汽車懸架優(yōu)化綜述

鄭迎華

摘 要：本文針對含有球鉸和襯套的汽車懸架控制臂優(yōu)化設(shè)計進行了分析綜述，確定了控制臂優(yōu)化設(shè)計模型。根據(jù)分析，在采用了基于拓撲學知識的綜合框架優(yōu)化技術(shù)的懸架控制臂設(shè)計后，使控制臂的優(yōu)化方向更為準確、工況載荷計算更加精確。采用該設(shè)計思路可以保障汽車行駛的安全性，從而提高駕駛者的行駛質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：汽車懸架;控制臂;優(yōu)化;參數(shù)

中圖分類號：U463.33 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）07-0139-03

Abstract： This paper summarized the optimum design of automobile suspension control arm with spherical hinges and bushes，determined the optimal design model of the control arm. According to the analysis， after the design of the suspension control arm based on the comprehensive framework optimization technology based on the knowledge of topology， the optimization direction of the control arm was more accurate and the load calculation was more accurate. This idea can ensure the safety of driving and provide better driving quality for drivers.

Keywords： automobile suspension; control arm; optimization; parameter

控制臂作為汽車懸架系統(tǒng)中的一個十分重要的安全性與功能性部件，設(shè)計要求十分嚴格?？刂票鄣膮?shù)對汽車行駛安全與操控舒適度具有十分重要的作用。要滿足上述要求，控制臂自身的物理參數(shù)包括強度、剛度等需要精確設(shè)計及優(yōu)化?？刂票弁ㄟ^物理連接機制與汽車車身連接，輪轂端通過球鉸與輪轂相連接，車架端通過球鉸與橡膠襯套與車架連接。在分析控制臂參數(shù)設(shè)計與性能的基礎(chǔ)上，球鉸和襯套對控制臂的影響還應該考慮相關(guān)參數(shù)的應用條件。Demirdogen C等人[1]在研究控制臂輕量化設(shè)計的模型構(gòu)建過程中并沒有考慮連接在控制臂上的球鉸和襯套，而是以其連接面作為分析界限，這樣的設(shè)計并不能真實反映實際中增加的有效載荷，不能為駕駛者提供更好的行駛質(zhì)量。Xintian L等人[2]的研究表明，不同維度的橡膠襯套的參數(shù)對懸架的影響也不盡相同，橡膠襯套的軸向剛度及扭轉(zhuǎn)剛度對懸架性能影響不顯著，而橡膠襯套的徑向剛度則對懸架性能影響較大。

本文在論述控制臂優(yōu)化設(shè)計時，充分考慮了實際作用在控制臂上的工況載荷，包含了球鉸和襯套的綜合系統(tǒng)在受外力作用下產(chǎn)生的位移情況，較之前的設(shè)計偏大。經(jīng)過對比分析該綜合系統(tǒng)與不包含球鉸和襯套的模型在優(yōu)化與計算上的差異性可以看出，本文的綜合模型更加符合實際的優(yōu)化設(shè)計。

1 控制臂的優(yōu)化設(shè)計

1.1 確定可承受載荷

考慮到汽車行駛工況復雜化、多樣化的實際情況，企業(yè)對汽車進行動力學實驗分析測試時應考慮并計算不同工況下控制臂連接兩端的球鉸和輪轂受到的作用力，如表1所示。表1的工況和載荷數(shù)據(jù)的大小來源于汽車主機廠對懸架控制臂優(yōu)化方案的輸入數(shù)據(jù)。對此數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)性、科學性分析可得，采用基于拓撲優(yōu)化的方法進行計算載荷工況的數(shù)值，最后可得到可用于控制臂優(yōu)化的載荷情況[3]。

1.2 控制臂設(shè)計的合理范圍

控制臂的合理運動范圍應該包含控制臂與球鉸和襯套的連接部位和合理變動區(qū)間，包含控制臂設(shè)計的合理運動范圍但不含球頭與襯套的設(shè)計在內(nèi)。控制臂總成的有限元模型建立控制臂球鉸的簡化模型可以用3個剛性單元模擬，為了模擬真實情況下控制臂繞球頭的旋轉(zhuǎn)運動，剛性單元的設(shè)計長度很短。相關(guān)單位按照實際對襯套結(jié)構(gòu)進行模擬，包含橡膠材料的控制臂總成有限元，將其作為一般控制臂連接面為界限的控制臂模型。

