基于架構開發的汽車懸架控制臂優化設計

王玉潔 于義長 易斌

（上海汽車集團股份有限公司技術中心）

汽車行業的競爭日益加劇，為了把握高效率、高質量和低成本的開發與產品個性化間的平衡，各大車企均在重點研究整車架構的工程開發技術[1]。汽車底盤懸架作為重要的架構零件，在設計階段需充分考慮架構帶寬對零件設計的影響，滿足在架構平臺上的共用性要求。文章基于某架構項目的后懸架下控制臂的開發工作，采用多體動力學、有限元方法、耐久評估、結構優化設計等技術，結合設計包絡、標桿研究和設計制造經驗進行控制臂的設計，采用仿真工具對其耐久疲勞進行預測分析并進行結構優化，利用臺架對其耐久能力進行試驗，并搭載整車路試完成疲勞耐久驗證，進而實現架構項目控制臂的高效高質量設計開發。

1 架構項目控制臂開發簡介

懸架系統為汽車底盤的重要組成部分，其與車身和車輪相連，汽車行駛時，承受來自車身的振動和路面激勵等多重載荷。后懸架下控制臂是多連桿后懸架的重要受力部件，一般位于后懸架下方后側，連接輪邊和副車架，并承載減振器、彈簧和穩定桿等調試件，主要作用是承載垂向載荷并控制車輪運動時后輪前束和外傾的變化，因其布置空間受限，且受力復雜，路試中極易失效，其性能直接影響整車的安全性和可靠性。考慮架構平臺的擴展能力，架構開發中多車型共用控制臂，但不同車型的調試件如彈簧、穩定桿等參數不同，底盤性能調試提出了穩定桿庫、彈簧族的設計理念，較大地拓寬了底盤調試件的調試范圍，而架構的調試帶寬直接影響后懸架下控制臂的耐久性能，因此后下控制臂的設計需基于整個架構帶寬，滿足強度、剛度、耐久等零件設計要求，同時做到輕量化和低成本。

2 后下控制臂模型設計

本項目懸架形式為刀鋒臂式四連桿后懸架，圖1示出后懸架下控制臂裝配關系圖。后懸架下控制臂布置在副車架和車輪支架之間，同時為彈簧、減震器、穩定桿提供安裝接口，為確定其設計邊界，在CATIA 里建立了后懸架的運動學DMU 模型，并帶入周邊件。以下控制臂為參考，輸出周邊件相對下控制臂的運動包絡，如圖2 所示。進而在CATIA 裝配模塊下重新以下控制臂作為固定零件，將所獲得的運動包絡依次裝配形成新的懸架模型，構成了下控制臂的空間包絡約束。其中對下控制臂設計影響最大的是彈簧包絡，本工作建立了精確的彈簧包絡，保證下控制臂與彈簧之間的間隙，基于設計包絡，結合設計經驗及制造工藝經驗，得到了下控制臂的參數化模型，如圖3 所示，后續基于此模型展開工作。

圖1 后下控制臂數模及裝配關系圖

圖2 后下控制臂周邊件的運動包絡

圖3 后下控制臂參數化模型

3 后懸架多體動力學模型

在項目開發前期，宜采用靜態載荷工況用于底盤結構件靜強度和疲勞的計算，指導零件設計優化。文章選用汽車行駛過程中的一些典型工況或工況組合計算懸架的載荷，如加速、制動、轉彎、路障等，靜態載荷主要包括垂向、縱向和側向載荷[2]。

為精確計算載荷，在ADAMAS/Car 模塊建立剛柔耦合的后懸架多體動力學模型，如圖4 所示。輸入后懸架的各硬點坐標、建立各子部件、導入各柔性體、定義連接關系、輸入彈簧剛度曲線和各襯套的剛度曲線等。為提高該動力學模型的精確性，副車架采用實際模型并進行柔性體處理，襯套參數采用實測剛度曲線。

