果，有助于悬架系统隔离高频固有振动，降低路面不平度引起的车内噪声。所以，通过设计橡胶衬套的特性可缓解从路面传来的振动及冲击，确保操纵稳定性。有些橡胶衬套还兼有万向铰的功能，可避免一些零件在使用中承受弯矩和早期磨损。橡胶衬套与其它零件相比具有如下优点：

4

11

1．上控制臂

拉杆支座

104

2.上控制臂橡胶衬套3.稳定杆

4.副车架橡胶衬套7.减振器与螺旋弹簧

5.稳定杆6.连接

9．

8.转向节臂11.前副车架

后下控制臂10.前下控制臂

（a）前悬架结构

1

a.b.

因橡胶的弹性模量比金属的小，故隔振降

1

噪效果显著；

橡胶的形状不受限制，各方向的刚度可在

一定范围内自由选择，能适当地选择3个方向的弹簧刚度比；

2

A345

98

101211

A向视图

1.后副车架橡胶衬套

67

c.

车质量；

能很容易地与金属件牢固结合，使橡胶衬

套可承受多方向的载荷，既简化了结构，又减轻了整

d.

小；

硫化橡胶的内部摩擦比金属内部摩擦大，且

2.后副车架6.后纵臂9.稳定杆

3.减振器7.纵臂橡10.螺旋弹

具有随频率增大而增大的倾向，故在共振时振幅较

4.上控制臂

胶衬套簧

5.限位块

8.稳定杆拉杆

11.缓冲块

图4

12.下控制臂

（b）后悬架结构某车型悬架结构示意

e.3.2

硫化橡胶有较大的可逆向弹性变形，且弹

性系数比金属的小[1，2]。

悬架橡胶衬套的应用

在悬架中常用的橡胶衬套是由中间橡胶体和金属套筒组成。为了提高耐久性，需要对中间橡胶体沿径向进行适当的预压缩，预压行程相当于橡胶厚度的10%~30%。橡胶衬套在使用时外筒固定，内筒随车轮或其它零件的运动产生相应的变形，最大变形可达100%，其变形响应特性直接影响悬架的运动学、动力学性能。

某车型悬架结构如图4所示，图4中应用橡胶衬套的场合主要有：

2009年

第8期

4

4.1

橡胶衬套特性参数分析

副车架橡胶衬套

悬架的一些散件装配到副车架上组成总成部件

再与车身等连接，给装配带来了便利。副车架一般通过橡胶衬套与车身连接，而副车架橡胶衬套软硬度等特性的设定也存在着像悬挂调校一样的矛盾。如果副车架橡胶衬套设计较软，则能很好地隔绝汽车行驶时产生的振动，但过软的副车架橡胶衬套会在高速转弯时带来较大的运动变形，导致轮胎定位

—35—

设计计算研究····

的不准确，从而降低了汽车的操纵稳定性。较硬的副车架衬套能够带来很高的连接刚度，但是对振动噪声的隔绝却十分有限。

图5所示的副车架橡胶衬套是复合型衬套，由上、下两单体组成总成，两单体由压套机分别从上、下方向被压入副车架套管中。整个橡胶衬套如图示的位置与车辆的高度方向一致（设车辆前进方向为

论单体还是总成，在Y方向即汽车宽度方向上的静刚度最大，这样可提高汽车的横向刚度，使其抗侧倾性好，从而提高汽车的操纵稳定性。总成和单体中X方向上的刚度一般比Y方向的低，比Z方向刚度稍高或相近。

以上副车架橡胶衬套都是与套管过盈压入的，对橡胶衬套的拔出力有一定的要求。如果汽车在行驶过程中橡胶衬套的拔出力不足且承受大的冲击力时，橡胶衬套就会与副车架套管有相对的位移，而副车架橡胶衬套在装配时有一定的预压缩量，所以就会影响到橡胶衬套的特性及疲劳寿命，从而影响汽车的舒适性和操纵稳定性。副车架橡胶衬套承受车身的质量和来自底盘的冲击力，其拔出力是根据在恶劣条件下承受最大力时计算得来。该前副车架橡胶衬套的拔出力应在3700N以上，后副车架橡胶衬套拔出力应在3000N以上。

