底盤下控制臂輕量化解決方案

楊勁飛，韋榮興，覃家騰，陳德深

（廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州 545000）

引言

底盤是汽車的重要基礎(chǔ)零件，在汽車日常行駛過程中，承受著來自路面各種復雜載荷的直接沖擊作用，底盤設(shè)計問題在汽車企業(yè)開發(fā)中較為關(guān)鍵。汽車技術(shù)的發(fā)展，輕量化技術(shù)日漸被重視，車身更輕不僅能夠減少汽車對有害氣體的排放，還能對汽車的整體性能提升有重要的影響[1]。

底盤是集成了汽車下控制臂、彈簧、減振器、副車架等重要零件，零件種類較多，采用有限元仿真方式，對零件提出輕量化方案，總和起來則能對汽車底盤進行較大的減重。本次案例是根據(jù)零件結(jié)構(gòu)考慮，對在Adams 懸架模型中提取的所有工況進行分析評估，挑出最為惡劣的一組工況作為拓撲優(yōu)化仿真輸入，為零件設(shè)定合理的響應(yīng)及目標參數(shù)，對零件進行拓撲仿真計算，根據(jù)計算結(jié)果提出合理的減重措施。

1 輕量化措施

結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計可以從三個方面進行考慮：結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料設(shè)計、工藝選擇。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

零件在滿足最初設(shè)計功能，保證其連接、安裝、性能合格的情況下，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)實際情況，在考慮滿足空間布置及結(jié)構(gòu)基本外形情況下，可以通過改變零件橫截面尺寸、零件局部外貌的方式，增加或減少材料，在零件受力較為集中的區(qū)域布置較多的材料，在受力較小的區(qū)域適當減少材料分布，從而達到材料更加合理分布，零件更加輕盈的目的。通過改變零件結(jié)構(gòu)的方式來達到輕量化的目的，是目前汽車企業(yè)開發(fā)過程中使用的較為普遍的方法。

1.2 材料設(shè)計

隨著材料研發(fā)技術(shù)的發(fā)展進步，更多的汽車輕量化材料被研發(fā)并推廣到汽車制造中使用。其中較為常見的有抗拉強度及屈服強度極高的超強鋼材，超強鋼材在汽車整體框架搭建上使用較為常見。密度僅有普通鋼材1/3 的鋁合金材料，鋁合金材料在發(fā)動機懸置、控制臂、壓縮機支架等零件中使用得較為普遍；另外還有密度僅為普通鋼材1/4，但彈性模量較高的鎂合金材料，該中材料在較多車型中被應(yīng)用到方向盤設(shè)計上[2]。除此以外，還有其他的碳纖維復合材料等。在零件設(shè)計前期，合理定位零件材料，在零件重量上能夠起到較好的減重作用。

1.3 工藝選擇

汽車是由許多不同零件連接形成的整體。零件與零件之間需要通過焊點、粘膠、熱熔自攻釘、鉚接等不同工藝連接方式進行連接，不同的連接工藝在汽車零部件連接中所產(chǎn)生的重量有著重大差別[3]。在企業(yè)研發(fā)期間，要對零件連接工藝做嚴格的分析評估，在能滿足性能的前提下，選用對整車減重有較好效果的連接工藝方式。

2 下擺臂結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計問題

某企業(yè)在研發(fā)某款新型車時，對汽車整備質(zhì)量提出了嚴格的目標，需在開發(fā)期間對各零件進行較好的輕量化考慮。汽車開發(fā)涉及的零件較多，如能對每個零件都能進行輕量化設(shè)計，則會在后期造車時，降低整車重量，節(jié)約較多材料。以下為底盤下控制臂零件初始設(shè)計結(jié)構(gòu)，如下圖2。為響應(yīng)企業(yè)開發(fā)的輕量化思想，在目前下控制臂結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，驗證開孔位置的準確性同時，對下控制臂提出更進一步的輕量化方案。下控制臂為鋁合金材料，抗拉極限320MPa，重量3.3Kg。

圖1 下控制臂初始結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3 有限元仿真思路

對下控制臂進行有限元建模，挑選最為惡劣的一組工況，在下控制臂受力點位置加載。因后期校核中涉及到下擺臂結(jié)構(gòu)強度性能評估，在拓撲模型參數(shù)設(shè)置中，以應(yīng)變能、體積作為響應(yīng)參數(shù)設(shè)置；零件體積作為約束條件；應(yīng)變能參數(shù)作為目標控制參數(shù)。

