副車架下擺臂以鋁代鋼輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳楊, 武振江, 曹建, 王鵬, 張俏

(中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津300300)

0 引 言

近來隨著國六排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，汽車尾氣排放要求越來越嚴(yán)，對車輛輕量化要求也越來越高，車身及底盤減重勢在必行?，F(xiàn)以某車型鋼制沖壓下擺臂為例，通過采用鋁合金半固態(tài)壓鑄工藝，對原沖壓擺臂件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在保證與原有沖壓下擺臂性能相當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化要求。

以某副車架下擺臂為研究對象，通過拓?fù)鋬?yōu)化后重構(gòu)的模型進(jìn)行強(qiáng)度分析和疲勞分析，并與原沖壓擺臂性能進(jìn)行比較。在優(yōu)化結(jié)構(gòu)上開展了材料輕量化設(shè)計(jì)，半固態(tài)工藝應(yīng)用，相較于沖壓擺臂，最終鋁合金下擺臂部件質(zhì)量減輕34.9%。

1 半固態(tài)成型工藝介紹

半固態(tài)金屬成型技術(shù)是一種液態(tài)金屬控制凝固得到理想組織的新興工藝，此工藝可消除鑄件內(nèi)部縮孔、縮松等缺陷，鑄件組織致密，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的精確成型工藝[1]。圖1所示為半固態(tài)毛坯鋁錠。

圖1 半固態(tài)毛坯鋁錠

2 下擺臂拓?fù)鋬?yōu)化

2.1 下擺臂分析簡介

擺臂作為安全部件，對其進(jìn)行設(shè)

計(jì)時(shí)，不僅需要考慮模態(tài)、強(qiáng)度、疲勞等性能，還要保證其質(zhì)量輕這一特性。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前，首先需要通過拓?fù)鋬?yōu)化找出擺臂的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行3D建模，綜合考慮性能指標(biāo)，對下擺臂進(jìn)行分析驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)下擺臂的輕量化設(shè)計(jì)[2]。圖2所示為本例下擺臂設(shè)計(jì)分析流程。

圖2 鋁合金下擺臂分析流程

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化

本例采用Hyperworks/Optistruct模塊對下擺臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化[3]，如圖3所示，選取設(shè)計(jì)區(qū)域（深灰色）內(nèi)單元的相對密度作為設(shè)計(jì)變量，以下擺臂在汽車制動、轉(zhuǎn)彎、過深坑、沖擊等13種強(qiáng)度工況下的加權(quán)應(yīng)變能最小作為目標(biāo)函數(shù)，體積分?jǐn)?shù)大于0.4為約束條件，最大應(yīng)力參考約束小于200 MPa,建立下擺臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型。

圖3 下擺臂拓?fù)鋱D

經(jīng)過迭代計(jì)算得到前懸架下擺臂拓?fù)鋬?yōu)化后的相對密度分布云（如圖4）。圖中灰色區(qū)域單元的相對密度接近1，是拓?fù)鋬?yōu)化后需要保留的部分，而黑色區(qū)域單元的相對密度接近0，是拓?fù)鋬?yōu)化后需要?jiǎng)h除的區(qū)域。對于相對密度在0～1之間的過渡部分，需根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取舍。

圖4 擺臂拓?fù)鋬?yōu)化相對密度云圖

2.3 模型重構(gòu)

根據(jù)擺臂拓?fù)鋬?yōu)化后的模型，結(jié)合實(shí)際對標(biāo)車型擺臂及工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對擺臂進(jìn)行3D數(shù)模重建[4]，圖5～圖7所示為重建的模型，中間區(qū)域進(jìn)行凹陷設(shè)計(jì)，模型中間開孔，開圓孔是為了考慮此處需要轉(zhuǎn)矩扳手安裝副車架與車身螺栓。

圖5 重構(gòu)后的3D模型（結(jié)構(gòu)1）

結(jié)構(gòu)2與結(jié)構(gòu)1比較，在A、B區(qū)域進(jìn)行了適當(dāng)加寬，中間凹陷區(qū)域適當(dāng)減??；結(jié)構(gòu)3與結(jié)構(gòu)2比較，在結(jié)構(gòu)2的基礎(chǔ)上在C位置進(jìn)行起筋凸起，后續(xù)將對3種結(jié)構(gòu)的擺臂進(jìn)行強(qiáng)度分析，確認(rèn)各工況下擺臂的最大應(yīng)力是否超過屈服強(qiáng)度。

圖6 重構(gòu)后的3D模型（結(jié)構(gòu)2）

圖7 重構(gòu)后的3D模型（結(jié)構(gòu)3）

2.4 模型裝配對比

圖8所示為原下擺臂在懸架中的位置，采用的是分體式球頭擺臂；圖9為重構(gòu)的下擺臂模型在懸架中的位置，采用一體式球頭擺臂；圖10為沖壓擺臂與鋁合金擺臂球頭比較[5]。