表2为相同悬架结构形式车型上的单体结构的副车架橡胶衬套相关参数，前副车架中部增加了

510002400650340073002400

刚度

X，高度方向为Z，宽度方向为Y），路面传给底盘的

冲击及车体的质量均会通过橡胶衬套来承受和传递，橡胶衬套在X、Y、Z方向均受力，其静刚度特性和动刚度特性在各方向也有所差异，如表1所列。

上体

Z

套管

下体

图5

表1刚度

副车架衬套总成

前、后副车架各橡胶衬套特性参数

1285018001000250050002500

38001800650

49002000600300061002250

设计理论值/N·mm-1

2个橡胶衬套。从表2可看出，此橡胶衬套特性参数

分布与表1相同。

表2

前、后副车架各橡胶衬套(单体结构)特性参数

X向静刚度2250

单体Y向静刚度

130603670810

2367042502440

3225087001370

4

-1

5225095001500

4.后

225084056362000

设计理论值/N·mm

Z向静刚度

总成Y向静刚度

X向静刚度Y向静刚度Z向静刚度

副车架前部

X向静刚度5636Z向静刚度

下单体橡胶衬套下体橡胶衬套

注:1.前副车架前部2.前副车架中部3.前副车架后部

注：1.前副车架前部上、下单体橡胶衬套2.前副车架后部上、

4.后副车架前部

5.后副车架后部

3.后副车架前部上体橡胶衬套

4.2控制臂橡胶衬套

如图6所示，控制臂橡胶衬套属剪切型衬套,它

5.后副车架后部上、下单体橡胶衬套。

副车架橡胶衬套采用的两体结构的弹簧刚度比一体衬套更低，具有最佳的弹性特性。这是因为两体橡胶衬套在受到高频动态应变时应变振幅很小，起主要作用的是两体衬套中的其中一个单体，而单体衬套相对两体组成的总成来说刚度小，吸收高频振动的效果更好。

由表1可知，单体衬套各方向静刚度的大小趋势与总成的刚度大小趋势相一致，这是因为各单体橡胶衬套的刚度特性是为了达到总成特性值而设计的；无论单体还是总成,在Z方向的静刚度一般比

不仅可缓解冲击，还兼有弹簧和悬架摆臂轴承的作用，一些受扭转的橡胶衬套还起到万向铰链的作用。

表3为控制臂橡胶衬套各向特性参数。由表3可知，控制臂橡胶衬套a~d(见图6)在X方向的刚度比其它方向的大很多，橡胶衬套e（见图6）在Y方向的刚度比其它方向的大，X、Y方向即车辆横向刚度大可提高汽车的抗侧倾能力，也可保证悬架的定位参数准确和悬架运动特性良好。控制臂橡胶衬套对于衬套的扭转方向（θ向）或摆动方向（γ向）有刚度的要求，这与副车架橡胶衬套有所不同，因为在车轮跳动时控制臂相对副车架有摆动或扭转，控制臂橡胶衬套会受到扭转剪切作用。橡胶衬套在θ向的扭转刚度具有扭转弹簧的作用，可以缓解控制臂受到的冲击，吸收扭转等方向的振动，配合汽车的

汽

车

技

术

X、Y方向的小，Z方向是衬套的主载荷方向，也是汽

车在不平路面行驶时振动传递最直接的方向，Z方

向静刚度小对于吸收悬架传来的低频大振幅振动有良好的效果，可提高汽车的平顺性和舒适性。无—36—

·设计·计算·研究·

弹性元件选择合适的橡胶衬套扭转刚度值可优化汽车的操纵稳定性。如图7所示，在转弯时由于橡胶衬套d的横向刚度（20162N/mm）比橡胶衬套c的横向刚度（1333N/mm）大，受到侧向力时后部变形大、前部变形小，使车轮向与转弯方向相反的方向偏转，进而增加了汽车的不足转向倾向，提高了汽车转弯时的操控性能。

