全地形越野車懸架后擺臂結構設計與力學仿真驗證

摘要：全地形越野車行駛工況極其復雜，懸架為底盤的主要部件，后擺臂為輪邊系統與車體系統重要的連接部件，后擺臂的結構設計決定懸架系統的穩定性。基于此，以某款全地形越野車懸架系統為研究對象，運用三維軟件對后擺臂進行結構設計，并分析后擺臂的使用工況，運用有限元分析擺臂結構強度，驗證該設計是否滿足復雜工況的使用要求，以保證該款越野車后擺臂結構穩定與安全。

關鍵詞：全地形越野車；后擺臂；靜力學分析

中圖分類號：U462 收稿日期：2023-08-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.009

1 前言

隨著人們生活水平的提高，人們對于汽車越野體驗的要求也在不斷提高。作為汽車底盤的重要組成部件，懸架和轉向系統的性能直接決定著整車操縱穩定性和平順性，在車輛設計開發中起著非常重要的作用［1］。后擺臂作為懸架的主要受力部件，既兼顧著輪邊系統與車體總成的連接，又需要承受來自車體的重量，因此其結構強度在懸架設計中就顯得非常重要。

根據某款全地形越野車的設計要求，本文對后擺臂主要部件進行三維建模與靜力學分析，驗證該設計是否滿足復雜工況的使用要求，以保證該款越野車后擺臂結構穩定與安全。

2 汽車懸架系統研究現狀

由于懸架的性能直接影響整車舒適性與安全性，近年來國內外眾多學者對其進行了較為細致的研究。例如國外學者道格拉斯等，就懸架與車輛的其它部件之間的相互影響進行深入研究；美國的Olley等學者在20世紀30年代就開始對獨立懸架的研究，通過數值分析推導得出車輛懸架系統的微分方程，在時域的基礎上對線性化汽車模型進行頻率響應分析［2］。通用公司為了解決懸架減震特性，提出了主動懸架的構思，隨后有部分學者驗證了通用公司的構思確實可以提高懸架的性能。由此可見，國外學者以及企業對于懸架的研究做了大量工作和深入研究。

我國對懸架的研究相比國外研究則起步較晚，絕大多數研究成果集中在高校及科研單位，且研究成果的水平依舊停留在理論研究與初步試驗階段。上海交通大學等為代表的科研院所在懸架方面開展了深入的研究，并取得了一些成果［3］。東風研究院以及國內眾多學者分別從獨立懸架、整車虛擬樣機和動態模擬等方面也進行了深入的研究。

綜上分析，國內外學者對于懸架研究的深入，極大地推動了汽車往前發展，空氣懸架、半主動懸架、可變懸架等應運而生，懸架其他部件的創新設計也不斷地達到新的高度。

3 全地形越野車后擺臂結構設計

3.1 懸架后擺臂性能要求

懸架后擺臂是輪邊系統與車體總成的主要連接部件，為了使其結構設計滿足復雜的工況，必須使其性能要求滿足如下幾點：

a.懸架后擺臂應具有足夠的安全性、穩定性。

b.懸架后擺臂跳動時應不與其他部件干涉，具有可獨立運動特性。

c.懸架后擺臂應具有較強的結構強度，懸架系統可以適應復雜多變的地形。

d.懸架后擺臂應具有足夠的剛度，在避震器受力沖擊時不容易彎曲變形。

e.懸架后擺臂結構應合理設計，要進行輕量化設計。

3.2 懸架后擺臂結構設計

根據后擺臂設計的性能要求，懸架后擺臂設計包含三個部分：a.與車體總成連接，該部分采用魚眼桿端軸承配合車體的吊耳進行連接，此處關節可上下、左右旋轉運動，使用雙螺母的鎖定方式進行防松設計；b.后擺臂尾端使用雙結構固定的方式，該部分直接與懸架輪邊系統的立柱進行結構固定連接，其本身不可活動，橫臂的跳動隨著立柱的主銷傾角隨之變化；c.后擺臂避震器連接部分，該部分采用吊耳連接式設計，根據懸架設計的參數，確定懸架的硬點，從而確定避震器與后擺臂的連接位置。運用三維設計的三維模型如圖1所示。

為了使后擺臂獲得足夠的強度剛度，同時兼顧考慮后擺臂的輕量化設計，減輕整車重量以及簧下質量，滿足復雜工況的需求，選擇鋁材作為后擺臂材料。根據某款越野車提供的懸架硬點設計參數，該位置設計與避震器匹配安裝的吊耳，并且對該位置進行結構加強處理，安裝有避震器的總裝如圖2所示。

4 懸架后擺臂結構強度分析

4.1 ANSYS有限元分析

ANSYS是一款有限元分析軟件，在很多領域中都使用該軟件進行結構靜力學分析、結構動力學分析、流體力學分析等。有限元法求解是將一個復雜的實體經過離散化，形成有限個細小的單元，對各個單元進行分析的辦法，即對模型細化然后進行數值運算的過程［4］。有限元分析方法一般包含前處理和后處理兩個部分組成，前處理主要包括有限元幾何模型的建立、網格劃分、邊界約束以及載荷處理等步驟，后處理主要包含求解各類應力、應變云圖的查看與分析。

