汽車(chē)后懸架下控制臂的有限元分析與優(yōu)化

朱光耀

摘 ?要：對(duì)于現(xiàn)實(shí)中存在的具體的汽車(chē)后的控制臂零件作為這次研究的目標(biāo)，進(jìn)行一定的模建。在分析的過(guò)程中引進(jìn)慣性的原理進(jìn)行計(jì)算分析控制臂在外力作用下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度，進(jìn)行控制臂強(qiáng)度的精準(zhǔn)計(jì)算，進(jìn)行汽車(chē)后懸架下的控制臂有限元的分析，從分析找到優(yōu)化方法，為以后的汽車(chē)后懸架下控制臂零件的制造提供了一定的制造標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：汽車(chē) ?后懸架 ?控制臂 ?有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.33 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）08（c）-0095-03

Abstract： For the specific control arm parts that exist in the real car as the goal of this research， certain modules are carried out. Introduce the principle of inertia in the analysis process to calculate and analyze the acceleration of the control arm under the action of external force， perform accurate calculation of the strength of the control arm， and perform finite element analysis of the control arm under the rear suspension of the car. The optimization method is found， which provides a certain manufacturing standard for the manufacture of the lower control arm parts of the rear suspension of the automobile in the future.

Key Words： Automobile; Rear suspension; Control arm; Finite element analysis

對(duì)于汽車(chē)的懸架下的控制臂來(lái)說(shuō)，其發(fā)揮的作用在汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)中是非常重要的。所以說(shuō)，汽車(chē)后懸架下的控制臂的強(qiáng)硬度必須要符合相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)保證汽車(chē)的安全運(yùn)行。

對(duì)于汽車(chē)的后懸架下的控制臂進(jìn)行分析得出，該零件的結(jié)構(gòu)比較特殊，在汽車(chē)的行駛中進(jìn)行著多方向的擺動(dòng)。所以說(shuō)，要將控制臂拿出來(lái)進(jìn)行有限元的分析，在分析的時(shí)候要根據(jù)靜力分析的原則進(jìn)行自由度的旋轉(zhuǎn)測(cè)試，在測(cè)試中，如果將該結(jié)構(gòu)進(jìn)行5個(gè)自由度的約束，該臂就會(huì)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)活動(dòng)，如果說(shuō)是進(jìn)行6個(gè)自由度的約束，會(huì)對(duì)于計(jì)算的結(jié)果有應(yīng)力的影響，受到影響計(jì)算的不符合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。所以，在下面的分析中為了避免影響實(shí)際結(jié)果，運(yùn)用到慣性的相關(guān)原理進(jìn)行分析計(jì)算。

在該文的分析論述中，根據(jù)控制臂的一些實(shí)際設(shè)計(jì)要求，對(duì)于控制臂進(jìn)行了有限元模型分析，其中包括橡膠襯套等，并且對(duì)于控制臂的剛強(qiáng)度和拉伸力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，控制臂的強(qiáng)硬度必須要與設(shè)計(jì)實(shí)際需要相吻合。

1 ?慣性釋放原理分析應(yīng)用

對(duì)于慣性的釋放原理計(jì)算原理來(lái)說(shuō)，其是先計(jì)算結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的加速度，通過(guò)慣性力進(jìn)行平衡體系的構(gòu)造，這一體系的構(gòu)建可以消除外部對(duì)于控制臂的影響，并且控制臂進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致外部的應(yīng)力集中度與該計(jì)算的影響不大。對(duì)于慣性釋放的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，主要是應(yīng)用于飛機(jī)模擬飛行、衛(wèi)星應(yīng)用以及汽車(chē)實(shí)驗(yàn)等具體的工程地方。對(duì)于檢測(cè)的物體來(lái)說(shuō)，如果其本身的平衡性較好，那么運(yùn)用慣性釋放原理進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算出現(xiàn)的誤差就會(huì)比較小，得到的具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際相符合。

在對(duì)于一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算分析的時(shí)候，可能會(huì)因?yàn)槭艿揭恍┯?jì)算方式的限制無(wú)法得到準(zhǔn)確的結(jié)果，要想求出一個(gè)絕對(duì)平衡的力是非常不容易的。雖然存在困難，但是可以根據(jù)一些平衡的方式自己構(gòu)建一個(gè)與自平衡有關(guān)的力系進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。如通過(guò)設(shè)置點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)力體系的計(jì)算，用有限元方式進(jìn)行計(jì)算方程為：，在該式中[M]=∫Ωρ[N]T[N]dΩ為進(jìn)行計(jì)算的質(zhì)量矩陣。這種計(jì)算的方式稱(chēng)為“慣性釋放”。

