某乘用車下支臂模態和強度分析

田國富， 高志彤

（沈陽工業大學， 遼寧 沈陽 110870）

引言

下支臂作為汽車懸架的重要組成部分，其振動頻率若與來自路面的激勵相近，會發生共振作用而變形，影響其壽命，因此研究下支臂的固有頻率十分重要。在汽車運行過程中，下支臂不僅要承受車輪的上下跳動，還要承受極限情況下的沖擊，面對如此復雜的受力情況，研究其強度和抗沖擊性能是極其重要的[1]。

1 整車基本參數及前懸架模型建立

整車的基本參數情況如表1 所示。

表1 整車基本參數

根據整車參數建立麥弗遜前獨立懸架，主要部件包含前副車架總成，左、右前控制臂，左、右前滑柱，橫向穩定桿，左、右穩定桿連桿及轉向橫拉桿。在Catia 中建立的懸架三維模型如圖1 所示。

圖1 懸架模型

2 下支臂有限元模型及自由模態分析

2.1 下支臂前處理

將下支臂幾何模型導入Hyper Mesh 中進行前處理[2]，因下支臂由單沖壓板組成，采用殼單元進行劃分，而襯套因外形較為簡單規則，采用實體單元進行劃分[3]，下支臂與其他零部件的連接關系采用RBE2 進行模擬連接，共11 196 個節點，11 124 個單元，建立的下支臂有限元模型如圖2 所示。下支臂所選用材料為QSTE500，其泊松比為0.33，彈性模量為2.1×105MPa，密度為7.85×106kg/m3，屈服強度和抗拉強度分別為504 MPa 和689 MPa。

圖2 下支臂模型

2.2 自由模態分析

當下支臂頻率與外界激勵接近時，下支臂會因劇烈共振而產生變形，影響行駛的安全性，因而需研究其固有頻率范圍。

將定義后的下支臂提交到Optistruct 求解器進行計算，得到的固有頻率如下頁表2 所示，振型云圖如下頁圖3 所示。

圖3 模態振型云圖

表2 下支臂模態分析結果

根據分析結果可以看出，下支臂第七階固有頻率為235.2 Hz，而汽車因路面不平度引起的激勵頻率小于22 Hz，車輪不平衡造成的激勵頻率為0～15 Hz，直列四缸發動機頻率一般為10～30 Hz[6]，這三方面激勵作為影響下支臂的主要激勵，都遠遠小于第七階故有頻率，故下支臂不會與車輛發生共振現象。

3 懸架靜載仿真分析及靜載提取

3.1 懸架動力學模型

將整車參數及懸架三維模型中的有關結構硬點數據輸入到Adams car 懸架模型，結合懸架彈簧剛度和減震器阻尼的性能參數編寫相應的屬性文件，在Adams car 標準模式中建立懸架系統的動力學模型如圖4 所示[5]。

圖4 前懸架多體動力學模型

3.2 極限工況下的輪胎接地力計算

汽車在行駛過程中，下支臂會受到來自路面不平度產生的載荷作用，尤其是在極限工況下承受的載荷，因此可以將其作為強度分析的條件。但是由于在汽車研發階段的條件有限，不能進行臺架試驗，于是本文通過動載系數計算各工況下的輪胎反作用力，再導入Adams car 中進行準靜載分析。選取的典型工況包括：前行制動、彎道制動、無定向路牙沖擊。

3.2.1 前行制動

在前行制動情況下，軸荷前移，制動加速度為1.1g、垂向加速度為g 時，地面對前軸單個車輪垂直方向的反作用力為：

縱向力和側向力可以通過乘以相應的附著系數比值得到。

3.2.2 轉彎制動

在轉彎制動情況下，整個汽車不僅發生輪荷的轉移，同時也發生軸荷的轉移，制動加速為0.32g，垂向加速度為3g，側向加速度為0.58g 時地面對前軸左、右輪的垂直方向的反作用力分別為：

同理，縱向力和側向力可以通過相應的附著系數比值得到。

3.2.3 無定向路牙沖擊

在無定向路牙沖擊工況下，汽車會受到多方向力的作用，發生輪荷和軸荷的轉移。本文選取汽車在制動方向加速度為2g，縱向加速度為1.5g，垂向加速度為g 時進行受力分析，此時地面對前軸車輪的垂向反作用力分別如下：

同上，縱向力和側向力可依據計算所得的垂向力及地面附著系數計算得出。

3.3 準靜態載荷提取

本文在Adams car 軟件中進行準靜載仿真分析，為靜強度分析提供邊界條件。將前文計算得到的作用力輸入到靜態載荷參數操作界面，通過懸架試驗臺對車輪進行加載，提取下支臂在典型極限工況下各個連接點處的靜態載荷數據，具體如下頁表3 所示。其中FX、FY、FZ表示各連接點沿X、Y、Z 方向上的力，TX、TY、TZ為各連接點繞X、Y、Z 軸的力矩。

表3 下支臂各連接點處載荷

4 下支臂典型工況下強度分析

通過Adams car 提取各連接點載荷作用力，采用慣性釋放原理，在Hyper Mesh 中對下支臂定義約束，最后基于第四強度理論對其強度進行分析計算，得到各工況應力云圖如下頁圖5 所示。

圖5 下支臂各工況下應力（MPa）云圖

從有限元分析結果來看，各工況下應力主要集中在沖壓板內側及與襯套焊接處，其中最大應力出現在無定向路牙沖擊這極其惡劣的情況下，應力值達到了494.4 MPa，根據企業相關評價標準要求：在極限工況下最大應力應小于抗拉強度689 MPa，因此，下支臂強度滿足要求。

5 結論

1）根據汽車懸架的三維模型，建立下支臂的有限元模型，并對下支臂進行模態分析，分析其固有頻率。

2）通過準靜載仿真分析，提取汽車下支臂在三種極限工況下的受力載荷，將載荷加載到下支臂有限元模型各連接硬點，求解計算得到下支臂在各個工況下的應力分布云圖。

3）分析結果表明，選用材料的抗拉強度大于下支臂在三個工況下承受的最大應力，滿足要求，可為后續優化分析提供參考。