基于臺(tái)架試驗(yàn)和CAE的鋁合金控制臂開(kāi)發(fā)研究

岳鵬飛 羅曉東 方川 唐北平 馬東宇

（重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司汽車(chē)工程研究總院）

基于臺(tái)架試驗(yàn)和CAE的鋁合金控制臂開(kāi)發(fā)研究

岳鵬飛 羅曉東 方川 唐北平 馬東宇

（重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司汽車(chē)工程研究總院）

針對(duì)某車(chē)型設(shè)計(jì)了鋁合金控制臂，對(duì)該控制臂進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)和CAE分析，并根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果對(duì)該控制臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，給出了安全試驗(yàn)系數(shù)。對(duì)優(yōu)化后的鋁合金控制臂進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的鋁合金控制臂不僅完全能夠滿(mǎn)足耐久試驗(yàn)要求，而且達(dá)到了減重34.4%的效果。

1 前言

當(dāng)前，由于資源與環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越突出，各國(guó)的汽車(chē)油耗和排放法規(guī)要求越來(lái)越嚴(yán)格，節(jié)能減排已成為汽車(chē)行業(yè)主要關(guān)注問(wèn)題之一。汽車(chē)輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段，采用輕量化技術(shù)可減輕整車(chē)質(zhì)量，進(jìn)而降低油耗，提高汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性。

利用合金材料、復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車(chē)鋼材可明顯減輕整車(chē)質(zhì)量。目前市場(chǎng)上大部分的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋都采用鋁合金材料，使用鋁合金缸體的發(fā)動(dòng)機(jī)比同等排量的鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)能減輕約20 kg的質(zhì)量。但鋁合金在底盤(pán)零部件上應(yīng)用的相對(duì)較少。為此，本文研究了鋁合金控制臂的開(kāi)發(fā)方法，以達(dá)到減輕零件質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的目的。

2 控制臂模型的建立

2.1 建立CATIA數(shù)模

在保證安全性和強(qiáng)度要求的前提下，在CATIA環(huán)境中建立了鋁合金控制臂模型，如圖1所示。

2.2 建立有限元模型

將建立的鋁合金控制臂數(shù)模導(dǎo)入HyperMesh軟件中，采用四面體單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸為3 mm，單元數(shù)為116 218。對(duì)該模型賦予材料屬性，定義邊界條件、輸出信息等，并直接在HyperMesh自帶的求解器中進(jìn)行仿真計(jì)算。鋁合金控制臂材料參數(shù)如表1所列。

表1 鋁合金控制臂材料參數(shù)

由于控制臂在汽車(chē)制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎過(guò)程中作為主要承載部件，故本文只考慮這兩種工況。兩種工況下控制臂受到前輪制動(dòng)力和前輪轉(zhuǎn)向橫向力的作用，兩種力的計(jì)算如下。

制動(dòng)時(shí)：

轉(zhuǎn)彎時(shí)：

式中，F(xiàn)b為控制臂所受前輪制動(dòng)力；Fn為控制臂所受前輪轉(zhuǎn)向橫向力；φ為地面附著系數(shù)；G為汽車(chē)重力；Wf為前輪軸荷；b為汽車(chē)質(zhì)心至后軸中心線(xiàn)的距離；FXb為總的制動(dòng)力；hg為質(zhì)心高度；L為前、后軸距；Lf為前輪輪距。

根據(jù)兩種工況下鋁合金控制臂受力情況，進(jìn)行了CAE仿真分析，仿真分析時(shí)控制臂所受力與實(shí)車(chē)保持一致，分析結(jié)果如圖2和表2所示。由圖2和表2可知，在制動(dòng)工況下，鋁合金控制臂本體結(jié)構(gòu)孔處和球銷(xiāo)孔處出現(xiàn)應(yīng)力集中；在轉(zhuǎn)彎工況下，球銷(xiāo)孔處出現(xiàn)應(yīng)力集中，但均小于鋁合金材料的屈服強(qiáng)度。

表2 兩種工況下鋁合金制動(dòng)臂受力分析結(jié)果

3 鋁合金控制臂臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證鋁合金控制臂的可靠性，同時(shí)進(jìn)行了單體和系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)。其中制動(dòng)工況使用鋁合金控制臂單體進(jìn)行試驗(yàn)，轉(zhuǎn)彎工況進(jìn)行懸架系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證。

3.2 鋁合金控制臂單體耐久試驗(yàn)