为在汽车制动或加速时车轮受到的纵向力会传给控制臂，而橡胶衬套b的拔出力方向与车轮受到的纵向力是平行的，所以对此拔出力的要求很大。而纵臂橡胶衬套e在车辆使用中受力较大，且车轮跳动会使其经常受到扭转交变载荷，拔出力大除使纵臂横向定位准确外,也可保证橡胶衬套外筒与纵臂不会发生相对转动。其它衬套的拔出力相对橡胶衬套

b、e都较小，因为它们所承受力的方向与拔出力方

向呈很大角度，在拔出力方向上的分力就相对较小。

Y

γ

X

θ

Xθ

侧

向力

右转橡胶前衬套d

侧向力

（a）后悬架下控制臂橡胶衬套

Yγ

X

（b）前悬架上控制臂

橡胶衬套

Xγ

后

橡胶衬套c下控制臂

前下控制臂

图7控制臂橡胶衬套转弯时变形示意

5

Y

橡胶衬套结构设计分析

应力集中

橡胶衬套主要的疲劳破坏是在拉伸应力集中部

Z

5.1

θ

θ

分产生龟裂，在粘结部分产生剥离，在压缩侧的折叠弯曲部分产生磨耗。为了防止应力集中，结构设计时应保证橡胶衬套与金属粘结部分无尖角，橡胶衬套结构合理性如图8所示。

应力集中

不合理

（c）前悬架下控制臂

橡胶衬套

车辆内侧

（d）前悬架前下控制臂

橡胶衬套

Y

车辆外侧

X

θ

或

（e）纵臂橡胶衬套

图6表3

刚度

前悬架和后悬架控制臂橡胶衬套控制臂橡胶衬套各向特性参数

合理

（a）压缩型橡胶衬套

应力集中

不合理

合理

abcdd后108576369897

e5601550

图8

设计理论值

X向静刚度/

145441548

·Nmm-1Y向静刚度/

732220

·Nmm-1Z向静刚度/·Nmm-1θ向静刚度/

1.840.905

·Nm（°）-1γ向静刚度/

9.39

·Nm（°）-1

橡胶衬套拔出力/N

1333201622686101.375.17

5.391195

（b）剪切型橡胶衬套

橡胶衬套的合理结构与不合理结构对比

5.2

1.6

结构设计

由于橡胶衬套在各方向上的刚度值均不同，且

2.6

Z向为5.113.4

X向为7.2

>4900

>25000

在不同的频率和变形条件下的刚度值也不同，所以可通过不同的橡胶形状、不同的结构来满足橡胶衬套的特性要求。如在纵臂橡胶衬套上加开减弱槽（见图9）来达到X+向和X-向的刚度，减弱槽中还设计有凸起，使橡胶衬套在大变形和小变形时的刚度不同（呈非线性），以满足隔振降噪作用等。减弱槽的宽度

—37—

>4900>10000>4900>4900

注:d后为后悬架上控制臂橡胶衬套，与橡胶衬套d结构一致。

由表3可知，橡胶衬套b的拔出力很大，这是因

2009年

第8期

设计计算研究····

如图9所示，当X+向变形超过3.5mm时，刚度由560

还应使橡胶混合物均匀，不产生气泡,掌握好硫化时间和硫化温度。

N/mm变化到750N/mm左右；当X-向变形超过2mm时,刚度由560N/mm变化到650N/mm左右。

凸起

d.在开设橡胶模压注孔位置时，应尽量减少

3.5mm减弱槽

型腔内胶料流经关键部位处的流动量，即尽量减少关键部位的胶粘剂流失，并尽可能使各型腔同时得到充满。如副车架衬套压注孔位置在图12a中的标识结构上，即橡胶凸起上[4]。