運(yùn)用慣性釋放的方式進(jìn)行力體系分析的時(shí)候，需要對(duì)于計(jì)算的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行6個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的約束，對(duì)于該節(jié)點(diǎn)，要先對(duì)其進(jìn)行一定的支撐，計(jì)算運(yùn)動(dòng)中的每一個(gè)方向上的加速度，根據(jù)加速度進(jìn)行慣性力的轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化以后進(jìn)行平衡力系的構(gòu)建，進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的求解。利用慣性釋放的原理進(jìn)行計(jì)算，求解有限元計(jì)算切。

2 ?控制臂有限元分析

2.1 控制臂設(shè)計(jì)的相關(guān)要求

在對(duì)于汽車(chē)的懸架下的控制臂進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須要考慮到控制臂在汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)中所受到的拉力和壓力的影響，讓設(shè)計(jì)出來(lái)的控制臂結(jié)構(gòu)硬度符合標(biāo)準(zhǔn)，并且計(jì)算出的數(shù)據(jù)能夠?yàn)槠涮峁┰O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。圖1為控制臂的示意圖，表1為控制臂的拉潰力和拉潰力以及靜剛度要求。

2.2 懸架控制臂有限元模型

對(duì)于控制臂來(lái)說(shuō)，其有一端是通過(guò)球鉸和車(chē)輪輪轂相連接，在控制臂的另一端為橡膠襯套與該車(chē)的車(chē)身相連接。對(duì)于建立的控制臂的有限元分析模型來(lái)說(shuō)，為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，要讓其相互的連接，并且保持約束狀態(tài)。

控制臂借助其本身具有的鋼性進(jìn)行模擬運(yùn)動(dòng)。其球鉸和球頭在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候是在借助一個(gè)約束點(diǎn)進(jìn)行，并且與控制臂的單元節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行著連接運(yùn)動(dòng)，在其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的時(shí)候在單元約束點(diǎn)上為了讓其進(jìn)行自由的轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放了3個(gè)自由圈度。在橡膠襯套運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，與控制臂進(jìn)行著供電連接。在圖2的模型中。橡膠的襯套硬度為50，用6082-T6材料做控制臂與球鉸。

對(duì)于橡膠襯套來(lái)說(shuō)，其具有的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且其非線性特征比較強(qiáng)。所以，在對(duì)于橡膠的進(jìn)行模建的時(shí)候需要進(jìn)行3次的，分別為內(nèi)層、外層和中間層。在進(jìn)行建模的時(shí)候，選取的材料是不同的，用20號(hào)鋼做內(nèi)外層的模建材料，用50度的橡膠做中層模件，并且在做完后對(duì)于模型進(jìn)行彈性計(jì)算分析。并且將做的模建用硫化方式進(jìn)行連接。

在圖2中，所表示的是控制臂的有限元計(jì)算的約束點(diǎn)和加載點(diǎn)，在這其中橡膠襯套的外圈與各個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的關(guān)聯(lián)，在進(jìn)行關(guān)聯(lián)的時(shí)候，運(yùn)用慣性釋放的原理進(jìn)行解釋與計(jì)算，模擬出靜態(tài)響應(yīng)的非約束的系統(tǒng)。

2.3 檢測(cè)硬度結(jié)果

在進(jìn)行相關(guān)計(jì)算的時(shí)候，運(yùn)用ABAQUS計(jì)算軟件對(duì)于圖3中的控制臂進(jìn)行抗拉和壓潰計(jì)算分析。在這其中設(shè)立中心加載點(diǎn)，對(duì)于有限元進(jìn)行分析計(jì)算。利用慣性釋放的原理進(jìn)行計(jì)算分析，得出的相關(guān)數(shù)據(jù)具體見(jiàn)表2。

總而言之，對(duì)于汽車(chē)后懸架下控制臂的有限元分析，根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算得出控制臂所需要的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求，在進(jìn)行控制臂零件加工的時(shí)候要根據(jù)計(jì)算分析出的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些優(yōu)化，讓控制臂的工作在汽車(chē)的運(yùn)行中更加安全高效。

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