圖8 原始分體式球頭下擺臂

圖9 半固態(tài)成型一體式球頭下擺臂

圖10 沖壓與半固態(tài)擺臂球頭比較

3 強(qiáng)度分析

圖11為多體動力學(xué)軟件Adams/Car搭建前懸掛動力學(xué)分析模型，根據(jù)整車和懸掛參數(shù)，結(jié)合擺臂強(qiáng)度工況，搭建懸掛靜態(tài)仿真模型，提取擺臂各連接點(diǎn)的載荷，為強(qiáng)度校核和疲勞校核提供輸入[6]。

圖11 動力學(xué)模型

通過13 種載荷對重構(gòu)的3種擺臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析（因工況較多，僅列出最惡劣的工況），由分析結(jié)果可知，下擺臂在13種工況下的應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度[7]。

由圖12～圖14可知3種結(jié)構(gòu)的擺臂在不同工況下的強(qiáng)度，3種結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力基本在同一位置，均在最大弧形中間，因需考慮到輪胎包絡(luò)影響，不能在最大弧形處進(jìn)行修改，故在結(jié)構(gòu)3擺臂C位置起筋，最終結(jié)構(gòu)3所受應(yīng)力最小為171.708 MPa，最終數(shù)模質(zhì)量為2.20 kg,考慮擺臂的安全系數(shù)為1.5左右，故擺臂所受最大應(yīng)力最好低于260/1.5=173.3 MPa，故后續(xù)疲勞分析在結(jié)構(gòu)3基礎(chǔ)上進(jìn)行驗(yàn)證。表1所示為3種結(jié)構(gòu)的擺臂強(qiáng)度分析結(jié)果對比，結(jié)構(gòu)3擺臂雖不是最輕的，但其強(qiáng)度性能最佳。

圖12 下擺臂向前制動應(yīng)力（結(jié)構(gòu)1）

圖13 下擺臂向前制動應(yīng)力（結(jié)構(gòu)2）

4 疲勞分析

為驗(yàn)證下擺臂的動態(tài)力學(xué)性能，通過路譜采集及載荷分解，對結(jié)構(gòu)3下擺臂進(jìn)行疲勞分析驗(yàn)證，并與沖壓鋼制下擺臂進(jìn)行比較。

圖15所示為分解得到的下擺臂左前點(diǎn)處路譜載荷，圖16所示為半固態(tài)鑄造下擺臂單位載荷加載。

圖14 下擺臂向前制動應(yīng)力（結(jié)構(gòu)3）

A357 鋁合金抗拉強(qiáng)度為320 MPa，QSTE460TM抗拉強(qiáng)度為586 MPa，采用nCode進(jìn)行疲勞分析后得出沖壓下擺臂和鋁合金下擺臂損傷云圖，如圖17～圖19所示。

表1 前下擺臂3種結(jié)構(gòu)的擺臂強(qiáng)度分析結(jié)果比較

圖15 擺臂左前點(diǎn)處載荷譜

圖16 半固態(tài)鑄造擺臂單位載荷加載

圖17 沖壓下擺臂鈑金損傷云圖

通過分析，在原有硬點(diǎn)不變的情況下，選用A357鋁合金材料，抗拉強(qiáng)度為320 MPa, 屈服強(qiáng)度為260 MPa,延伸率為7%，采用半固態(tài)壓鑄成型工藝，新設(shè)計(jì)的鋁合金下擺臂疲勞損傷值小于1，滿足疲勞要求；綜合強(qiáng)度及疲勞驗(yàn)證，新設(shè)計(jì)的鋁合金下擺臂質(zhì)量減少1.18 kg，減重34.9%。表2所示為沖壓擺臂和鋁合金擺臂疲勞分析對比。

5 結(jié) 論

1）利用有限元分析工具，本文采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對重構(gòu)的模型進(jìn)行強(qiáng)度分析及疲勞分析，與原沖壓擺臂相比較，滿足各項(xiàng)性能要求。

圖18 沖壓下擺臂焊縫損傷云圖

2）鋁合金下擺臂質(zhì)量為2.20 kg，鋼結(jié)構(gòu)擺臂總質(zhì)量為3.38 kg，減少1.18 kg，減重34.9%，鋁合金擺臂模型質(zhì)量較沖壓鋼制結(jié)構(gòu)擺臂有明顯降低。由安全系數(shù)結(jié)果可知，采用半固態(tài)鑄造鋁合金輕量化擺臂不僅能夠切實(shí)降低質(zhì)量，而且強(qiáng)度性能上也有一定提高,對汽車輕量化設(shè)計(jì)具有重要意義。

圖19 半固態(tài)成型下擺臂本體損傷云圖

表2 下擺臂疲勞分析結(jié)果比較

3)本文對下擺臂采用以鋁代鋼、更換輕質(zhì)材料的方法說明，在保證性能和成本兼顧的同時(shí)，可以延伸到轉(zhuǎn)向節(jié)和各連桿擺臂，充分減輕底盤質(zhì)量，不僅降低燃油消耗，對車輛操穩(wěn)和平順性能的提升也能起到立竿見影的效果。