輕型貨車懸架橫臂輕量化設計

董彥曉，王金剛

（河北工業大學 機械工程學院，天津 300000）

輕型貨車懸架橫臂輕量化設計

董彥曉，王金剛

（河北工業大學 機械工程學院，天津 300000）

根據經驗對某款輕型貨車懸架橫臂進行輕量化設計。基于Hyperwork建立了橫臂的有限元模型，通過有限元分析，對比不同橫臂材料和結構在各工況下的最大應力值，在滿足屈服強度的條件下，使零件達到輕量化的目的。對橫臂進行模態分析，驗證了橫臂固有頻率大于其工作頻率，避免共振現象的發生。橫臂的臺架試驗和路試試驗結果證明了優化設計的可行性，所采用的研究方法對懸架輕量化設計提供了一些思路和經驗。

輕型貨車；橫臂；輕量化；有限元分析；試驗

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.013

CLC NO.: U463.33 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-38-03

引言

隨著國家節能減排戰略的實施和汽車行業競爭日趨激烈，汽車輕量化已經成為汽車行業中的一項關鍵性研究課題。輕量化設計是汽車降低油耗和提高性能的重要手段，同時，它也是降低產品成本的重要途徑。研究表明，汽車每減重10%，燃油消耗可減少6%以上。因此在汽車設計過程中，對汽車零部件進行優化設計，可以達到節約資源和降低成本的雙重目的［1］。

本文基于CAE技術對某企業開發的輕型貨車前懸架橫臂結構進行優化設計，利用HyperWorks軟件，首先對橫臂進行靜強度校核，在滿足動態性能和屈服強度的條件下，對橫臂材質及結構進行更改，使零件達到輕量化的目的。其次，對橫臂進行模態分析，確認產品更改的可行性，避免共振和噪聲等不良現象的發生。最后通過臺架試驗和路試試驗對輕量化橫臂進行試驗驗證，確定了優化結果的合理性［2］。

1、橫臂的功能和作用

橫臂是懸架系統導向裝置的主要部件，一端通過橡膠軸套與轉向節連接，另一端與車架連接。通過橫臂本體、軸套等部件傳遞作用在車架和車輪之間的一切力和力矩，利用橫臂本身的剛度及軸套的特性緩和汽車駛過不平路面時產生的沖擊，衰減由此引起的承載系統的振動，保證汽車正常行駛［3］。

2、橫臂的輕量化設計

橫臂的輕量化設計，主要考慮用薄板代替厚板，實現途徑有如下兩種：a)優化橫臂結構降低產品應力，以降低材料厚度；b）使用低厚度高強度板材代替高厚度低強度板材，以降低產品重量。

該輕型貨車前懸架上橫臂結構如圖1所示，橫臂成型工藝設計為焊接，橫壁主體中間設有兩連接管，以增加產品可靠性。通過對零件結構的整體分析，將橫臂本體材料由35#無縫鋼管更改為QStE380TM的焊管，同時將長連接管變更為連接板，從而實現橫臂輕量化［4］，測量改后橫臂重量相比之前減輕了1.5Kg，更改后橫臂如圖2所示。

圖1 原橫臂

圖2 材料及結構變更后橫臂

3、橫臂的有限元分析

35#無縫鋼管、QStE380TM焊管的力學性能見表1。

表1 力學性能

在UG中建立前懸架三維模型，將模型導入Hyperwork軟件中，利用HyperMesh模塊建立有限元模型，對懸架結構劃分網格。劃分完成后將模型導入Abaqus中進行后處理，參照零部件材料參數定義材料屬性，35#和QStE380TM材料屬性（密度、彈性模量、泊松比）相同，密度為7.85×kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3［5］。

3.1 橫臂的靜強度分析

圖3 更改前橫臂應力云圖

對懸架有限元模型進行整車四工況（制動工況、轉向工況、加速工況、顛簸工況）［6］分析。更改前、更改后橫臂應力云圖見圖3、圖4，應力數據對比見表2。

圖4 更改后橫臂應力云圖

表2 更改前后應力對比

由對比分析結果可知，橫臂更改前、更改后各焊接件，在各工況下最大應力位置一致，更改后橫臂應力增大，最大增幅為5.32%，由114.7Mpa增加至120.8Mpa，位于橫臂主體中端接近短連接管處。但各工況下橫臂應力均小于零件屈服強度315Mpa，故有限元分析輕量化后的橫臂能夠滿足使用要求。

3.2 橫臂的模態分析

汽車在實際行駛的過程中，由于行駛路面的坑凹不平極易產生激振頻率，為避免零件產生共振，從而導致零件結構損壞，同時保證行駛平順性和減小噪聲，需要對零件進行模態分析，保證零件的固有頻率大于激振頻率［7］。

對懸架橫臂進行模態分析，取前十二階自由模態，前六階模態為剛性模態，其頻率為0HZ，故從第七階模態開始算為第一階模態，得到如表3所示前六階自由模態下的固有頻率。

表3 橫臂1～6階振動固有頻率

汽車行駛在凹凸不平的路面，對汽車振動系統產生的激勵頻率通常在0.5～25HZ范圍內，由表3可知，更改前/更改后的橫臂固有頻率均遠大于激振頻率，因此橫臂不會發生共振現象［8］。

