基于顯式動力學的控制臂球銷脫出力仿真分析

常海嘯　韓超　梁友濤　武小一

摘要：? 為防止汽車使用過程中控制臂球銷脫出，基于顯式動力學有限元法，對某車型控制臂的球銷脫出力進行仿真計算，利用Abaqus/Explicit求解器得到球銷的脫出力和控制臂的等效塑性應變。與控制臂球銷拉脫試驗結果進行對比，驗證該仿真分析方法的有效性。結合球銷的實際結構，分析控制臂球碗端口壁厚、球碗端口下方圓角半徑和球碗端口半徑等3個參數對球銷脫出力的影響，結果表明：增大球碗端口的壁厚、增大球碗端口下方圓角半徑和減小球碗端口半徑，均可以增大球銷的脫出力。

關鍵詞：? 控制臂; 球銷; 脫出力; 影響參數; 有限元

中圖分類號：? U472; TB115.1文獻標志碼：? B

Simulation analysis on pull-out force of ball pin on

control arm based on explicit dynamics

CHANG Haixiao HAN Chao LIANG Youtao WU Xiaoyi

（State Key Laboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise & Safety Control，

China FAW Group Co.， Ltd.， R&D Gentral， Changchun 130011， China）

Abstract： To prevent the ball pin pulling out from the control arm during the vehicle driving， the ball pin pull-out force of a vehicle control arm is simulated and calculated based on explicit dynamics finite element method， and the pull-out force of the ball pin and the equivalent plastic strain of the control arm are obtained using Abaqus/Explicit solver. The effectiveness of the simulation analysis method is verified by comparing with the pull-out test results of the ball pin of the control arm. Combined with the ball pin actual structure， the effects of three parameters on the ball pin pull-out force are analyzed， that include the wall thickness of the ball bowl edge of the control arm， the fillet radius below the ball bowl edge and the radius of the ball bowl edge. The results show that the pull-out force of the ball pin can be increased by increasing thickness of the ball bowl edge， increasing the fillet radius below the ball bowl edge and reducing the radius of ball bowl edge.

Key words： control arm; ball pin; pull-out force; influence parameter; finite element

作者簡介： 常海嘯（1989—），男，滿族，遼寧沈陽人，碩士，研究方向為汽車底盤結構強度耐久仿真，（E-mail）changhaixiao@faw.com.cn0引言

隨著汽車工業的不斷發展，汽車質量不斷提高，汽車的安全性也越來越受到人們的重視。[1]控制臂是汽車底盤運動和承載的主要導向元件[2-3]，其一端通過襯套與副車架相連，另一端通過球銷與轉向節相連。一旦球銷從控制臂中脫出，必然會發生重大的安全事故。[4]控制臂球銷設計要綜合考慮部件極限承載能力、擺動角度和底盤結構等因素，球銷的脫出力須滿足一定要求。在球銷設計階段，采用有限元方法對其脫出力進行仿真分析，可指導結構設計，確保球銷脫出力滿足要求，有效縮短設計周期，降低研發成本。楊建強等[5]提出一種利用LS-DYNA軟件求解轉向外拉桿極限脫出力的仿真分析方法，但未考慮結構特征對脫出力的影響。

本文基于顯式動力學有限元法，對控制臂外點球銷脫出力進行分析，采用控制臂球銷拉脫試驗結果對仿真結果進行驗證，確定分析方法的可行性，并據此研究球頭座結構特征對球銷脫出力的影響。

1顯式動力學

使用顯式動力學理論且結合有限元法計算球銷脫出力，該方法求解過程簡單。傳統有限元法要對每個時間步重新計算剛度矩陣，而且需要反復迭代，計算需要耗費大量的時間和存儲空間。顯式動力學有限元法可以省去這2個步驟，使用中心差分法顯式求解有限元方程，能夠提高計算速度，降低存儲空間，且計算穩定性較好。[6]

2有限元分析

2.1模型處理

球銷脫出力仿真分析主要涉及的零部件有球銷、控制臂、球銷座和底板，模型示意見圖1。由于該分析主要針對控制臂和球銷配合的局部位置，為節省計算時間和存儲空間，控制臂僅截取球銷附近一段即可。

