車輛控制臂優化設計

張繼宏,王文志,鄭素云,王孔龍

(北京汽車工程研究院,北京 101300)

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車輛控制臂優化設計

張繼宏,王文志,鄭素云,王孔龍

(北京汽車工程研究院,北京 101300)

摘要:針對車輛控制臂的強度與疲勞耐久性能,分析了控制臂的優化設計思路,借助CAE對車輛控制臂進行了分析和優化設計,并采用CAE聯合工況疲勞耐久性分析方法進行了驗證。結果表明,采用拓撲迭代方法進行優化設計后,控制臂性能得到較大提升,可供車輛懸架系統及其元件優化設計參考。

關鍵詞:汽車;控制臂;拓撲迭代;剛柔耦合模型

作為重要的承力部件,車輛懸架上的控制臂不僅承受著整車載荷和輪胎傳遞的路面沖擊載荷,更要保持車輛操控的準確,這就要求控制臂具有足夠的剛度、強度和疲勞壽命。它不僅影響整車的使用壽命和駕乘人員的生命安全,而且作為簧下質量,對車輛舒適性會產生很大影響;在嚴苛的路面條件下,甚至會發生斷裂風險。因此,其結構強度一直是設計研究的重點。該文通過對車輛控制臂結構進行CAE優化設計,實現兼顧整車舒適性需求的輕量化情況下的強度和疲勞最優化。

1 控制臂優化設計方法

結構優化設計是一門復雜的多標準、多學科優化理論,按其構造,結構優化模型可分為尺寸優化問題、形狀優化問題及材料選擇、拓撲優化問題三類。拓撲優化又稱為布局優化,在概念設計階段進行適當拓撲結構選擇非常重要。作為車輛懸架系統的重要零部件,控制臂的優化設計更是必備的,其流程如圖1所示。

運用該設計方法,首先建立車輛懸架系統的結構數據并導入ADAMS/Car中,建立懸架系統的剛柔耦合模型。該模型中,控制臂作為剛性體進行約束。然后對該模型進行多體動力學分析,獲取懸架控制臂在制動、轉向、過減速帶和炮彈坑等極限工況時的載荷。將該載荷放入有限元中,采用慣性釋放的方法進行強度分析,得到控制臂的結構應力分布,確定應力集中的熱點,再利用CAE迭代優化結構,最終得到總體性能都較佳的控制臂模型。根據該模型進行數據改進優化,利用CAE聯合工況疲勞耐久性分析方法進行校核,確認其耐久性能。

圖1 控制臂的優化設計流程

2 某車輛控制臂的優化設計

在ADAMS/Car中建立該車輛懸架系統的剛柔耦合模型,控制臂內側兩點鉸接于副車架上,外側安裝點球接在轉向節下端,其承受軸頭處車輪傳來的側向力和縱向力;減振器下端同該控制臂采用球鉸接,承受垂向力;穩定桿同該控制臂也采用球鉸接,同樣承受垂向力。同時輸入減振器和安裝襯套的柔性數據(如圖2所示)。

圖2 車輛懸架系統ADAMS剛柔耦合模型

根據對試驗場路譜采集數據的分析,確定控制臂的標準工況和載荷(如表1所示)。

表1 控制臂的標準工況和載荷

ADAMS依據標準工況提取控制臂載荷加載到控制臂上各個硬點(如圖3所示)。

圖3 控制臂的各個硬點

通過ADAMS仿真,獲得在垂直4g沖擊工況下控制臂各個硬點處的載荷情況(如表2所示)。

考慮到車輛承載能力和控制臂的受力情況,預期采用B510L高強度熱軋鋼板作為控制臂本體材料,采用沖壓焊接而成,材料厚度選用2.5 mm,其屈服強度可達到355 MPa,許用應力能達到510 MPa。控制臂上各安裝支架則選用SPAH440,材料厚度選用3.0 mm。預測總體重量能滿足整車重量控制要求。各材料的基本屬性如表3所示,應力應變曲線如圖4所示。

表2 垂直4g沖擊工況下控制臂各硬點處載荷情況

表3 控制臂各材料的基本屬性

將以上數據代入有限元進行CAE強度分析,對模型不進行約束,采用慣性釋放法進行分析,垂向4g工況下的分析結果如圖5所示。

圖4 控制臂各材料的應力應變曲線

圖5 控制臂CAE有限元強度分析結果(單位:MPa)

從圖5可見:其應力超標較多,而且大部分處于焊接位置。高強度結構鋼焊接易發生脆性斷裂,脆性斷裂時的應力遠低于屈服極限,因焊縫易產生微細裂痕,在一定載荷作用下,裂紋急劇擴展導致結構件脆性斷裂。球頭附近應力集中,應是板材變形較為復雜,沖壓成型困難,出現沖壓撕裂等缺陷的可能性大,需作進一步優化改進。

采用CAE拓撲迭代優化結構,進行壁厚和形狀拓撲優化,使局部應力和焊縫應力大幅降低,滿足材料許用強度要求。拓撲優化后結構特點如下:1)結構由原上片U形、下片平板改進為上、下片均采用U形結構,焊縫由底邊改到側面中部,避開受力應力集中部位,提高焊縫的疲勞壽命。2)球頭部位簡化復雜形狀為兩體焊接,減少沖壓撕裂風險。3)鋼材的使用厚度由2.5 mm增加到3.0 mm,以提高整體剛度。優化后的強度分析結果如圖6所示。

圖6 經拓撲優化后的控制臂CAE有限元強度分析結果(單位:MPa)

從圖6可見優化后應力已降低到389 MPa,但B510L仍不能滿足使用要求。考慮到Qste420高強度熱軋鋼板能滿足該性能要求,其屈服強度能達到420 MPa,最大許用應力達到620 MPa,材料由預期的B510L高強度熱軋鋼板更改為Qste420高強度熱軋鋼板。根據該受力分析優化數據結構,結果如圖7所示。

對控制臂優化后的數據采用CAE聯合工況疲勞耐久性分析方法,運用nCode疲勞分析軟件進行校核,控制臂本體及其焊點的疲勞耐久受力分布如圖8和圖9所示,疲勞聯合工況(如表4所示)下的計算結果如表5所示。

圖7 優化后的控制臂數據

圖8 控制臂本體在加載循環次數＞52萬次時的疲勞壽命(單位:次)

圖9 控制臂上焊點在最小加載循環次數＞100萬次時的疲勞壽命(單位:次)

表4 疲勞聯合工況設置

表5 控制臂本體及其焊點的疲勞聯合工況分析結果　萬次

校核結果顯示,經過拓撲優化后的控制臂數據在疲勞耐久性方面滿足理論設計要求。

3 結論

(1)結構設計中的焊縫位置選擇對控制臂的性能至關重要,焊縫微細裂紋在一定條件下易引起脆性斷裂,故焊縫位置應避開應力較大的部位。

(2)采用多體動力學仿真結合有限元分析進行車輛控制臂優化設計,為懸架系統的優化提供了一種有效方法,可縮短產品開發周期,降低試驗成本。該方法也適用于其他復雜的懸架元件優化設計。

(3)車輛極限仿真分析工況和控制臂本體CAE疲勞耐久性評價標準為＞20萬次。對于縫焊與焊點的疲勞分析,由于目前理論和CAE建模規范的局限性,很難準確模擬出真實的壽命及安全因子,分析結果僅供參考。

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收稿日期:2015-12-18

中圖分類號:U463.33

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0007-04