4、試驗驗證

4.1 臺架試驗

由于橫臂結構變更，需進行臺架試驗進行可靠性分析。在進行臺架試驗前，用靜力學方法計量作用在零件上的載荷。考慮到汽車底盤的工作環境，對底盤分別按照三種典型的危險工況進行靜力學分析三種典型的危險工況分別是：

（1）汽車越過不平路面時，受到來自地面的沖擊動載荷；

（2）汽車緊急制動時，受到地面縱向沖擊載荷和汽車的慣性力；

（3）汽車發生側滑時，受到地面的側向沖擊載荷。

表4 整車參數

試驗參數計算：

設地面對前懸左、右輪反力相等

（1）在不平路面沖擊動載荷作用下的強度計算

在通過不平路面時，前懸除了承受靜止載荷外，還要承受附加沖擊載荷，在這兩種載荷作用下：F垂=K×G1/2

（2）緊急制動時強度計算

不考慮側向力，汽車緊急制動時受力：

F前進制動=（1-h×φ/S）G1/2

F后退制動=（1+h×φ/S）G1/2

（3）側向滑移時強度計算

當汽車滿載高速轉彎時，會產生作用于汽車質心處相當大的離心力，汽車會承受側向力：F側=φ1×G1/2

將輕量化后的橫臂和減震器、穩定桿、制動器等陪試件參照整車狀態裝配到車架和工裝件上，并按照整車安裝力矩擰緊各處連接螺栓。由于前懸受力點較多，故將車架進行固定，在制動器上施加臺架試驗所需的垂向力、制動力和側向力，加載示意圖如圖5所示。

圖5 加載示意圖

試驗結果如表5所示，檢查試驗樣件：金屬無開裂、無明顯塑性變形，焊接處無開裂。臺架試驗表明，輕量化后的橫臂能夠滿足產品設計要求。

表5 試驗數據

4.2 整車路試試驗

將輕量化后的橫臂搭載到底盤耐久試驗車上，進行路試試驗，試驗包括山路、急加速、緊急制動、高速環路等。

試驗完成后，拆解檢查橫臂：金屬部位無開裂、無塑性變形，焊接處無開裂。路試試驗表明，輕量化后的橫臂能夠滿足產品設計要求。

5、結論

通過靜強度分析，得到橫臂在載荷作用下的應力分布特性，更改后的橫臂應力在一定程度上有所增大，但仍遠小于其屈服強度，其結構性能并沒有受到影響。同時，通過模態分析確定了橫臂在不平路面引起的激振范圍及對應的模態，獲得了在外界頻率范圍內橫臂的實際振動響應。臺架試驗和路試試驗結果證明，優化設計后的橫臂可以滿足使用要求。橫臂的輕量化設計使整車減重1.5Kg，在產品質量降低的同時，有效降低了油耗，為企業帶來了一定的經濟效益。

[1] 魯春艷.汽車輕量化技術的發展現狀及其實施途徑[J].上海汽車,2007:28-31.

[2] JH Park, KJ Kim. Optimal design of camber link component for lightweight automobile using CAE (Computer Aided Engineering) [J] .International Journal of Precision Engineering & Manufacturing, 2013, 14(8):1433-1437.

[3] 陳家瑞.汽車構造[M].北京:機械工業出版社,2006:367.

[4] 王登峰.轎車懸架控制臂參數化建模及輕量化多目標優化設計[J].汽車技術,2015(3):1-4.

[5] 元博.基于材料和結構的輕量化自卸車貨廂設計[J].汽車實用技術,2015（7）:63.

[6] 蔡茂,高群.碳纖維麥弗遜懸架控制臂輕量化設計[J].機械設計與制造,2015（7）:189-192.

[7] 劉為,薛克敏等.汽車驅動橋殼的有限元分析和優化[J].汽車工程,2012,34（6）:523-527.

[8] 王樹英,鄭松林,馮金芝,劉新田.燃料電池轎車前副車架輕量化設計[J].機械設計,2013,30(02)41-44.

Lightweight Design of Light Trucks Suspension Wishbone

Dong Yanxiao, Wang Jingang
（Hebei university of technology institute of mechanical engineering, Tianjin 300000）

According to the experience of a kind of light truck suspension beam for lightweight design. Based on Hyperwork beam finite element model is established, through the finite element analysis, compare the different beam material and structure under various operating conditions on the maximum stress value, under the condition of meet the yield strength, make the parts to achieve the purpose of lightweight.Modal analysis was carried out on the cross arm, verified the crossarm inherent frequency is greater than its working frequency, avoid the happening of resonance phenomena.Cross arm bench test and road test results prove the feasibility of optimization design, the research method adopted by the lightweight design of suspension provides some ideas and experience.

light trucks; wishbone; lightweight; finite element analysis; tes

U463.33

A

1671-7988 (2016)12-38-03

董彥曉（1990-），女，就讀于河北工業大學，碩士，研究方向：車輛系統現代設計方法研究。王金剛（1961-），男，博士，教授，就職于河北工業大學，研究方向：車輛系統現代設計方法研究；新型汽車制動材料研究；專用汽車設計平臺開發研究。