利用HyperMesh軟件對控制臂和球銷進行網格劃分。[8]球銷和球銷座使用1階六面體單元進行網格劃分，單元尺寸為1 mm;控制臂與球銷座配合區域附近采用1階六面體單元，單元尺寸為1 mm，要求控制臂球碗圓角位置網格至少為3層，控制臂其他區域可以選擇用四面體單元建模，單元尺寸為 2～3 mm，見圖2。1階六面體單元類型可選擇C3D8I，四面體單元類型可選擇C3D4。計算考慮材料非線性，各零部件材料參數見表1。

用*CONTACT INCLUSIONS， ALL EXTERIOR語句為所有接觸面建立通用接觸關系，防止網格穿透。[9]設置阻尼比為0.06，時間增量步取1×10^-7s。約束控制臂球碗上端面6個方向自由度，在球銷上施加垂直向上20 mm的強制位移，輸出球銷拉脫力的反力和控制臂的等效塑性應變。將有限元模型保存為inp文件，提交Abaqus/Explicit求解器進行計算。[10]

2.2計算結果分析

利用Abaqus后處理軟件查看求解文件，得到控制臂在球銷脫出后的等效塑性應變云圖和載荷-位移曲線（見圖3）。由此可知，在球銷拉出過程中，拉力先增大后減小，最大拉脫力為38.9 kN。

在強制位移作用下，球銷從控制臂球碗中被拉出。在拉出過程中，控制臂球碗受到的最大應力超出材料的屈服極限，產生較大的等效塑性應變，即發生永久變形。等效塑性應變較大的位置為球碗端口和端口下方圓角處，見圖4。

3試驗驗證

為驗證有限元分析結果的準確性，進行控制臂球銷拉脫試驗。在20 ℃的試驗環境溫度下，將控制臂與球銷裝配好固定在試驗臺上，見圖5。啟動作動器，從0開始加載直到球銷被拉出，在電腦端輸出載荷-位移曲線。

取3件產品，分別進行拉脫力試驗，得到控制臂球銷載荷-位移曲線，見圖6。由試驗結果可知，樣品的脫出力分別為37.4、36.9和38.2 kN，有限元分析結果脫出力為38.9 kN，誤差為5%左右，可認為該有限元方法可以較好地仿真球銷的脫出力。

4影響因素分析

基于上述分析方法，研究控制臂結構參數對球

銷脫出力的影響。根據有限元分析結果可知，控制臂球碗端口和端口下方倒角位置等效塑性應變較大，因此主要考慮球碗端口參數對球銷脫出力的影響。球碗尺寸示意見圖7，其中R_φ為球碗端口下方圓角半徑，R_d為球碗端口半徑。在R_d相對不變時，R_h的變化可體現球碗的壁厚。

采用控制變量法，考慮球碗端口壁厚R_h對球銷脫出力的影響。取Rd=14.00 mm、R_φ=0.50 mm，R_h取R_h1=18.75 mm、R_h2=19.00 mm和R_h3=19.50 mm等3種不同值，建立3個有限元模型計算相應的脫出力，結果見表2。

考慮球碗端口半徑R_d對球銷脫出力的影響，其中R_h=18.75 mm、R_φ=0.50 mm，R_d取R_d1=14.00 mm、R_d2=13.87 mm和R_d3=13.75 mm等3種不同值，建立3個有限元分析模型并計算相應脫出力，結果見表3。

考慮球碗端口下方圓角半徑R_φ對球銷脫出力的影響，其中R_h=18.75 mm、R_d=14.00 mm，R_φ取R_φ1=0.50 mm、R_φ2=1.00 mm和R_φ3=2.00 mm等3種不同值，建立3個有限元模型并計算相應的脫出力，結果見表4。

由表2～4可知，增大球碗端口的壁厚R_h、減小球碗端口半徑R_d，以及增大球碗端口下方圓角半徑R_φ都可以增大球銷的脫出力，其中減小球碗端口半徑的方法效果最明顯。實際設計過程中可綜合考慮部件極限承載能力、球銷擺動角度以及控制臂結構布置等因素，結合上述分析結論，采取可行方案提升球銷的脫出力。

5結束語

基于顯式動力學有限元法，提供一種控制臂球銷脫出力的仿真分析方法，對某車型控制臂球銷脫出力進行有限元分析，與試驗結果進行對比，有限元結果的誤差僅為5%左右，證明該方法可以較好地仿真控制臂球銷脫出力。

根據控制臂結構特征，分析3個結構參數對球銷脫出力的影響，對比分析結果認為增大球碗端口的壁厚、增大球碗端口下方圓角半徑以及減小球碗端口半徑都可以增大球銷的脫出力，其中減小球碗端口半徑的方法效果最為明顯。參考文獻：

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