前懸架控制臂CAE分析及結構優化

彭 湃，胡春波，吳世彪，郝俊鋒，劉維子 Peng Pai，Hu Chunbo，Wu Shibiao，Hao Junfeng，Liu Weizi

前懸架控制臂CAE分析及結構優化

彭 湃，胡春波，吳世彪，郝俊鋒，劉維子
Peng Pai，Hu Chunbo，Wu Shibiao，Hao Junfeng，Liu Weizi

（眾泰控股集團汽車工程研究院 底盤部，浙江 杭州 310018）

對某SUV車型前懸架控制臂進行分析，通過ADAMS軟件提取載荷和通過HyperWorks軟件進行有限元分析，典型工況滿足設計要求，沖擊工況的控制臂彎曲研究較少，通過結構優化，解決了該問題，建立了相關CAE（Computer Aided Engineering，計算機輔助工程）分析標準，提高了整車安全性。

懸架；控制臂；CAE；工況；結構優化

0 引 言

懸架最主要的功能是傳遞作用在車輪和車架（或車身）之間的一切力和力矩，并緩和汽車駛過不平路面時所產生的沖擊，衰減由此引起的承載系統的振動，以保證汽車的行駛平順性[1]。麥弗遜式獨立懸架具有結構簡單、緊湊、占用空間小等特點，是汽車上廣泛采用的一種懸架結構形式。運動特性關系到汽車操縱穩定性、舒適性、轉向輕便性等性能[2]。控制臂作為懸架系統中的關鍵零件，是懸架傳力與導向的核心部件，將作用在車輪上的各種力及力矩傳遞到車身上，保證車輪沿一定的軌跡運動。

隨著汽車工業水平的不斷發展，我國的汽車技術取得了長足進步，但與歐美發達國家相比，還存在一定差距，表現在某些核心零部件開發、關鍵系統匹配與調校、工藝技術能力開發、數據庫建立等方面。對于前懸架控制臂，已經建立了一套完整的正向開發流程，能確保在加速、制動、轉向、垂跳等工況下穩定工作，但對于車輛沖擊路緣石或者深坑這種非常規的濫用工況研究較少。

1 樣車及控制臂參數

某SUV車型軸距為2 807 mm，滿載質量為2 270 kg。前懸架采用麥弗遜式獨立懸架，控制臂呈三角狀，如圖1所示。一端為球頭銷，與控制臂一體式設計，省去傳統球頭銷的底座及與三角臂固定的螺栓、螺母，可以減輕質量，球頭銷和轉向節相連，支撐車輪、減振器和車身；另外兩端為前、后襯套，與副車架相連，吸收部分沖擊和振動，為汽車操縱穩定性和舒適性提供支持。

該控制臂本體采用鍛造工藝，材料為6082鋁合金，密度為2 700 kg/m3，屈服強度為290 MPa，延伸率為13%。鑄鋁材料屈服強度為220 MPa，延伸率為7%。傳統鐵控制臂密度為7 850 kg/m3，鍛鋁控制臂相對傳統鐵控制臂減重35%以上，相對鑄鋁控制臂減重10%，提高了整車燃油經濟性。目前市場上出現過某些車型斷軸（鑄鋁控制臂斷裂）的問題，鍛鋁控制臂強度高、延伸率大，能提高整車安全性能。

圖1 控制臂結構圖

2 控制臂CAE分析

2.1 典型工況CAE分析及驗證

目前整車開發過程中，為模擬汽車在各種路況和正常駕駛條件下的運動情況，建立了啟動、制動、轉向、顛簸等典型工況。在ADAMS/Car的懸架系統運動模型中提取各工況下的控制臂載荷數據，在HyperWorks中對控制臂進行有限元建模及強度分析，各工況CAE（Computer Aided Engineering，計算機輔助工程）統計見表1；最大應力為238.9 MPa，如圖2所示；顛簸路垂跳，塑性應變如圖3所示，控制臂結構強度滿足設計要求。在后續整車綜合耐久試驗中，控制臂也順利通過路試，與CAE分析結果一致。

表1 典型工況CAE統計

圖2 前進制動工況最大應力

圖3 顛簸路垂跳工況塑性應變

2.2 沖擊工況CAE分析及驗證

汽車在行駛過程中，誤操作不可預見地通過大沖擊坑和坎的情況，稱為沖擊工況，具體工況條件見表2。沖擊工況屬于濫用工況，各品牌研究較少，CAE分析缺乏加載標準。

表2 沖擊工況條件

該控制臂數據凍結階段未進行沖擊工況分析，采用實車沖擊試驗進行驗證，在沖擊工況1和3下，控制臂無異常；在沖擊工況2和4下，控制臂出現彎曲，未開裂，沖擊前、后對比如圖4所示。經CAE分析，控制臂屈服應力曲線如圖5所示，最大應力值為25 217 N。

圖4 沖擊試驗前、后控制臂

圖5 未優化控制臂的屈服應力曲線

2.3 沖擊工況CAE分析標準初步建立

參考某北歐汽車品牌，在控制臂沖擊工況中，對前軸施加縱向6載荷。在某SUV車型沖擊試驗過程中，通過六分力采集系統，獲取輪心及控制臂等零件的受力，經過數據處理并考慮軸荷轉移，初步建立沖擊工況CAE分析標準，即單輪施加1.4倍整車滿載載荷，不得出現彎曲、斷裂等現象，此時該SUV對應的前軸縱向載荷約為5.5。

2.4 控制臂結構優化與驗證

沖擊工況屬于濫用工況，正常駕駛情況下不會發生，但為提高整車安全和底盤強度，避免客戶與4 S店的糾紛與抱怨，決定對控制臂結構進行優化。對原控制臂彎曲區域增加加強筋及填補材料，優化數據如圖6所示，經CAE分析，優化控制臂屈服應力曲線如圖7所示，最大應力值為32 866 N。在表2沖擊工況分析標準下，優化控制臂未屈服。

圖6 優化后的控制臂

優化控制臂在原控制臂基礎上修模，通過鍛造、機加工、裝配達到設計狀，安裝到整車上后進行實車沖擊試驗，4種沖擊工況均通過試驗，與CAE分析結果一致，驗證了試驗沖擊工況CAE分析標準的可行性。

圖7 優化控制臂的屈服應力曲線

3 結束語

對某SUV車型前懸架控制臂進行研究，CAE典型工況和整車綜合耐久試驗均滿足要求。沖擊工況方面，控制臂未進行相關CAE分析，實車沖擊試驗中，控制臂出現彎曲現象。參考某汽車品牌相關標準，通過實車數據采集及處理，建立了沖擊試驗CAE分析標準，同時優化控制臂結構，再次進行實車沖擊試驗，控制臂合格，驗證了該標準的可行性。這為控制臂開發積累了經驗，建立了沖擊工況CAE分析標準，同時加強了底盤強度并提高了整車安全性能。

[1]劉惟信. 汽車設計[M]. 北京：清華大學出版社，2006.

[2]時培成，陳黎卿，韋山，等. 麥弗遜式獨立懸架運動分析[J].機械傳動. 2008，32（1）:84-87，112.

2019-05-10

U463.33.03

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.05.003

1002-4581（2019）05-0011-03