基于CAD/CAE技術(shù)的汽車拖曳臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

文/蔡其剛·合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 奇瑞汽車股份有限公司

基于CAD/CAE技術(shù)的汽車拖曳臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

文/蔡其剛·合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 奇瑞汽車股份有限公司

在汽車懸架結(jié)構(gòu)件優(yōu)化的設(shè)計(jì)階段，為規(guī)避現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不足，常需要針對具體的問題點(diǎn)，在CAD軟件中對產(chǎn)品3D數(shù)據(jù)進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)調(diào)整，并將其導(dǎo)入CAE分析軟件中進(jìn)行仿真模擬、驗(yàn)證；本文以某汽車拖曳臂為例，通過CAD三維數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、CAE仿真模擬，重點(diǎn)分析了拖曳臂本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。

拖曳臂（Trailing arm），也稱縱臂，是汽車懸架系統(tǒng)中重要的安全件和功能件，在拖曳臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，其強(qiáng)度、剛度、疲勞耐久、模態(tài)及空間布置等要滿足整車要求。文中通過對比分析了優(yōu)化前后兩種狀態(tài)的各項(xiàng)指標(biāo)，證明了優(yōu)化后的改進(jìn)效果，同時(shí)，實(shí)車路試也驗(yàn)證了這一結(jié)論。

某汽車拖曳臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)概述

圖1 優(yōu)化前拖曳臂結(jié)構(gòu)

某汽車拖曳臂優(yōu)化前結(jié)構(gòu)如圖1所示，拖曳臂主體部分由上本體、下本體、彎形臂Ⅰ、彎形臂Ⅱ、加強(qiáng)板Ⅰ、加強(qiáng)板Ⅱ等6塊沖壓件焊合而成。零件數(shù)量多，制造加工繁瑣，沖壓焊接后累積公差大，尺寸精度難以保證，致使后輪參數(shù)調(diào)節(jié)困難。

優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖2所示，拖曳臂主體部分由上本體及下本體2塊沖壓件焊合而成，大大減少了生產(chǎn)工序，焊接變形小，尺寸精度容易控制，同時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、可靠性等各項(xiàng)性能指標(biāo)均有大幅提升。

優(yōu)化過程

在明確了解導(dǎo)致原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生的原因后，對拖曳臂本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)構(gòu)想。原結(jié)構(gòu)主體為6塊沖壓件焊合而成，沖壓回彈加上焊接變形累積后，尺寸精度難以保證；現(xiàn)構(gòu)想簡化成上、下本體2塊沖壓件焊合而成，并通過CATIA三維軟件將該構(gòu)想數(shù)字化，如圖3、圖4所示。

圖2 優(yōu)化后拖曳臂結(jié)構(gòu)

圖3 優(yōu)化前拖曳臂主體結(jié)構(gòu)

圖4 優(yōu)化后拖曳臂主體結(jié)構(gòu)

■ 表1 拖曳臂材料力學(xué)性能參數(shù)

■ 表2 優(yōu)化前后靜強(qiáng)度對比分析 （單位：MPa）

3D數(shù)據(jù)完成后，需要分析零件的沖壓成形性，總成的強(qiáng)度、剛度、疲勞耐久、模態(tài)及空間布置等。CAE分析為CAD數(shù)據(jù)修正提供了指導(dǎo)方向，這是一個(gè)反復(fù)交替的過程，詳細(xì)細(xì)節(jié)本文從略。

拖曳臂上本體材料為SAPH440，厚度為3．5mm；拖曳臂下本體材料為SAPH440，厚度為3．0mm。材料力學(xué)性能參數(shù)見表1。判別零件成形性的依據(jù)為FLC曲線，分析結(jié)果顯示，上、下本體的料厚變化率基本在±20%范圍內(nèi)，成形性滿足要求。如圖5所示。

優(yōu)化結(jié)果

重建的CAD模型必須要經(jīng)過CAE分析、軟模件DV臺(tái)架驗(yàn)證及工裝件路試驗(yàn)證等方可正式凍結(jié)。將優(yōu)化后的模型結(jié)構(gòu)及CAE結(jié)果與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，顯示優(yōu)化后拖曳臂主體沖壓件由原來的6件減少為2件，重量減輕0．17kg，成本降低1元。優(yōu)化前后靜強(qiáng)度對比、靜剛度對比、模態(tài)對比結(jié)果如下。

靜強(qiáng)度對比

靜強(qiáng)度分析主要考查垂跳、制動(dòng)、起動(dòng)、倒車、轉(zhuǎn)向等5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況。分析結(jié)果見表2。

很顯然，從表2可以看出，優(yōu)化前，在垂跳、轉(zhuǎn)向等兩個(gè)工況的最大應(yīng)力均超出了材料的屈服強(qiáng)度（350．1MPa）；而優(yōu)化后，5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況的最大應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度。

靜剛度對比

靜剛度分析主要考查上/下擺臂連接支架、減振器連接支架及車身連接點(diǎn)等部位的操穩(wěn)響應(yīng)特性。分析結(jié)果見表3。

由表3可見，除上擺臂連接支架Y向，減振器連接支架Z向剛度略有降低外，其余各剛度值均有提高，且更加接近目標(biāo)值。

模態(tài)對比

模態(tài)分析主要考查拖曳臂對整車NVH的貢獻(xiàn)。分析結(jié)果見表4。

從表4可以看出，優(yōu)化后各連接支架的局部模態(tài)出現(xiàn)的頻率或階數(shù)均有不同程度改善，各階頻率滿足設(shè)計(jì)要求。

■ 表3 優(yōu)化前后靜剛度對比分析 （單位：N/mm）

■ 表4 優(yōu)化前、后自由模態(tài)對比分析

圖5 優(yōu)化后拖曳臂上、下本體成形性分析

結(jié)束語

本文以某汽車拖曳臂產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化為例，通過分析產(chǎn)生現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)缺陷的主要原因，并提出改進(jìn)構(gòu)想，然后通過CAD數(shù)據(jù)重建，最后通過CAE分析，指導(dǎo)并修正3D數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并得到了工程實(shí)際的驗(yàn)證，規(guī)避了原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的缺陷。該方法能夠有效減少臺(tái)架及實(shí)車驗(yàn)證的周期及成本。

蔡其剛，工程師，主要從事汽車懸架結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)開發(fā)工作，曾參與乘用車副車架、控制臂、球頭銷及襯套等產(chǎn)品工程開發(fā)。