多連桿后懸架托臂強度分析

倪晉挺，張錢斌，王愛國

（安徽機電職業技術學院汽車工程系，安徽 蕪湖 241002）

多連桿后懸架托臂強度分析

倪晉挺，張錢斌，王愛國

（安徽機電職業技術學院汽車工程系，安徽 蕪湖 241002）

針對某一轎車行駛6400公里左右時，后懸架托臂出現開裂的現象。本文采用有限元方法，用Hypermesh軟件對后懸架托臂的CAD模型進行有限元網格劃分、ABAQUS為求解器，對托臂進行不同工況下的強度校核，根據托臂的應力分布情況來分析斷裂的原因，并提出改進方案，為托臂的前期設計提供一種方法。

多連桿后懸架；托臂；有限元；強度分析

CLC NO.:U463.8Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014) 12-36-04

前言

汽車多連桿后懸架托臂是懸架系統的導向元件，在懸架系統中有扭桿作用，起到一定減振作用；同時也作為后彈簧的下彈簧座，連接車身起到支架作用。其結構強度的好壞直接影響到懸架系統的穩定性和行駛的安全性[1]。

1、有限元建模及載荷工況確定

1.1 有限元分析理論和方法

有限元法是一種離散化的數學方法，主要依據變分原理來求解數學物理問題，將連續彈性體劃分成有限多個單元，單元間依據節點相互連接。在滿足一定的精度要求下,運用有限個參數來描述單元的力學特性, 這些單元力學特性的總合可理解為整個連續體的力學特性, 從而建立連續體力的平衡關系。

非線性有限元軟件ABAQUS模擬彈塑性分析的主要問題。運用ABAQUS非線性算法模擬托臂的結構強度問題屬

于金屬材料的彈塑性分析范疇。ABAQUS應用經典彈塑性理論來分析彈塑性材料，材料的各向同性屈服應用M-ises屈服面來定義。金屬材料彈塑性變形可簡述如下：小應變時，材料屬性可認為是線彈性，彈性模量E為常數，當應力值超出材料屈服極限后，剛度就會顯著下降。這樣材料的應變可分為塑性和彈性兩部分，卸載后，彈性應變消失，塑性應變不可恢復；若再次加載，材料屈服極限得到提高，即硬化階段。材料的彈塑性行為，如圖1所示。

材料的單向拉伸/壓縮實驗得到的數據可表示為名義應變εnom和名義應力σnom，其公式為∶

式中，Δl為試樣長度變化量；l為試樣原始長度； F為載荷；A0為試樣原始截面面積。

為準確表述大變形過程中的截面積變化，需用真實應變εtrue和真實應力σtrue，與名義應變εnom和名義應力σnom間換算關系為：

式中，l為試樣原始長度；A為試樣原始截面面積。

彈性應變εel和塑性應變εpl共同構成真實應變εtrue，ABAQUS中塑性材料的定義需要用到塑性應變εpl，其關系式為：

在ABAQUS軟件的后處理中彈性應變εel對應彈性應變EE；塑性應變εpl對應等效塑性應變PEEQ、塑性應變量PEMAG、塑性應變分量PE；名義應變εnom對應應變NE；真實應力σtrue對應Mises應力；真實應變εtrue對應輸出文件中的LE（幾何非線性問題*STEP, NLGEOM=Yes）和總應變E（幾何非線性*STEP, NLGEOM=No）。

在ABAQUS中根據公式（1）～（4）可定義塑性材料參數：首先通過單向拉伸壓縮試驗得到的名義應變εnom和名義應力σnom轉換為真實應變εtrue和真實應力σtrue，ABAQUS在計算中將自動在各個數據點間進行線性插值[2]。

1.2 有限元模型的建立

以某轎車多連桿后懸架托臂為例，詳細闡述托臂結構有限元模型的建立。該托臂一端通過襯套安裝在車身上，一端固定在后懸架支架上，根據從Catia中得到的三維數模，如圖2所示；劃分有限元網格，建立有限元模型，如圖3所示。

托臂建模注意事項如下：

（1）托臂為扳金件，采用3～5mm尺寸的PSHELL殼單元劃分網格，其中，托臂的制動器支架和彎管的特征變化區域網格需要細劃，單元尺寸可控制在2～3mm左右。單元網格疏密過度區域，銜接要盡量自然，單元尺寸變化不可太大，對于彎管小臂和彎管中部焊接區域，網格節點要盡量對齊。

（2）彎形臂和制動器支架的二氧化碳保護焊采用剛性單元rigid模擬，彎臂小頭和彎臂中管的燒焊連接采用兩倍厚度的殼單元連續處理，所用材料屬性和母材相同[3-5]。

1.3 載荷工況

車輛行駛時車輪所受的載荷狀況異常復雜，且是隨機載荷，隨車輛載重、駕駛員的操縱、發動機輸出轉矩、路面不平度、地面附著系數及行駛速度等不同而變化，故確定若干典型工況，進行強度校核尤為重要[1]。