根據后懸架動力學模型及理論受力載荷進行靜載求解，由整車參數和標準靜態載荷工況計算得到輪心六分力，最后將輪心力輸入動力學模型，計算得到控制臂各硬點處的載荷。

圖4 后懸架多體動力學模型

4 架構帶寬對載荷的影響分析

影響懸架載荷的關鍵因素有以下4 個方面：1）軸荷；2）硬點布置；3）零件的質量、轉動慣量和質心坐標；4）柔性件參數：如彈簧剛度、輔簧剛度、輔簧間隙、減振器阻尼力、穩定桿直徑、襯套剛度等。在軸荷和硬點已定的條件下，調試件參數變化對載荷影響較大，不同調試件對底盤各結構件載荷影響存在不同的敏感方向。以對后下控制臂載荷影響敏感的彈簧剛度和穩定桿直徑作為主要因素，研究架構帶寬對載荷的影響規律，該架構項目根據整車操穩性能和平順性能的目標值分解得到調試參數帶寬，如表1 所示。

表1 懸架參數的架構帶寬

通過對多個疲勞工況和濫用工況的計算，得出調試參數對不同方向載荷的影響。圖5～10 示出部分工況的載荷計算結果，得出調試件參數對各向載荷的影響規律，可知彈簧剛度對垂向載荷影響較大，且彈簧剛度越大，垂向載荷越大；穩定桿直徑對縱向載荷、側向載荷和垂向載荷均有影響，且穩定桿直徑越大，載荷越大。

圖5 疲勞工況1：彈簧剛度對硬點垂向載荷的影響

圖6 疲勞工況2：彈簧剛度對硬點垂向載荷的影響

圖7 濫用工況：彈簧剛度對硬點垂向載荷的影響

圖8 疲勞工況1：穩定桿直徑對硬點載荷的影響

圖9 疲勞工況2：穩定桿直徑對硬點載荷的影響

圖10 濫用工況：穩定桿直徑對硬點載荷的影響

5 架構帶寬對零件耐久性能的影響

不同彈簧剛度和穩定桿直徑的組合，導致后下控制臂的各向載荷發生變化進而影響耐久性能。為研究架構帶寬中調試參數對后下控制臂耐久性能的影響規律，進行了試驗設計。針對不同參數組合定義DOE 矩陣，采用不同參數組合下的載荷對后下控制臂數模進行耐久計算，最終尋求對后下控制臂耐久最惡劣的參數組合，作為耐久評估和結構優化的計算標準。因需在所有組合里篩選最惡劣工況且分析參數較少，文章采用全因子方法定義參數DOE 矩陣。

底盤結構件主要的失效形式為疲勞失效，且為低周疲勞，因此在進行耐久評估時采用局部應力應變法[3]進行損傷計算。根據損傷理論，在循環載荷交變作用下，零件疲勞損傷隨時間逐漸累計，直至產生失效。Miner 線形損傷理論認為每一段循環載荷都會產生對應的疲勞損失量，并對最終的疲勞極限有一定影響，即零件在經過一段不同循環載荷加載后即產生疲勞損傷。其表達式為：

式中：D——Miner 系數，D=1 時預計出現失效；

ni——載荷i 作用于零件的循環次數；

Ni——零件在載荷i 作用下失效時的循環次數。

文章基于材料應變曲線及Miner 理論，采取損傷計算方法評估后下控制臂耐久性能，并設定損傷值1作為疲勞上限。即通過有限元法求得零件所受應力，通過循環應力應變方程求得零件的應變，對于每一個循環周計算出零件各個區域的壽命，最后用Miner 法則計算總疲勞損傷及壽命。