2 控制臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

控制臂有限元模型可以在一定的約束條件下采用相對密度法和固體各向同性材料懲罰模型（Solid Isotropic Material with Penalization，SIMP）法的控制臂優(yōu)化方法。假設(shè)剛性單元相對密度的范圍設(shè)定為0.01～1，懲罰因子設(shè)定為3，其工程最優(yōu)化目標要保證控制臂懸架柔度最小。通過解釋該問題，能夠有效對控制臂結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計分析，從而有效節(jié)約材料成本且避免在特定方向上的所受應力不足或過大的情況。充分滿足加工工藝需求，正確選擇拔模方向，能夠直接影響最終工程優(yōu)化結(jié)果，這樣一來，控制臂在外力作用下產(chǎn)生的較大位移能在慣性釋放作用下保證所受應力處在合理、理想、可接受的范圍內(nèi)。

2.1 控制臂的優(yōu)化效果

模型分別經(jīng)過優(yōu)化后得到結(jié)果如圖1所示。從中可以看出，沒把球鉸和襯套考慮在內(nèi)的前期模型得到的優(yōu)化結(jié)果并不能反映真實駕駛使用工況，不貼合實際，不實用。繼續(xù)優(yōu)化得出的結(jié)果如圖2所示。圖2的優(yōu)化設(shè)計方案，既考慮了球鉸和襯套相結(jié)合的綜合運用系統(tǒng)，也滿足了設(shè)計和量產(chǎn)制造工藝要求。

2.2 控制臂的性能

通過對優(yōu)化后的控制臂結(jié)構(gòu)的承受應力、剛度和約束固有頻率進行系統(tǒng)性、科學性的統(tǒng)計分析可知，兩組模型在本文討論的6種工況下，控制臂的VonMises應力結(jié)果不同，如表2所示。

控制臂設(shè)計所采用的實際工程材料的屈服強度為275MPa。從表2可以看出，最大應力數(shù)據(jù)，含有球鉸和襯套的綜合系統(tǒng)應力均在合理可接受的范圍內(nèi)。不含球鉸和襯套的固定界限控制臂模型不符合理論及現(xiàn)實設(shè)計要求。控制臂的固定頻率對懸架系統(tǒng)穩(wěn)定性、駕駛質(zhì)感和駕駛員回饋等均有較大影響。因此，企業(yè)在控制臂設(shè)計優(yōu)化中應該充分考慮控制臂自身結(jié)構(gòu)，經(jīng)過優(yōu)化后的控制臂固有頻率可見表3。由表3可以看出，控制臂的固有頻率在約束狀態(tài)達到了1階350Hz，在自由狀態(tài)達到了1階800Hz的一般設(shè)計要求。

為了保障汽車安全、實際使用工況下的汽車行駛質(zhì)感及駕駛員的回饋感受等，企業(yè)對控制臂的剛度設(shè)計也具有較高要求。在設(shè)計汽車控制臂剛度時應該參考固定界限模型，不加入球鉸和襯套[4]。

3 設(shè)計優(yōu)化結(jié)論

本文根據(jù)控制臂學術(shù)界及工業(yè)應用領(lǐng)域的經(jīng)驗，結(jié)合實際工況，設(shè)計建立了兩組控制臂模型，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果確定了一組最優(yōu)的包含球鉸和襯套的綜合系統(tǒng)模型，并采用先進的計算機仿真實驗平臺進行了仿真實驗，然后結(jié)合實驗結(jié)果的反饋進行了調(diào)整。此外，還根據(jù)固定界限模型科學、詳細地論述了設(shè)計控制臂要求的參數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)變量，真實反映了控制臂工況運行的實際情況。在采用基于拓撲學知識的綜合框架優(yōu)化技術(shù)的懸架控制臂設(shè)計后，控制臂的優(yōu)化指向性更加準確、翔實，符合駕駛員對駕駛質(zhì)感的追求，使工況載荷計算更加精確。采用該設(shè)計思路對汽車懸架控制臂系統(tǒng)進行系統(tǒng)性優(yōu)化，可以保障汽車行駛的安全性，為駕駛者提供更好的行駛質(zhì)量。

參考文獻：

[1]Demirdogen C， Ridge J， Pollock P. Weight Optimized Design of a Front Suspension Component for Commercial Heavy Trucks[J].Advanced Materials Research，2012（4）：212-216.

[2]Xintian L， Hu H， Jichang W， et al. Performance Analysis of Rear Rubber Bushing Stiffness of Lower Control Arm on Front Double Wishbone Independent Suspension[C]// International Conference on Computer Modeling & Simulation. IEEE，2010.

[3]趙清海，張洪信，朱智富，等.汽車懸架控制臂的可靠性拓撲優(yōu)化[J].汽車工程，2018（3）：313-319.

[4]王書賢，向立明，劉鵬，等.基于拓撲優(yōu)化的某汽車懸架控制臂輕量化設(shè)計[J].輕工科技，2017（10）：30-31.