全地形越野車行駛的工況較為復雜，為了能夠使設計的懸架后擺臂滿足各個工況的要求，需要對后擺臂的結構設計進行設計驗證，此處我們使用ANSYS有限元仿真分析軟件進行結構力學驗證。

4.2 后擺臂有限元模型

有限元模型的建立通常有兩種形式，一種是在ANSYS中的DM直接建立模型，另一種是在三維設計軟件中設計并按照分析的要求處理好后導入有限元分析軟件中。ANSYS建模功能不是很強大，所以想要創建一個復雜的模型比較困難［5］。該軟件主要以分析為主，而三維軟件則主要是設計為主，在DM中設計有限元模型比較麻煩，因此本文使用三維設計軟件SolidWorks對后擺臂進行結構設計，然后轉換成step格式并導入ANSYS中，如圖3所示，導入模型后觀察模型是否存在模型損壞、點線面重合或者離散等現象，如果存在則進一步處理模型。

4.3 后擺臂前處理

本文采用ANSYS 2020R2版本的有限元分析軟件，使用Workbench中的Static Structural靜力學分析模塊，將模型導入軟件中，然后需要對有限元模型進行網格劃分、定義材料屬性以及載荷處理。由于后擺臂屬于較為方正的實體，沒有曲面構造，因此不需要對模型進一步處理。

將模型導入后，對模型定義材料屬性，此處選擇7075-T6作為后擺臂材料，點擊Engineering Data 定義材料屬性，相關材料屬性如表1所示。在分析中，網格的數量直接影響計算結果的精準度，網格劃分得越細，分析結果就越精準，但考慮到分析設備以及越野車的使用工況，綜合考慮本次后擺臂的網格劃分將控制在中等網格數量，首先使用幾何體尺寸控制，設置單元尺寸為10 mm，因考慮到后擺臂與其他部件接觸，在連接件部分使用加密處理，使分析更加準確。劃分好的網格如圖4所示。根據網格結果顯示，后擺臂總共有77 043個節點，45 581個單元。網格總體質量分布均勻，網格質量較好，滿足后續結構力學分析的要求。

4.4 后擺臂強度分析

后擺臂的強度分析是基于線性結構力學下進行的響應分析，利用求解場的數值模擬，將復雜的仿真實體進行有限單元物體的離散化，因此對此處的結構強度分析將采用此方法，相關理論計算公式如下：

[MUt+CUt+KUt=Ft] （1）

式中，[M]為系統質量矩陣;[C]為阻尼矩陣;[K]為剛度矩陣;[Ut]為位移矢量;[Ut]為速度矢量;[Ut]為加速度矢量;[Ft]為總載荷矢量。

越野車的后擺臂所承受的載荷主要來自避震器、車體和輪邊系統。本文在后擺臂分析時，為了更真實地模擬懸架系統的受力工況，全地形越野車都用高強度工況形式，所以需要乘以動載系數，因為是全地形越野車，因此采用動載系數為4，這樣載荷施加才更加精準。后擺臂與輪邊系統連接端采用固定約束的方式，與車體總成連接端也采用固定的方式連接，避震器處則采用基本載荷乘以動載系數，按照整車滿載重量以及前后載荷分配比計算。根據某款越野車的設計數據，最終施加在后擺臂避震器點上的力F為8 000 N，慣性力施加為標準地球重力，將與車體連接的孔以及輪邊系統連接的孔進行固定約束。由施加的載荷和約束，可以分析求解得出后擺臂的位移云圖、應力云圖以及應力安全系數分別如圖5、圖6、圖7所示。

由以上云圖分析可知：越野車的后擺臂最大變形量為0.317 mm，最大變形發生在后擺臂與避震器連接的吊耳上；最大等效應力值為52.241 MPa，最大應力發生在避震器吊耳位置，但遠小于屈服強度455 MPa，在安全范圍之內；應力安全系數為8.6267。以上三個數據表明，該款越野車設計的后擺臂滿足各個工況下使用，各項指數均在安全范圍之內，可以保證懸架系統正常使用。

5 結語

本文對某款越野車進行了結構設計，并進行了驗證，可以得出，后擺臂的結構設計滿足設計要求，滿足后擺臂的性能要求，符合越野車在復雜的工況下行駛。通過本次結構設計與力學驗證，保證了該款越野車懸架后擺臂結構穩定與安全。

參考文獻：

[1]石劍英.大學生方程式賽車懸架和轉向系統優化設計與仿真分析[D].錦州：遼寧工業大學.2019.

[2]邵鵬生.雙橫臂式扭桿彈簧獨立懸架的參數優化[D].沈陽：沈陽工業大學，2017.

[3]裴倩倩.主動/半主動振動控制及在汽車懸架系統中的應用研究[D].昆明：昆明理工大學，2017.

[4]徐芝綸.彈性力學簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2013.

[5]魏東來.FSC賽車懸架系統優化設計[D].錦州：遼寧工業大學，2016.

作者簡介：

陳桁烽，男，1985年生，工程師，研究方向為汽車技術。