車(chē)輛控制臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

張繼宏,王文志,鄭素云,王孔龍

(北京汽車(chē)工程研究院,北京 101300)

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車(chē)輛控制臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

張繼宏,王文志,鄭素云,王孔龍

(北京汽車(chē)工程研究院,北京 101300)

摘要:針對(duì)車(chē)輛控制臂的強(qiáng)度與疲勞耐久性能,分析了控制臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路,借助CAE對(duì)車(chē)輛控制臂進(jìn)行了分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),并采用CAE聯(lián)合工況疲勞耐久性分析方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,采用拓?fù)涞椒ㄟM(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后,控制臂性能得到較大提升,可供車(chē)輛懸架系統(tǒng)及其元件優(yōu)化設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞:汽車(chē);控制臂;拓?fù)涞?剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

作為重要的承力部件,車(chē)輛懸架上的控制臂不僅承受著整車(chē)載荷和輪胎傳遞的路面沖擊載荷,更要保持車(chē)輛操控的準(zhǔn)確,這就要求控制臂具有足夠的剛度、強(qiáng)度和疲勞壽命。它不僅影響整車(chē)的使用壽命和駕乘人員的生命安全,而且作為簧下質(zhì)量,對(duì)車(chē)輛舒適性會(huì)產(chǎn)生很大影響;在嚴(yán)苛的路面條件下,甚至?xí)l(fā)生斷裂風(fēng)險(xiǎn)。因此,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一直是設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。該文通過(guò)對(duì)車(chē)輛控制臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)兼顧整車(chē)舒適性需求的輕量化情況下的強(qiáng)度和疲勞最優(yōu)化。

1 控制臂優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一門(mén)復(fù)雜的多標(biāo)準(zhǔn)、多學(xué)科優(yōu)化理論,按其構(gòu)造,結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型可分為尺寸優(yōu)化問(wèn)題、形狀優(yōu)化問(wèn)題及材料選擇、拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題三類(lèi)。拓?fù)鋬?yōu)化又稱(chēng)為布局優(yōu)化,在概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行適當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇非常重要。作為車(chē)輛懸架系統(tǒng)的重要零部件,控制臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)更是必備的,其流程如圖1所示。

運(yùn)用該設(shè)計(jì)方法,首先建立車(chē)輛懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并導(dǎo)入ADAMS/Car中,建立懸架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?。該模型?控制臂作為剛性體進(jìn)行約束。然后對(duì)該模型進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)分析,獲取懸架控制臂在制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、過(guò)減速帶和炮彈坑等極限工況時(shí)的載荷。將該載荷放入有限元中,采用慣性釋放的方法進(jìn)行強(qiáng)度分析,得到控制臂的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布,確定應(yīng)力集中的熱點(diǎn),再利用CAE迭代優(yōu)化結(jié)構(gòu),最終得到總體性能都較佳的控制臂模型。根據(jù)該模型進(jìn)行數(shù)據(jù)改進(jìn)優(yōu)化,利用CAE聯(lián)合工況疲勞耐久性分析方法進(jìn)行校核,確認(rèn)其耐久性能。

圖1 控制臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

2 某車(chē)輛控制臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在ADAMS/Car中建立該車(chē)輛懸架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?控制臂內(nèi)側(cè)兩點(diǎn)鉸接于副車(chē)架上,外側(cè)安裝點(diǎn)球接在轉(zhuǎn)向節(jié)下端,其承受軸頭處車(chē)輪傳來(lái)的側(cè)向力和縱向力;減振器下端同該控制臂采用球鉸接,承受垂向力;穩(wěn)定桿同該控制臂也采用球鉸接,同樣承受垂向力。同時(shí)輸入減振器和安裝襯套的柔性數(shù)據(jù)(如圖2所示)。

圖2 車(chē)輛懸架系統(tǒng)ADAMS剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)路譜采集數(shù)據(jù)的分析,確定控制臂的標(biāo)準(zhǔn)工況和載荷(如表1所示)。

表1 控制臂的標(biāo)準(zhǔn)工況和載荷

ADAMS依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工況提取控制臂載荷加載到控制臂上各個(gè)硬點(diǎn)(如圖3所示)。

圖3 控制臂的各個(gè)硬點(diǎn)

通過(guò)ADAMS仿真,獲得在垂直4g沖擊工況下控制臂各個(gè)硬點(diǎn)處的載荷情況(如表2所示)。

考慮到車(chē)輛承載能力和控制臂的受力情況,預(yù)期采用B510L高強(qiáng)度熱軋鋼板作為控制臂本體材料,采用沖壓焊接而成,材料厚度選用2.5 mm,其屈服強(qiáng)度可達(dá)到355 MPa,許用應(yīng)力能達(dá)到510 MPa。控制臂上各安裝支架則選用SPAH440,材料厚度選用3.0 mm。預(yù)測(cè)總體重量能滿(mǎn)足整車(chē)重量控制要求。各材料的基本屬性如表3所示,應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖4所示。