橡胶衬套在制造完成后，还需进行一系列的试验来验证其特性及疲劳性能等是否满足整车性能要求。为了真实反映橡胶衬套的实际特性，必须在试验过程中近似模拟其实际工作状态，具体要求为：

X+X

-

2mm

图9带有减弱槽的纵臂橡胶衬套

有的衬套还在橡胶内部增加了金属内骨架，如图10中的下控制臂衬套。增加中间内骨架后可使橡胶衬套在径向的刚度增大，且内骨架中有相当数量的工艺孔，可使硫化时两侧橡胶的压力均匀分布，有助于粘结。

橡胶

内金属筒

外金属筒

内骨架内骨架工艺孔

a.夹具的设计要满足测试系统所要求的刚度、

强度、质量等，能够模拟试件的实际变形行为，接触面的机械性能(粗糙度、平面度等)也要与实际尽量相同。

b.试验载荷应按要求确定加载方向，某些对

称元件可只测其中一个方向的值。对于静态特性试

图10

带有内骨架的下控制臂橡胶衬套

验，要求加载速度尽量低；动载荷特性测量时要控制加载的频率和变形幅值；根据实际的工作状态决定是否有预载；控制加载范围，防止零件损坏。

5.3标识结构

橡胶衬套在各方向上的刚度特性不同决定了

其在车辆中的安装具有方向性，对于不易分辨方向的橡胶衬套就要有标识结构,以便装配便利。如图

c.试验温度控制在25℃左右[3]。

7结束语

通过对橡胶衬套的结构和参数分析可知，副车

11中零件上的橡胶凸起即为标识结构。

标识

架橡胶衬套一般在车辆横向的刚度最大，约为10~

18kN/mm，呈前副车架低后副车架高的趋势；在车

辆高度方向的刚度最小，约为4500N/mm；在车辆纵向的刚度介于二者之间，约为4000~8500N/mm，

（a）副车架橡胶衬套

图11

（b）纵臂橡胶衬套

橡胶衬套方向标识结构示意

呈前副车架高后副车架低的趋势。控制臂橡胶衬套在车辆横向方向的刚度也比其它方向大，扭转刚度大小与悬架形式等有关。橡胶衬套在结构设计时要综合考虑安装空间、受力状态及性能和寿命等方面的因素，以此决定选择衬套的类型、橡胶形状及合理工艺流程。

参

考

文

献

6橡胶衬套的疲劳性能

疲劳破坏是橡胶衬套在实际使用中经常出现

的问题，应从以下几方面提高其疲劳寿命。

a.在产品设计上应避免橡胶衬套的应力集中

现象，而且橡胶部分不应有过渡的应力和变形；另外产品的胶料量不能太少，因为橡胶衬套在承受交变重复大载荷时橡胶内部会发热，胶料量多则具有大的热容量,可延缓发生破坏时间。

1234

户原春彦.防振橡胶及其应用.北京：中国铁道出版社.

1982.

林逸,陈欣,王望予,等.独立悬架中橡胶减振元件对汽车性能的影响.吉林工业大学学报,1993,23（3）：18~26.温强,张建强,等.悬架中的橡胶支承及其静、动刚度特性试验研究.上海汽车,1999（8）：7~9.

吴亚军.橡胶减振器疲劳寿命与模具设计的关系.特种橡胶制品,2001,22（3）：35~36.

（责任编辑

修改稿收到日期为2009年7月28日。

汽

车

技

术

文

楫）

b.为抵抗大气环境对橡胶制品的影响,橡胶

材料中使用的填充剂颗粒直径要小，配合剂的数量和种类对疲劳寿命也有很大的影响。

c.在生产上要提高金属模加工表面精度，避

免橡胶表面及其附近产生缺陷，在实行保护的同时—38—

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