基于臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和有限元的空心鑄鋁控制臂強(qiáng)度研究

艾濤,劉新,戴強(qiáng),付濤,胡西

(寧波吉利汽車研究開(kāi)發(fā)有限公司，浙江寧波 315336)

0 引言

汽車懸架控制臂通過(guò)襯套和球銷連接車輪和車身，控制車輪按照一定的軌跡運(yùn)動(dòng)，承載簧上質(zhì)量?？刂票凼瞧噾壹芟到y(tǒng)中的導(dǎo)向和傳力元件[1]，對(duì)整車操控性和舒適性有重要的影響，其強(qiáng)度直接影響行車安全。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)汽車控制臂做了大量研究，并取得顯著的成果。陳靜等人[2]對(duì)單片沖壓式下控制臂進(jìn)行拓?fù)浞治龊蛢?yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了輕量化的目的；何小靜，上官文斌[3]利用慣性釋放法對(duì)鍛造控制臂進(jìn)行靜剛度和拉、壓潰分析；祝小元等[4]以多工況下的柔度和振動(dòng)固有頻率為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)控制臂進(jìn)行多目標(biāo)拓?fù)浞治?；王紅民等[5]對(duì)懸架上控制臂進(jìn)行強(qiáng)度分析，利用臨界平面法對(duì)疲勞壽命進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

以上研究大多是針對(duì)麥弗遜懸架三點(diǎn)臂或多連桿懸架中的兩點(diǎn)臂，工藝一般采用鍛造和沖壓，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，減重效果不太明顯。本文作者以集成連桿式獨(dú)立懸架后下控制臂(以下簡(jiǎn)稱“H臂”)為研究對(duì)象，H臂采用空心鑄鋁工藝，輕量化效果顯著。在樣件未出之前，以VPG(Virtual Proving Ground)虛擬載荷為載荷輸入，利用HyperMesh軟件進(jìn)行前處理，Abaqus作為求解器求解，分析結(jié)果滿足強(qiáng)度要求，并通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

1 模型建立

根據(jù)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)建立H臂三維模型(見(jiàn)圖1)，H臂上點(diǎn)PT3、點(diǎn)PT4通過(guò)襯套連接副車架，點(diǎn)PT6通過(guò)球銷襯套連接轉(zhuǎn)向節(jié)，點(diǎn)PT18連接H臂連接桿，點(diǎn)PT63連接穩(wěn)定桿拉桿，點(diǎn)PT59處安裝彈簧。H臂連接車輪和副車架，承載簧上質(zhì)量，提供懸架側(cè)向和縱向剛度，控制車輪運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖1 H臂三維模型

2 H臂強(qiáng)度分析

2.1 有限元模型建立

把H臂三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入前處理軟件HyperMesh中，采用四面體單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分[6]，單位類型是C3D10，H臂材料為A356-T6,材料屬性如表1所示。在整車坐標(biāo)系下，約束點(diǎn)PT3 的Y、Z2個(gè)平動(dòng)自由度,約束點(diǎn)PT4X、Y、Z3個(gè)平動(dòng)自由度，約束點(diǎn)PT6Z向平動(dòng)自由度。點(diǎn)PT3、PT4和PT59采用Rb3柔性耦合，點(diǎn)PT6、PT18和PT63采用Rb2剛性耦合，用B31單元代替點(diǎn)PT6、PT18和PT63螺栓連接，力和力矩加載在各硬點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)上，H臂有限元模型如圖2所示。

表1 A356-T6鋁合金材料性能參數(shù)

圖2 H臂有限元模型

2.2 強(qiáng)度載荷及分析要求

根據(jù)整車多體動(dòng)力學(xué)模型及VPG強(qiáng)度工況提取虛擬強(qiáng)度載荷，取各點(diǎn)分別受最大或最小力時(shí)為一個(gè)強(qiáng)度工況，共10個(gè)強(qiáng)度工況(LC1-LC10)，如表2所示。對(duì)其中代號(hào)和單位進(jìn)行說(shuō)明，例如F3x代表點(diǎn)PT3沿整車X方向的力,N；M63y代表點(diǎn)PT63沿整車Y向的力矩，N·mm。強(qiáng)度要求是在各強(qiáng)度工況下等效塑性應(yīng)變(PEEQ)不大于0.5%和硬點(diǎn)處永久變形不大于1 mm。

表2 各工況強(qiáng)度載荷

2.3 H臂強(qiáng)度有限元分析結(jié)果

利用建好的H臂有限元模型，設(shè)置載荷步和輸出要求，對(duì)表2中LC1-LC10每個(gè)工況分別加載，利用Abaqus求解，結(jié)果如表3所示,圖3為L(zhǎng)C1和LC4兩個(gè)最惡劣的工況云圖。從有限元分析結(jié)果可以看出，H臂滿足各工況強(qiáng)度要求。

表3 LC1-LC10強(qiáng)度工況最大應(yīng)力、PEEQ及永久變形量

圖3 強(qiáng)度工況應(yīng)力云圖

3 H臂臺(tái)架強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，搭建臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于每個(gè)點(diǎn)測(cè)試LC1-LC10中最大載荷，要求Level1載荷下永久變形小于1 mm。

點(diǎn)PT3、PT4按照整車裝配方式固定在MTS實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，點(diǎn)PT18、PT59、PT63強(qiáng)度測(cè)試時(shí)約束點(diǎn)PT6Z向自由度，液壓作動(dòng)器分別加載在點(diǎn)PT18Y向和Z向，點(diǎn)PT59Z向，點(diǎn)PT63Z向。點(diǎn)PT6強(qiáng)度測(cè)試時(shí)約束點(diǎn)PT59Z向自由度，液壓作動(dòng)器加載在點(diǎn)PT6X、Y、Z向，如圖4所示。

圖4 強(qiáng)度測(cè)試

各點(diǎn)Level1載荷臺(tái)架實(shí)驗(yàn)力和位移曲線如圖5所示。

圖5 強(qiáng)度測(cè)試力與位移曲線

點(diǎn)PT6X、Y、Z3個(gè)方向永久變形分別為0.4、0.05、0.15 mm,總永久變形為0.43 mm；點(diǎn)PT18Y、Z2個(gè)方向的永久變形分別為0.022、0.193 mm，總永久變形為0.195 mm；點(diǎn)PT59永久變形為0.16 mm；點(diǎn)PT63永久變形為0.02 mm，各點(diǎn)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

針對(duì)某車型設(shè)計(jì)了空心鑄鋁控制臂，通過(guò)HyperMesh軟件劃分了控制臂的網(wǎng)格，根據(jù)整車多體動(dòng)力學(xué)模型及強(qiáng)度工況提取虛擬強(qiáng)度載荷，利用Abaqus軟件對(duì)LC1-LC10共10個(gè)工況載荷進(jìn)行分析計(jì)算，并搭建臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證強(qiáng)度。在整車強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)和耐久實(shí)驗(yàn)中控制臂均未發(fā)生開(kāi)裂和斷裂情況，分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明控制臂滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)也驗(yàn)證了VPG虛擬載荷的準(zhǔn)確性，為整車和零部件開(kāi)發(fā)縮短了周期，降低了風(fēng)險(xiǎn)和成本。