表2 垂直4g沖擊工況下控制臂各硬點(diǎn)處載荷情況

表3 控制臂各材料的基本屬性

將以上數(shù)據(jù)代入有限元進(jìn)行CAE強(qiáng)度分析,對(duì)模型不進(jìn)行約束,采用慣性釋放法進(jìn)行分析,垂向4g工況下的分析結(jié)果如圖5所示。

圖4 控制臂各材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

圖5 控制臂CAE有限元強(qiáng)度分析結(jié)果(單位:MPa)

從圖5可見(jiàn):其應(yīng)力超標(biāo)較多,而且大部分處于焊接位置。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接易發(fā)生脆性斷裂,脆性斷裂時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服極限,因焊縫易產(chǎn)生微細(xì)裂痕,在一定載荷作用下,裂紋急劇擴(kuò)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件脆性斷裂。球頭附近應(yīng)力集中,應(yīng)是板材變形較為復(fù)雜,沖壓成型困難,出現(xiàn)沖壓撕裂等缺陷的可能性大,需作進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

采用CAE拓?fù)涞鷥?yōu)化結(jié)構(gòu),進(jìn)行壁厚和形狀拓?fù)鋬?yōu)化,使局部應(yīng)力和焊縫應(yīng)力大幅降低,滿(mǎn)足材料許用強(qiáng)度要求。拓?fù)鋬?yōu)化后結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下:1)結(jié)構(gòu)由原上片U形、下片平板改進(jìn)為上、下片均采用U形結(jié)構(gòu),焊縫由底邊改到側(cè)面中部,避開(kāi)受力應(yīng)力集中部位,提高焊縫的疲勞壽命。2)球頭部位簡(jiǎn)化復(fù)雜形狀為兩體焊接,減少?zèng)_壓撕裂風(fēng)險(xiǎn)。3)鋼材的使用厚度由2.5 mm增加到3.0 mm,以提高整體剛度。優(yōu)化后的強(qiáng)度分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后的控制臂CAE有限元強(qiáng)度分析結(jié)果(單位:MPa)

從圖6可見(jiàn)優(yōu)化后應(yīng)力已降低到389 MPa,但B510L仍不能滿(mǎn)足使用要求。考慮到Qste420高強(qiáng)度熱軋鋼板能滿(mǎn)足該性能要求,其屈服強(qiáng)度能達(dá)到420 MPa,最大許用應(yīng)力達(dá)到620 MPa,材料由預(yù)期的B510L高強(qiáng)度熱軋鋼板更改為Qste420高強(qiáng)度熱軋鋼板。根據(jù)該受力分析優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖7所示。

對(duì)控制臂優(yōu)化后的數(shù)據(jù)采用CAE聯(lián)合工況疲勞耐久性分析方法,運(yùn)用nCode疲勞分析軟件進(jìn)行校核,控制臂本體及其焊點(diǎn)的疲勞耐久受力分布如圖8和圖9所示,疲勞聯(lián)合工況(如表4所示)下的計(jì)算結(jié)果如表5所示。

圖7 優(yōu)化后的控制臂數(shù)據(jù)

圖8 控制臂本體在加載循環(huán)次數(shù)＞52萬(wàn)次時(shí)的疲勞壽命(單位:次)

圖9 控制臂上焊點(diǎn)在最小加載循環(huán)次數(shù)＞100萬(wàn)次時(shí)的疲勞壽命(單位:次)

表4 疲勞聯(lián)合工況設(shè)置

表5 控制臂本體及其焊點(diǎn)的疲勞聯(lián)合工況分析結(jié)果　萬(wàn)次

校核結(jié)果顯示,經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化后的控制臂數(shù)據(jù)在疲勞耐久性方面滿(mǎn)足理論設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的焊縫位置選擇對(duì)控制臂的性能至關(guān)重要,焊縫微細(xì)裂紋在一定條件下易引起脆性斷裂,故焊縫位置應(yīng)避開(kāi)應(yīng)力較大的部位。

(2)采用多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)合有限元分析進(jìn)行車(chē)輛控制臂優(yōu)化設(shè)計(jì),為懸架系統(tǒng)的優(yōu)化提供了一種有效方法,可縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,降低試驗(yàn)成本。該方法也適用于其他復(fù)雜的懸架元件優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3)車(chē)輛極限仿真分析工況和控制臂本體CAE疲勞耐久性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為＞20萬(wàn)次。對(duì)于縫焊與焊點(diǎn)的疲勞分析,由于目前理論和CAE建模規(guī)范的局限性,很難準(zhǔn)確模擬出真實(shí)的壽命及安全因子,分析結(jié)果僅供參考。

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收稿日期:2015-12-18

中圖分類(lèi)號(hào):U463.33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1671-2668(2016)02-0007-04