下控制臂作為底盤零件，各受力點的載荷可以通過建立Adams 懸架模型進行提取。多體懸架模型的建立需要知道開發(fā)車型的質(zhì)量、彈簧剛度參數(shù)、襯套剛度參數(shù)、主銷參數(shù)等。多體動力學懸架模型中的穩(wěn)定桿或扭梁等，因考慮到其會進行大范圍的運動以及發(fā)生彈性變形的情況，需要為其進行柔性體建模[4]。在建立好多體模型后，需對多體模型進行準確性分析評估，之后才能對多體模型進行靜態(tài)加載仿真，提取關(guān)鍵硬點載荷。

4 下擺臂拓撲優(yōu)化

根據(jù)前文思路，使用有限元軟件對下控制臂進行網(wǎng)格劃分，并對原始三處開孔位置進行填充，目的為驗證開孔位置的準確性做準備。根據(jù)企業(yè)標準，下控制臂網(wǎng)格尺寸大小為3mm，單元類型為四面體網(wǎng)格。下控制臂三個關(guān)鍵硬點為：下控制臂前點、下控制臂后點、下控制臂外點。在該三處位置建立連接單元，并加載在多體動力學懸架模型中提取出來的最為極限的一組載荷工況。建立好的模型如下圖2：

圖2 下控制臂有限元模型圖

OptiStruct 軟件是拓撲優(yōu)化仿真分析較為常用的工具，在下控制臂有限元模型完成加載及參數(shù)設(shè)置后，運行軟件進行計算，并對結(jié)果進行分析評估。根據(jù)計算結(jié)果可以知道，下控制臂初始結(jié)構(gòu)開孔位置與拓撲優(yōu)化結(jié)果建議開孔位置基本一致，如下圖3：

圖3 控制臂拓撲模型對比圖

根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，還可以結(jié)合下控制臂各段截面尺寸進行分析評估，進一步提出更加合理的減重方案一，控制臂A-A 截面可以將厚度由10.5mm 減薄到9mm；D-D 截面可以將厚度從16.5mm 減薄到9mm，方案一重量3.0Kg。詳細如下圖4：

圖4 控制臂截面優(yōu)化圖

5 結(jié)構(gòu)強度仿真校核

汽車零件設(shè)計，需要考慮零件強度性能是否滿足設(shè)計要求。在對結(jié)構(gòu)提出輕量化方案后，為了防止后期因零件結(jié)構(gòu)強度不足造成開裂問題，需對下控制臂初始結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化方案一兩種結(jié)構(gòu)進行強度仿真校核。根據(jù)強度計算結(jié)果可知，下控制臂原設(shè)計狀態(tài)最大應(yīng)力為251MPa，應(yīng)力集中點在臂邊緣位置；根據(jù)拓撲優(yōu)化得到的方案一結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為300MPa，應(yīng)力集中點在下控制臂前點附近。根據(jù)企業(yè)評價標準，下控制臂在極限工況下應(yīng)力需小于材料抗拉極限視為滿足要求。

該下控制臂為鋁合金材料，抗拉極限為320MPa，根據(jù)前文提及的評價標準，方案一最大應(yīng)力300MPa＜320MPa，且在最為極限工況下還有一定的安全裕度，方案一能在原基礎(chǔ)上將重量從3.3Kg 減少到3.0Kg，減重10%，建議采用輕量化方案。

圖5 控制臂應(yīng)力云圖對比

6 結(jié)論

（1）通過有限元仿真軟件，可以對結(jié)構(gòu)進行拓撲仿真計算，參考拓撲仿真計算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，可以使材料較好使用到關(guān)鍵位置，避免材料在設(shè)計上的盲目浪費。

（2）有限元仿真在建模過程中往往需要對模型進行一定的簡化，多體動力學模型的建立以及提載過程也會帶來一定的誤差，因此整個仿真流程很難做到與實際完全一致。

（3）通過拓撲優(yōu)化對云圖進行分析，結(jié)合下控制臂不同位置的截面尺寸設(shè)計研究，可以得出合理的減重設(shè)計思路，在下控制臂在滿足性能目標基礎(chǔ)上，將質(zhì)量減少10%。本文思路可以為拓展與其他零件以及其他車型的輕量化提案中，為后續(xù)其他結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒性經(jīng)驗。