基于臺架試驗和CAE的鋁合金控制臂開發研究

岳鵬飛 羅曉東 方川 唐北平 馬東宇

（重慶長安汽車股份有限公司汽車工程研究總院）

基于臺架試驗和CAE的鋁合金控制臂開發研究

岳鵬飛 羅曉東 方川 唐北平 馬東宇

（重慶長安汽車股份有限公司汽車工程研究總院）

針對某車型設計了鋁合金控制臂，對該控制臂進行了臺架試驗和CAE分析，并根據試驗分析結果對該控制臂進行了結構優化，給出了安全試驗系數。對優化后的鋁合金控制臂進行了驗證試驗，結果表明，結構優化后的鋁合金控制臂不僅完全能夠滿足耐久試驗要求，而且達到了減重34.4%的效果。

1 前言

當前，由于資源與環境問題越來越突出，各國的汽車油耗和排放法規要求越來越嚴格，節能減排已成為汽車行業主要關注問題之一。汽車輕量化是實現節能減排的重要手段，采用輕量化技術可減輕整車質量，進而降低油耗，提高汽車經濟性。

利用合金材料、復合材料代替傳統汽車鋼材可明顯減輕整車質量。目前市場上大部分的發動機缸蓋都采用鋁合金材料，使用鋁合金缸體的發動機比同等排量的鑄鐵發動機能減輕約20 kg的質量。但鋁合金在底盤零部件上應用的相對較少。為此，本文研究了鋁合金控制臂的開發方法，以達到減輕零件質量，實現汽車輕量化的目的。

2 控制臂模型的建立

2.1 建立CATIA數模

在保證安全性和強度要求的前提下，在CATIA環境中建立了鋁合金控制臂模型，如圖1所示。

2.2 建立有限元模型

將建立的鋁合金控制臂數模導入HyperMesh軟件中，采用四面體單元對其進行網格劃分，單元尺寸為3 mm，單元數為116 218。對該模型賦予材料屬性，定義邊界條件、輸出信息等，并直接在HyperMesh自帶的求解器中進行仿真計算。鋁合金控制臂材料參數如表1所列。

表1 鋁合金控制臂材料參數

由于控制臂在汽車制動和轉彎過程中作為主要承載部件，故本文只考慮這兩種工況。兩種工況下控制臂受到前輪制動力和前輪轉向橫向力的作用，兩種力的計算如下。

制動時：

轉彎時：

式中，Fb為控制臂所受前輪制動力；Fn為控制臂所受前輪轉向橫向力；φ為地面附著系數；G為汽車重力；Wf為前輪軸荷；b為汽車質心至后軸中心線的距離；FXb為總的制動力；hg為質心高度；L為前、后軸距；Lf為前輪輪距。

根據兩種工況下鋁合金控制臂受力情況，進行了CAE仿真分析，仿真分析時控制臂所受力與實車保持一致，分析結果如圖2和表2所示。由圖2和表2可知，在制動工況下，鋁合金控制臂本體結構孔處和球銷孔處出現應力集中；在轉彎工況下，球銷孔處出現應力集中，但均小于鋁合金材料的屈服強度。

表2 兩種工況下鋁合金制動臂受力分析結果

3 鋁合金控制臂臺架試驗

3.1 試驗方案

為驗證鋁合金控制臂的可靠性，同時進行了單體和系統級試驗。其中制動工況使用鋁合金控制臂單體進行試驗，轉彎工況進行懸架系統級驗證。

3.2 鋁合金控制臂單體耐久試驗

通過CAE分析，鋁合金控制臂滿足使用要求，為此在樣件生產后搭建了試驗臺架（圖3），以對其進行耐久試驗。為與實車中控制臂的安裝情況保持一致，選擇副車架作為工裝并將其固定在專用鐵地板上；球銷孔一端通過球頭座總成與MTS伺服液壓系統連接。通過MTS伺服液壓系統在鋁合金控制臂本體上施加載荷，載荷大小與CAE仿真分析中一致（3 985 N），載荷形式為等幅正弦波，加載頻率為1.5 Hz。制動工況載荷譜如圖4所示。

隨機抽取3個樣件（1#、2#、3#）進行模擬制動工況試驗。試驗結果表明，由于球銷孔處的應力較大，最終1#、2#、3#樣件在試驗次數分別達到288 259、263 305和256 484時在此處發生斷裂（圖5），不能滿足33萬次的耐久試驗要求。

但在此制動工況下，CAE仿真分析中的應力最大點處（鋁合金控制臂本體）并未發生開裂，原因是臺架試驗時所用樣件都安裝有襯套，襯套的作用剛好使得鋁合金控制臂本體結構孔處的應力降低，所以鋁合金控制臂本體開裂風險較小，而CAE分析時沒有考慮襯套的影響。

3.3 鋁合金控制臂系統耐久試驗

為使臺架試驗更接近實車轉彎時的受力情況，通過系統級試驗模擬車輛轉彎工況。首先將副車架、轉向節、前支柱總成、制動盤等按照設計要求與鋁合金控制臂連接成前懸架系統并固定在試驗臺架（圖6）上，同時保證懸架系統零部件無開裂、襯套老化等情況。在輪胎與地面接觸位置施加3 750 N的側向力，輪胎用專用工裝代替，輪心到加載位置的距離與輪胎半徑一致。通過MTS伺服液壓系統施加載荷，載荷形式為等幅正弦波，加載頻率為1 Hz。轉彎工況載荷譜如圖7所示。