通過(guò)CAE分析，鋁合金控制臂滿(mǎn)足使用要求，為此在樣件生產(chǎn)后搭建了試驗(yàn)臺(tái)架（圖3），以對(duì)其進(jìn)行耐久試驗(yàn)。為與實(shí)車(chē)中控制臂的安裝情況保持一致，選擇副車(chē)架作為工裝并將其固定在專(zhuān)用鐵地板上；球銷(xiāo)孔一端通過(guò)球頭座總成與MTS伺服液壓系統(tǒng)連接。通過(guò)MTS伺服液壓系統(tǒng)在鋁合金控制臂本體上施加載荷，載荷大小與CAE仿真分析中一致（3 985 N），載荷形式為等幅正弦波，加載頻率為1.5 Hz。制動(dòng)工況載荷譜如圖4所示。

隨機(jī)抽取3個(gè)樣件（1#、2#、3#）進(jìn)行模擬制動(dòng)工況試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于球銷(xiāo)孔處的應(yīng)力較大，最終1#、2#、3#樣件在試驗(yàn)次數(shù)分別達(dá)到288 259、263 305和256 484時(shí)在此處發(fā)生斷裂（圖5），不能滿(mǎn)足33萬(wàn)次的耐久試驗(yàn)要求。

但在此制動(dòng)工況下，CAE仿真分析中的應(yīng)力最大點(diǎn)處（鋁合金控制臂本體）并未發(fā)生開(kāi)裂，原因是臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)所用樣件都安裝有襯套，襯套的作用剛好使得鋁合金控制臂本體結(jié)構(gòu)孔處的應(yīng)力降低，所以鋁合金控制臂本體開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較小，而CAE分析時(shí)沒(méi)有考慮襯套的影響。

3.3 鋁合金控制臂系統(tǒng)耐久試驗(yàn)

為使臺(tái)架試驗(yàn)更接近實(shí)車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)的受力情況，通過(guò)系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)?zāi)M車(chē)輛轉(zhuǎn)彎工況。首先將副車(chē)架、轉(zhuǎn)向節(jié)、前支柱總成、制動(dòng)盤(pán)等按照設(shè)計(jì)要求與鋁合金控制臂連接成前懸架系統(tǒng)并固定在試驗(yàn)臺(tái)架（圖6）上，同時(shí)保證懸架系統(tǒng)零部件無(wú)開(kāi)裂、襯套老化等情況。在輪胎與地面接觸位置施加3 750 N的側(cè)向力，輪胎用專(zhuān)用工裝代替，輪心到加載位置的距離與輪胎半徑一致。通過(guò)MTS伺服液壓系統(tǒng)施加載荷，載荷形式為等幅正弦波，加載頻率為1 Hz。轉(zhuǎn)彎工況載荷譜如圖7所示。

隨機(jī)抽取3個(gè)樣件（1#、2#、3#）進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)彎工況試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，1#、2#、3#樣件在試驗(yàn)次數(shù)分別達(dá)到203 362、221 250和192 384時(shí)同樣在球銷(xiāo)孔附近發(fā)生斷裂（圖8），均不能滿(mǎn)足30萬(wàn)次的耐久試驗(yàn)要求。3個(gè)樣件的斷裂面都位于主要承載部位，為CAE分析中最大力應(yīng)力處。3個(gè)樣件的斷口形態(tài)相似，為一次性脆性斷裂的斷口特征。這是因?yàn)閿嗫谏隙顺惺軕?yīng)力較大，導(dǎo)致局部應(yīng)力大于合金脆性粒子自身的抗拉強(qiáng)度，最終導(dǎo)致自上而下發(fā)生脆性斷裂。

4 鋁合金控制臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗(yàn)證

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由上述分析可知，導(dǎo)致耐久試驗(yàn)失敗的主要原因是鋁合金控制臂在球銷(xiāo)孔處應(yīng)力較大，因此需要對(duì)球銷(xiāo)孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。首先，在滿(mǎn)足總布置要求的前提下對(duì)球銷(xiāo)孔周?chē)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度加強(qiáng)，即取消縮頸結(jié)構(gòu)，增加該處的寬度和厚度，使鋁合金控制臂本體與球銷(xiāo)孔之間的過(guò)渡盡量平滑無(wú)突變。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的鋁合金控制臂CAE模型如圖9所示。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的鋁合金控制臂CAE模型仍采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，單元尺寸為3 mm，單元數(shù)為117 037，材料屬性、邊界條件、輸出信息等與結(jié)構(gòu)優(yōu)化前模型保持一致，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后兩種工況下應(yīng)力云圖和受力分析結(jié)果如圖10和表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后鋁合金控制臂受力分析結(jié)果

