基于結構可靠性的控制臂輕量化設計?

高 翔，李 陽，趙清江

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.重慶市汽車輕量化工程技術研究中心，重慶 401122）

0 引言

最大限度地減少材料的用量、節約能源、減少排放和控制尾氣污染是汽車行業面臨的主要任務。研究顯示，汽車的質量每減少10%，燃油效率可提高6%～8%［1］。對于現有車型的輕量化，目前主要是從零部件輕量化做起，逐步實現整車輕量化的目標［2］。

控制臂（Control arm，也稱擺臂）作為汽車懸架系統的導向和傳力元件，對汽車的行駛平順性和操縱穩定性有重要的影響。它將作用在車輪上的各種載荷傳遞給車身，同時要保證車輪按一定軌跡運動［3］，這就使得控制臂需要滿足結構可靠性的要求。

本文首先對某轎車控制臂的原模型結構剛度和強度進行有限元分析，驗證其剛度和強度性能；再根據競標車型性能數據確定輕量化目標，基于結構可靠性能的要求，以控制臂本體的截面尺寸為設計變量，以其總體積為優化目標函數，建立控制臂的輕量化設計數學模型。應用OptiStruct軟件對其進行尺寸優化分析，并對輕量化后的控制臂結構進行分析驗證。

1 有限元模型的建立

控制臂本體厚度為5mm，總重量為4.73kg。采用Shell殼單元對控制臂本體和焊接管進行離散；由四面體Solid實體單元對控制臂的球頭處進行離散；縫焊和螺栓均采用剛性單元RBE2來模擬。模型單元總數為19 541，節點數為28 943，三角形單元所占比例為3.1%。鈑金件材料為B380CL，彈性模量E＝206 000MPa，密度ρ＝7 830kg/m3，泊松比μ＝0.3。建立的控制臂有限元模型如圖1所示。

2 原模型結構可靠性分析

2.1 剛度分析

2.1.1 載荷及約束定義

根據試驗工況，在控制臂的球頭點處分別沿X軸向、Y軸向施加10 000N的集中載荷，約束前點和后點的所有平動和轉動自由度。控制臂載荷及約束位置如圖2所示。

圖1 控制臂有限元模型

圖2 控制臂的載荷及約束

2.1.2 剛度分析結果

控制臂剛度計算公式為：

其中：F為載荷；d為位移。分析可得X向和Y向位移分別為0.553mm和0.097mm，即X向和Y向剛度分別為18 083N/mm和103 093N/mm。原模型控制臂的X向和Y向位移云圖分別如圖3和圖4所示。

2.2 強度分析

2.2.1 載荷及約束定義

根據ADAMS建立的懸架系統多體模型，以輪胎接地點載荷為輸入條件進行計算，提取出彎扭組合典型工況下的載荷，對控制臂的球頭點、前點和后點分別加載；采用慣性釋放的方法進行彎扭組合工況下的強度校核。

2.2.2 強度分析結果

分析可得控制臂最大應力值約122.5MPa其整體應力云圖如圖5所示。

圖3 控制臂X向位移云圖

圖4 控制臂Y向位移云圖

圖5 控制臂整體應力分布云圖

3 輕量化設計及其驗證

輕量化設計性能目標參考競標車型制定，剛度和強度性能指標如下：X向和Y向剛度分別不低于12 000N/mm和70 000N/mm，且控制臂最大應力不超過材料B380CL的屈服強度260MPa。

通過對控制臂的原模型進行分析，其X向和Y向剛度分別為18 083N/mm和103 093N/mm，相對參考車型高出51%和47%，且強度也滿足材料強度要求。由此可知控制臂的結構尺寸的設計還有很大的裕量，有較大的輕量化設計空間。

本文主要針對控制臂本體進行殼單元厚度的尺寸優化分析，對其進行減重，并進行輕量化設計的驗證。

3.1 尺寸優化分析

3.1.1 優化參數定義

（1）目標：體積最小化。

（2）性能約束：輕量化設計方案的控制臂X向和Y向剛度值不低于參考車型的12 000N/mm和70 000N/mm。即在X向和Y向分別加載10 000N的工況下，定義加載點位移分別小于0.833mm和0.143mm，且零件單元應力值小于260MPa。

（3）設計變量：控制臂本體上、下兩鈑金件的厚度尺寸。

3.1.2 尺寸優化結果

應用OptiStruct軟件定義相應卡片和參數，提交優化分析后得到設計變量和優化目標與迭代次數的變化曲線，分別如圖6和圖7所示。

圖6 尺寸設計變量的收斂情況

從優化結果可以看出，控制臂本體優化后的厚度為3.4mm，比原模型減薄1.6mm，并且達到了體積最小化的目標。

3.2 輕量化設計方案驗證

在與原方案控制臂相同的分析工況下，通過分析得到X向和Y向加載點位移分別為0.833mm和0.127mm，未超過優化設計設定的性能約束邊界；由剛度公式計算得到其X向和Y向剛度值分別為12 004 N/mm和78 740N/mm，且控制臂本體的應力最大值為122.5MPa，滿足強度性能約束條件。輕量化控制臂設計方案驗證對比見表1。

圖7 體積目標函數的收斂情況

由表1對比可知：輕量化設計方案的控制臂在滿足剛度和強度性能指標條件下，總重量減少了1.34kg，減重幅度達到了28%。取得了很好的優化效果。

表1 輕量化控制臂設計方案驗證對比

4 結論

通過對控制臂的原模型剛度和強度校核，驗證了其結構的可靠性以及輕量化設計的必要性。基于結構可靠性能要求，輕量化設計方案達到了預期目標，整個控制臂重量減少了28%，節省了材料，降低了生產成本，提高了汽車的燃油經濟性。

［1］大須賀龍冶.自動車的燃費動向輕量化［J］.自動車技術，2001，55（4）：4-8.

［2］蔡鋒，張亮亮.優化設計在汽車零部件輕量化中的應用［J］.汽車技術，2010（4）：25-28.

［3］蔣翠翠，上官文斌.汽車懸架控制臂［J］.現代零部件，2008（2）：90-92.