誤用工況下某新能源車型前懸架下控制臂的屈曲分析及優(yōu)化

摘 要：前懸架下擺臂設計環(huán)節(jié)中至關重要的是基于誤用工況下的屈曲分析。當車輛遭遇劇烈制動通過凹坑或過坎的非常規(guī)路況時，前下擺臂會承受超出過大的載荷，從而引發(fā)屈曲問題。文章針對某款新能源車型單板前下控制臂進行了有限元分析及優(yōu)化，確保產(chǎn)品在承受極限負荷時，仍有足夠的強度，避免出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象，進而提高車輛的安全性和耐用性。同時，此次分析優(yōu)化過程也為后續(xù)單板控制臂方案屈曲提升提供了參考思路。

關鍵詞：誤用工況 新能源車型 前下控制臂 屈曲分析

0 引言

前懸架系統(tǒng)在汽車中發(fā)揮著多重作用：高效吸收并緩沖路面帶來的沖擊與振動；承受并傳遞車輪與副車架或車身之間的各種力與力矩；維持車輪在既定角度內(nèi)活動。故而，前懸架系統(tǒng)的設計質(zhì)量對整車的舒適性、操控性及安全性能影響重大[1-2]。

前懸架下控制臂作為連接副車架與輪端轉(zhuǎn)向節(jié)的關鍵零部件，其負責將作用于車輪的各類力有效傳遞至車身，確保車輪依預設軌跡運動，支撐車身重量，并與減震器和彈簧協(xié)同工作，為車輛提供穩(wěn)定性與行駛平順性。同時，下控制臂的結(jié)構(gòu)設計有助于維持車輛正確的車輪定位，對行車穩(wěn)定性意義非凡。一旦前下控制臂出現(xiàn)故障或失效，將直接影響車輛的車輪定位，降低行車安全[3]。

本文就誤用工況下前下控制臂產(chǎn)生屈曲變形的問題展開分析與優(yōu)化，實現(xiàn)產(chǎn)品性能提升，從而提高車輛行駛安全性。

1 前下控制臂開發(fā)流程

通過分析及驗證結(jié)果表明，車輛誤用工況對零部件強度要求頗為嚴格，其中制動過坑工況（BIP）及側(cè)向撞坎工況（SAC）是控制臂使用過程中的惡劣工況，此時控制臂會承受超出常規(guī)工況的 X 向及Y向沖擊載荷。因此，本文基于某新能源車型針對這兩個工況進行控制臂的 X/Y 向屈曲分析及優(yōu)化[4]。

首先，繪制初版數(shù)據(jù)，然后根據(jù)提取的載荷信息鎖定X向及Y向屈曲分析目標值，開展首輪CAE分析。通過提取的PT6點X/Y向的最大載荷，確定X向屈曲目標值不小于31kN，Y向屈曲目標值不小于49kN。具體分析及優(yōu)化過程如下：

2 前下控制臂CAE分析及優(yōu)化

2.1 構(gòu)建約束并施加位移

約束條件：PT6約束Z方向平動自由度，3；PT3約束Y和Z個方向平動自由度，PT4約束X、Y和Z方向平動自由度。

載荷：在球銷點施加X/Y向強制位移直至零件發(fā)生屈曲，從而獲取結(jié)構(gòu)在失穩(wěn)前的最大屈曲力值并明確風險位置[5-6]。

2.2 初始數(shù)據(jù)方案繪制

依照當前的布置空間及硬點要求，初始方案設計為單板前下控制臂總成，選用高強鋼FB780作為材料。

2.3 進行初版數(shù)據(jù)屈曲分析

依據(jù)上述約束方式進行約束后，對前下控制臂總成開展X/Y向屈曲分析。分析結(jié)果表明：

由相關圖示可看出，初始控制臂方案在載荷為24.23kN時會發(fā)生X向屈曲，產(chǎn)生塑性變形，不滿足當前設計目標要求，Y向屈曲能夠滿足。因此，需要對擺臂進行優(yōu)化，重點提升X向受力時的強度。

2.4 前下擺臂方案優(yōu)化

擺臂的優(yōu)化可從材料、厚度、結(jié)構(gòu)、尺寸等多方面著手，但需綜合考慮懸架的布置空間、整車重量以及成本等諸多因素，選擇性價比最優(yōu)的方案。

首先，確保當前方案的邊界條件不變，以避免對周邊零件產(chǎn)生影響。其次，鑒于零件成本及模具費用較高，擺臂總成繼續(xù)以單板狀態(tài)進行優(yōu)化，避免過多增加組件及模具。最后零件材料不作調(diào)整，僅從結(jié)構(gòu)方面針對屈曲薄弱點來利用拓撲優(yōu)化方式針對性的進行優(yōu)化更改[7]。

根據(jù)上文圖示可知，X 向屈曲點出現(xiàn)在外側(cè)本體與球銷座連接位置附近，此位置并非擺臂屈曲的理想發(fā)生區(qū)域。出于安全性考慮，建議屈曲發(fā)生區(qū)域如某圖中圓圈所示位置。因此，將屈曲提升考慮為提升本體厚度，此方向需考量沖壓的可行性。調(diào)整截面形狀，具體情況如圖所示。通過多次調(diào)整優(yōu)化分析，針對該控制臂結(jié)構(gòu)，加寬截面筋的寬度，降低界面筋高度并對局部細節(jié)進行調(diào)整后，可實現(xiàn)擺臂X向屈曲提升。優(yōu)化前后對比情況如下圖所示。

優(yōu)化后擺臂的X向屈曲云圖及曲線、Y向屈曲云圖及曲線分別如圖所示。從圖中能夠看出，優(yōu)化后的控制臂分析結(jié)果中X向及Y向屈曲力值均滿足設計要求，疲勞耐久及強度分析也均滿足設計要求。

3 結(jié)論

本文通過對新能源車型載荷譜的提取，結(jié)合誤用工況的使用場景，對前下控制臂總成進行屈曲分析及優(yōu)化，提高產(chǎn)品安全系數(shù)，在一定程度上規(guī)避產(chǎn)品在特殊路況下失效的風險，得出以下結(jié)論。

當下新能源車型的軸荷相較于傳統(tǒng)車型有較大幅度增加，產(chǎn)品在設計過程中可充分利用拓撲優(yōu)化方式。

單板前下控制臂的屈曲值較難達到較高水平，針對此控制臂的硬點及空間布置，通過多次優(yōu)化分析認為，增加筋的截面寬度、降低筋的界面高度、抬高中心下沉的尺寸使其接近硬點平面，同時優(yōu)化其他細節(jié)，以上措施均可實現(xiàn)X向屈曲值的提升。

參考文獻：

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