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摘要:本文通过对橡胶悬架的应用现状和优势研究，发现其局限性，并提出改进版的复合橡胶悬架的概念及实用模型。橡胶悬架是未来的发展方向，传统钢板悬架在商用车领域的应用已经越来越不适配，而橡胶悬架的实用研究还是处于比较基础的阶段，需要我们更多关注和开发。
关键词：橡胶悬架；实用模型；刚度变化
一、橡胶悬架的应用现状
悬架是现今车辆必不可少的元件之一，它的出现让汽车的稳定性和舒适性都有了飞跃性的发展。悬架是用来在车架和车轮之间进行传递扭力和缓冲的设备，能减少路面冲击力和震感，其中，主要分为钢板悬架、橡胶悬架及空气悬架三种主流产品。经过优化的橡胶悬架系统比钢板悬架系统更具优势，使用橡胶悬架的车辆更为平稳，驾驶员不易因过度颠簸而疲劳，驾驶过程中更能保证车载商品的安全及车辆零件的正常使用寿命。
二、橡胶悬架在实用中的优势
与传统钢板悬架对比之下，橡胶悬架优势明显:
（1）轻量化，与传统的钢板弹簧悬架相比，减重约300～600kg，降低油耗，提高车辆承载能力，提高运行效率。
（2）定位系统更好。 采用更为有效的水平推杆或V型推杆承重力，消除了传统钢板悬挂横向定位的弱点。
（3）基本无维护成本，免润滑（除了关键的橡胶剂），噪音相对更小，因此应用成本更低。
（4）具有良好的变刚度特殊性质，提供更好的操纵稳定性以及舒适性。
（5）有效缓减轮胎磨损以实现更好的通过性。车轮在橡胶悬架中会有更强的附着力，继而提升轮胎的跟随性，据了解最大的对角差甚至可达到440mm。
三、商用车复合橡胶悬架的实用模型研究
然而，在现代悬架实用研究中，我们逐渐发现纯橡胶悬架存在一定的局限性，传统的橡胶减隔振元件基本结构有两种，一种是能在车辆较大负载时提供作用的压缩型结构（见图 1a），；另一种是在需要加大位移和转角时起作用的剪切型结构（见图 1b），，这两种结构的力学变化曲线如图2所示。
根据橡胶材料的力学变化规律来看，单个元件难以实现悬架系统在任何条件下刚度变化特性。这是因为大变形曲线中典型橡胶材料的应力和应变特性为反向“S”，这与悬架系统的非线性可变刚度曲线不完全相同。悬架系统的这种非线性刚度变化特性，如果仅借助橡胶材料的非线性特点，意味着橡胶元件中的橡胶材料需要承受更大的甚至可能会影响橡胶的寿命的应变，所以，将橡胶部件的基本结构进行改造重组是一个比较可靠的方法。
据前文所述，依靠单个橡胶元件提供重卡悬架系统所需非线性变刚度要求可能性不大，同时，组合做法较为可靠，因此，有必要建立一个复合材料力学模型来检测变刚度的可能性（图3）。
图3 复合橡胶悬架力学系统模型
根据以上力学模型，重卡在空载（质量为m1）时悬架系统的总刚度全部由弹簧 k1提供产生；当位移发生 a1变化时，悬架系统总刚度由弹簧 k1、k2共同提供，此时车载质量达到满载标记为 m2；当悬架系统位移发生到 a2变化时，质量变化为m3，总刚度由弹簧 k1、k2和 k3共同提供，此时为超载阶段。
所以，对应力学模型方程式为：
F=k1x x≤a1 （1）
F=k1x+k2（x-a1） a1≤x≤a2 （2）
F=k1x+k2（x-a1）+k3（x-a2） x≥a2 （3）
因为要保持空、满、超三种情况下的相对恒定频率，综合以上力学模型方程式，就可求解出各种情况下各个橡胶元件的刚度变化。
据前面关于两种结构模型的探讨，我们设计橡胶悬架时，不妨考虑在空载时设置一个剪切型橡胶元件，在满载时加设一个压缩型橡胶元件，这样就可以灵活处理位移和负载的变动情况了。而考虑到安装简便性及运行稳定性的需求，建议参考以下复合橡胶悬架系统（图4）。
图4 复合橡胶悬架元件组合结构图
在以上橡胶悬架结构中，安装角θ、满载高度H、合适硬度的橡胶材料三者共同决定了整体刚度的变化，形成重要的橡胶悬架刚度组合。空载时，可以提高安装角θ，这样可以适当收缩系统刚性，另一方面，满载时需要更大的刚度则可以对应的降低H的高度，发挥压缩型结构材料的作用。只要充分发挥θ、H还有材料硬度三者的协调作用，就可以实现对整体悬挂系统刚度变化调整的目标。
通过以上对复合型橡胶悬架的模型研究，证明了复合型橡胶悬架作为传统橡胶悬架的发展方向的可能性。也说明只有在不断探索新的生产技术和敢于创新的实验中，才能不断完善商用车橡胶悬架的实用研究成果，推进汽车悬架的核心技术的升级和独创性。
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论文作者:袁修立
论文发表刊物:《科技中国》2017年2期
论文发表时间:2017/5/2
标签：橡胶论文; 悬架论文; 刚度论文; 系统论文; 元件论文; 模型论文; 钢板论文; 《科技中国》2017年2期论文;