車輛所受的典型工況可簡化為4種典型工況，即：工況1，車輛前進aχ=1g, ay=0,az=1g；工況2，車輛制動aχ=-1g, ay=0,az=1g ；工況3，車輛轉彎側滑aχ=0,ay=1g, az=1g ；工況4，車輛上跳aχ=0,ay=0,az=4g 。

2、托臂結構強度分析

該車基本參數：滿載質量2035kg、前軸荷1058.2kg、后軸荷質量976.8kg、質心高度672mm、軸距2630mm、前輪距1570mm、后輪距1570mm、輪胎半徑330mm。托臂材料參數為：左后拖曳臂上體、左后拖曳臂上體加強板材料均為SPHE，厚度均為3.5mm；左彎形臂左/右片材料均為SPHC厚度均為3.5mm；套管材料為10#無縫鋼，料厚76*4.5mm；左后托臂下體、左后托臂下體加強板材料均為SPHE，厚度均為3.0mm；左后減震器安裝支架本體材料為SAPH370，料厚3mm；左制動器安裝內/外板材料為SAPH440，料厚分別為4.5mm和3mm。其中，材料SPHE、SPHC、SAPH370、SAPH440的強度極限分別為270MPa、270Mpa、370MPa、440MPa。

在托臂強度分析中不考慮輪胎的作用，需將接地點的力等效轉換到轉向節與輪輞的裝配點處。約束條件為：套筒襯套用全約束的RBE2單元連接，并約束X、Y和Z三個方向平動自由度；制動器安裝板安裝點的剛性單元RBE2放開三個方向的轉動自由度，并約束X、Y和Z三個方向平動自由度。載荷施加點在轉向節與輪輞裝配點處。上述工況算得輪輞裝配點在4個工況下等效載荷如表1所示：

表1 輪輞裝配點在4個工況下的等效載荷

在工況1下，車輪所受載荷為X方面的牽引力和Z方向的自重，可算得作用在后輪上的載荷為： FX=4390N、FY=0、FZ=4390N，如表1。托臂彈簧座應力分布云圖，如圖4所示，最大應力為963MPa，是模擬過程的剛性連接造成（虛假應力），該區域也不是斷裂區域，予以忽略不計；制動器支架的應力分布云圖，如圖5所示，最大應力為400MPa，出現在焊接位置處；彎管的應力分布云圖，如圖6所示，最大應力為196MPa。以上三圖顯示，在后輪驅動時，較高的應力出現在制動器支架和彎管處。制動器支架處應力值小于材料屈服極限，但數值較高。彎管處應力值小于強度極限，滿足靜強度要求。

同理，根據工況1的計算方法，可得到其他3種工況下，托臂各組成部分的最大應力值及其分布位置。濾除剛性連接造成的不合理應力值，則4種工況下托臂各部件最大應力值如表2所示。

表2 托臂強度分析結果匯總

通過4種工況的計算，可以得出如下結論：

（1）在工況1下，較高的應力出現在制動器支架和彎管處。制動器支架處應力值小于屈服極限，但數值較高。彎管處應力值小于強度極限。

（2）在工況2下，在制動情況下拖臂應力均較低。制動器支架處應力值小于屈服極限。彎管處應力值小于強度極限。

（3）在工況3下，制動器支架上出現了高應力區，制動器支架和拖臂上體的焊縫處應力接近屈服極限，故焊接的強度應進行改進。其中制動器和輪轂安裝螺栓處出現的高應力區是由于加載荷的原因可以不考慮。

（4）在工況4下，垂直加速度4g的工況模擬車輛在行進的過程中車輪經過較大的突起或凹坑。應力云圖顯示在制動器支架和彎管與拖臂本體的焊接處均出現高應力區，且應力高于強度極限。由于本次模擬沒有考慮塑性變形，應力值偏高。

3、改進建議

綜合以上4中工況有限元分析可知在轉彎和過垂直障礙時，制動器支架、制動器支架與拖臂本體的焊接處、彎管以及彎管與拖臂本體的焊接處出現較高的應力。建議修改零件的結構。在制造的過程中注意焊接的質量。建議對薄弱件制動器支架進行改進，如圖7所示，A、B、C、D處的圓角過渡，增加A、C處的寬度，避免應力集中。

Strength Analysis of Multi-link Rear Suspension Corbel

Ni Jinting, Zhang Qianbin, Wang Aiguo
（Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering, Department of Automotive Engineering, Anhui Wuhu 241002 ）

When the car rear suspension corbel for a vehicle travels 6400 kilometers, the corbel of rear suspension breakage occurs. In this paper, using the finite element method, CAD model of suspension corbel is meshed by Hypermesh software and solved by ABAQUS；corbel for suspenson is checked in different load conditions. According to the stress distribution to analyze the reasons for the corbel and suggest improvements program. A new method for the preliminary design of suspension corbel is provided.

multi-link suspension; corbel; FEM; strength analysis

U463.8

A

1671-7988(2014)12-36-04

倪晉挺，講師，就職于安徽機電職業技術學院汽車工程系，主要從事汽車懸架方面的研究。