隨機抽取3個樣件（1#、2#、3#）進行模擬轉彎工況試驗。試驗結果表明，1#、2#、3#樣件在試驗次數分別達到203 362、221 250和192 384時同樣在球銷孔附近發生斷裂（圖8），均不能滿足30萬次的耐久試驗要求。3個樣件的斷裂面都位于主要承載部位，為CAE分析中最大力應力處。3個樣件的斷口形態相似，為一次性脆性斷裂的斷口特征。這是因為斷口上端承受應力較大，導致局部應力大于合金脆性粒子自身的抗拉強度，最終導致自上而下發生脆性斷裂。

4 鋁合金控制臂結構優化及驗證

4.1 結構優化

由上述分析可知，導致耐久試驗失敗的主要原因是鋁合金控制臂在球銷孔處應力較大，因此需要對球銷孔結構進行優化。首先，在滿足總布置要求的前提下對球銷孔周圍結構進行強度加強，即取消縮頸結構，增加該處的寬度和厚度，使鋁合金控制臂本體與球銷孔之間的過渡盡量平滑無突變。結構優化后的鋁合金控制臂CAE模型如圖9所示。

結構優化后的鋁合金控制臂CAE模型仍采用四面體單元劃分網格，單元尺寸為3 mm，單元數為117 037，材料屬性、邊界條件、輸出信息等與結構優化前模型保持一致，結構優化后兩種工況下應力云圖和受力分析結果如圖10和表3所示。

表3 結構優化后鋁合金控制臂受力分析結果

由圖10可看出，結構優化后，在制動工況下鋁合金控制臂本體處應力比優化前降低了37.6 MPa，球銷孔處應力降低了56.7 MPa；在轉彎工況下球銷孔處應力降低了21.6 MPa，優化效果較明顯。由表3可知，結構優化后的受力情況與結構優化前一致。圖11為優化前、后幾處最大應力的對比結果。

4.2 試驗驗證

首先按照優化后的控制臂結構對模具進行修改并制造試驗樣件，然后隨意抽取6個樣件，分別按照前述試驗要求對樣件進行單體試驗驗證和系統級試驗驗證。結果表明，結構優化后的控制臂滿足制動工況33萬次，以及轉彎工況30萬次的耐久試驗要求。

5 減重效果及安全試驗系數

在結構上，鋼控制臂本體主要為腔體，球銷安裝部位為鑄件，兩部分通過焊接連接，2個襯套也是通過金屬背板與控制臂本體焊接連接；而鋁合金控制臂是整體鑄造，在襯套安裝位置機械加工后將襯套壓入，球銷孔也是直接機械加工。兩種材料控制臂實物對比如圖12所示。在質量上，鋁合金控制臂的質量為2.8 kg，比鋼控制臂減輕1.47 kg，左、右2個控制臂共減輕2.94 kg，減重34.4%，減重效果明顯。

經CAE分析，結構優化后鋁合金控制臂球銷孔處應力為260 MPa，鋁合金材料的理論屈服強度為380 MPa，二者比值為0.68，該值可作為安全試驗系數，在其它車型的鋁合金控制臂開發中可參考該值進行優化，以此作為CAE優化目標，達到目標后再進行驗證工作。這樣，可降低試驗驗證次數，從而減少試驗樣件數量及輪次，縮短開發周期，降低開發成本。

6 結束語

針對某車型設計了鋁合金控制臂，對該控制臂進行了臺架試驗和CAE分析，并進行了結構優化，給出了安全試驗系數。通過試驗表明，結構優化后的鋁合金控制臂不僅能滿足單體試驗和系統級試驗的要求，而且達到減重34.4%的效果。

1 余志生.汽車理論.北京：機械工業出版社，1981.

2 李楚琳，張勝蘭，馮櫻，等.Hyperworks分析應用示例.北京：機械工業出版社，2008.

3 朱浩，朱亮，陳劍虹.鋁合金在三種應力狀態下的力學性能研究及斷口分析.蘭州理工大學學報，2006.

4 劉永臣，王國林，孫麗.車輛控制臂疲勞損傷分析與壽命預測.農業工程學報，2013，29（16）：83～91.

（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年7月17日。

Design and Research on Aluminum Alloy Control Arm Based on Bench Test and CAE

Yue Pengfei,Luo Xiaodong,Fang Chuan,Tang Beiping,Ma Dongyu
（Chongqing Changan Auto R＆D Center,Changan Automobile Co.,Ltd）

Aluminum control arm has been developed for a vehicle model,on which bench test and CAE analysis are carried out,and structural optimization is made to this control arm according to test and analysis,and safety test coefficient is given.The optimized aluminum control arm has been verified and test,the results show that the aluminum control arm with structural optimization not only meet the requirement of durability test,but also reduce weight of 34.4%.

Aluminum alloy control arm，CAE Analysis，Bench test，Structural optimization

鋁合金控制臂 CAE分析 臺架試驗 結構優化

U463.33+5

A

1000-3703（2015）09-0026-04