計算所有參數組合下零件的損傷值，結果如圖11所示。可以看出調試參數對零件耐久的影響規律：彈簧剛度越大則零件損傷越大，穩定桿直徑越大則零件損傷越大。而初始設計在整個架構帶寬的調試參數組合里，不能滿足全部零件疲勞損傷值小于1 的耐久目標，其中對后下控制臂耐久影響最惡劣的參數組合為：彈簧剛度為63 N/mm 和穩定桿直徑為23 mm，需使用該參數組合下的載荷對后下控制臂進行設計優化，使其耐久性能滿足整個架構帶寬的要求。

圖11 架構參數帶寬對后下控制臂疲勞的影響

6 零件耐久優化

為了縮短計算時間以快速迭代，在耐久優化時，采用設計CAE 的方法[4]，在CATIA GPS 模塊計算模型在關鍵工況下的應力，通過對優化前后模型的應力對比，評判其優化效果，并對最終優化模型進行疲勞損傷和其他設計目標的驗算。

基于初始模型典型工況的應力計算結果，如圖12所示。結合應力分布和工程經驗進行結構優化[5]。為避免質量的大幅增加以及沖壓難度增大，通過以下4 個方面的措施進行設計優化以減小局部位置應力大的問題：1）對上、下沖片進行板厚優化；2）對上、下沖片的形面和走向進行優化；3）優化彈簧定位孔和漏水孔的位置和形狀；4）在套筒附近翻邊位置增加小的補片進行局部加強。優化后的模型，如圖13 所示。優化后零件應力明顯降低，如表2 所示。

圖12 初始模型典型工況應力云圖示意

圖13 后下控制臂優化模型

表2 優化前后應力對比

采用有限元方法對優化后的控制臂模型進行疲勞損傷、濫用變形、等效塑性應變等性能指標驗算[6]，滿足設計目標值。優化前后的性能對比，如表3 所示。

表3 優化前后性能對比

7 臺架和路試驗證

為實際驗證后下控制臂的疲勞耐久性能，按照優化設計方案制成樣件并開展耐久性能試驗驗證，底盤件的耐久性評估的試驗方法分為試驗室臺架模擬試驗和實車道路試驗。

道路載荷譜是進行結構件耐久驗證的有效方式，但路試采集的路譜信號很難直接用于零部件的結構疲勞臺架試驗，為了等效路試損傷并保證試驗經濟性，采用載荷塊方法進行后下控制臂的臺架試驗。其原理是基于雨流計數統計法將道路采集時序數據轉化為當量偽損傷程度的循環載荷，根據累計疲勞損傷、材料應力應變遲滯回線等原理，將汽車道路載荷譜轉化為零件臺架模擬試驗加載譜[7]。

文章實采汽車在試車場的路譜信號，基于以上方法，根據后下控制臂的受載特征，將實采路譜的輪心處載荷分解到后下控制臂，得到簡化的多級載荷塊，開發了后下控制臂的單通道臺架試驗，進行快速驗證，零件通過單通道快速驗證后，進一步搭載后橋系統多通道臺架試驗進行系統級的驗證，在兩側輪心加載。零件級臺架試驗，如圖14 所示。系統級臺架試驗，如圖15 所示。在要求的試驗循環里均無失效發生，驗證了優化方案滿足耐久性能。零件最終搭載多輪的實車路試，均無失效，滿足設計目標。

圖14 后下控制臂單通道臺架試驗

圖15 后橋系統多通道試驗

8 結論

文章基于架構帶寬進行后懸架下控制臂的設計優化，得出以下結論。

1）架構項目的底盤結構件開發，需在設計之初就考慮架構帶寬里各參數對零件載荷和耐久性能的影響，以最惡劣的參數組合作為設計計算的依據。

2）找到了調試件參數對后下控制臂載荷和耐久的影響規律，彈簧剛度越大、穩定桿直徑越大，則后下控制臂受載越惡劣。

3）基于架構帶寬完成了后下控制臂的設計優化，并開發零件級和系統級的臺架驗證方法對實際零件進行驗證，零件通過臺架驗證并通過整車路試。

4）提出了基于架構項目的后懸架下控制臂設計思路和方法，可拓展應用于其他底盤結構件。