由圖10可看出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在制動(dòng)工況下鋁合金控制臂本體處應(yīng)力比優(yōu)化前降低了37.6 MPa，球銷(xiāo)孔處應(yīng)力降低了56.7 MPa；在轉(zhuǎn)彎工況下球銷(xiāo)孔處應(yīng)力降低了21.6 MPa，優(yōu)化效果較明顯。由表3可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的受力情況與結(jié)構(gòu)優(yōu)化前一致。圖11為優(yōu)化前、后幾處最大應(yīng)力的對(duì)比結(jié)果。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

首先按照優(yōu)化后的控制臂結(jié)構(gòu)對(duì)模具進(jìn)行修改并制造試驗(yàn)樣件，然后隨意抽取6個(gè)樣件，分別按照前述試驗(yàn)要求對(duì)樣件進(jìn)行單體試驗(yàn)驗(yàn)證和系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的控制臂滿(mǎn)足制動(dòng)工況33萬(wàn)次，以及轉(zhuǎn)彎工況30萬(wàn)次的耐久試驗(yàn)要求。

5 減重效果及安全試驗(yàn)系數(shù)

在結(jié)構(gòu)上，鋼控制臂本體主要為腔體，球銷(xiāo)安裝部位為鑄件，兩部分通過(guò)焊接連接，2個(gè)襯套也是通過(guò)金屬背板與控制臂本體焊接連接；而鋁合金控制臂是整體鑄造，在襯套安裝位置機(jī)械加工后將襯套壓入，球銷(xiāo)孔也是直接機(jī)械加工。兩種材料控制臂實(shí)物對(duì)比如圖12所示。在質(zhì)量上，鋁合金控制臂的質(zhì)量為2.8 kg，比鋼控制臂減輕1.47 kg，左、右2個(gè)控制臂共減輕2.94 kg，減重34.4%，減重效果明顯。

經(jīng)CAE分析，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后鋁合金控制臂球銷(xiāo)孔處應(yīng)力為260 MPa，鋁合金材料的理論屈服強(qiáng)度為380 MPa，二者比值為0.68，該值可作為安全試驗(yàn)系數(shù)，在其它車(chē)型的鋁合金控制臂開(kāi)發(fā)中可參考該值進(jìn)行優(yōu)化，以此作為CAE優(yōu)化目標(biāo)，達(dá)到目標(biāo)后再進(jìn)行驗(yàn)證工作。這樣，可降低試驗(yàn)驗(yàn)證次數(shù)，從而減少試驗(yàn)樣件數(shù)量及輪次，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某車(chē)型設(shè)計(jì)了鋁合金控制臂，對(duì)該控制臂進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)和CAE分析，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，給出了安全試驗(yàn)系數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的鋁合金控制臂不僅能滿(mǎn)足單體試驗(yàn)和系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)的要求，而且達(dá)到減重34.4%的效果。

1 余志生.汽車(chē)?yán)碚?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

2 李楚琳，張勝蘭，馮櫻，等.Hyperworks分析應(yīng)用示例.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

3 朱浩，朱亮，陳劍虹.鋁合金在三種應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能研究及斷口分析.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006.

4 劉永臣，王國(guó)林，孫麗.車(chē)輛控制臂疲勞損傷分析與壽命預(yù)測(cè).農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（16）：83～91.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年7月17日。

Design and Research on Aluminum Alloy Control Arm Based on Bench Test and CAE

Yue Pengfei,Luo Xiaodong,Fang Chuan,Tang Beiping,Ma Dongyu
（Chongqing Changan Auto R＆D Center,Changan Automobile Co.,Ltd）

Aluminum control arm has been developed for a vehicle model,on which bench test and CAE analysis are carried out,and structural optimization is made to this control arm according to test and analysis,and safety test coefficient is given.The optimized aluminum control arm has been verified and test,the results show that the aluminum control arm with structural optimization not only meet the requirement of durability test,but also reduce weight of 34.4%.

Aluminum alloy control arm，CAE Analysis，Bench test，Structural optimization

鋁合金控制臂 CAE分析 臺(tái)架試驗(yàn) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

U463.33+5

A

1000-3703（2015）09-0026-04