汽車后懸架下控制臂的有限元分析與優(yōu)化

謝穎

摘要：以某車型后懸架下控制臂為研究對(duì)象，建立強(qiáng)度仿真模型。模型分析過程引入慣性釋放方法，從而消除約束點(diǎn)反力對(duì)控制臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成的應(yīng)力集中的影響。本文通過對(duì)常見的6種靜強(qiáng)度工況進(jìn)行下控制臂的有限元分析，并針對(duì)強(qiáng)度不滿足項(xiàng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終使得后懸下控制臂滿足強(qiáng)度要求，為后懸下控制臂的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：汽車;下控制臂;強(qiáng)度;慣性釋放;有限元分析

0 ?引言

控制臂作為汽車懸架系統(tǒng)的導(dǎo)向和傳力元件，用來支撐車身、減震器，并且緩沖行駛中的振動(dòng);將作用在車輪各種力傳遞給車身，同時(shí)保證車輪按一定軌跡運(yùn)動(dòng)?？刂票鄯謩e通過球鉸或者襯套把車輪車身彈性連接在一起。控制臂（包括與之相連的襯套及球頭）應(yīng)有足夠的剛度、強(qiáng)度和使用壽命。

本文選取了某一具體后懸架控制臂，作為研究對(duì)象，建立了包含橡膠襯套的有限元模型，并完成常見的6種靜強(qiáng)度工況的仿真分析，對(duì)不滿足項(xiàng)進(jìn)行了優(yōu)化。分析結(jié)果表明，優(yōu)化后結(jié)果滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

1 ?控制臂強(qiáng)度的仿真分析

1.1 控制臂的有限元模型

研究所用的控制臂主要由上連接板、下連接板、定位銷和球鉸四部分焊接而成，其上連接板與下連接板均為2.5mm，有限元模型基本單元尺寸為3mm。為了模擬實(shí)際的控制臂工作情況，采用慣性釋放的方法進(jìn)行約束，利用多體載荷分解技術(shù)，分別對(duì)控制臂施加垂向、制動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)向、加速、加速轉(zhuǎn)向及扭轉(zhuǎn)等6種工況，并將分解的載荷分別施加到有限元模型中。

1.2 材料參數(shù)

控制臂主體材料選用QStE500TM，定位銷材料選用20#鋼，其具體材料參數(shù)如表1。

1.3 仿真分析結(jié)果

本文采用ABAQUS軟件對(duì)圖1所示的控制臂進(jìn)行6中常見靜強(qiáng)度工況進(jìn)行仿真分析，分析采用慣性釋放法以消除約束點(diǎn)反力對(duì)控制臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成的應(yīng)力集中的影響。分析結(jié)果云圖如圖2所示。

1.4 結(jié)果評(píng)價(jià)

依據(jù)控制臂強(qiáng)度分析設(shè)計(jì)要求，必須滿足在以上6種常規(guī)強(qiáng)度工況種，最大塑性應(yīng)變應(yīng)不大于0.2%。圖2分析結(jié)果顯示，在垂向、制動(dòng)以及制動(dòng)加速工況下，控制臂本體的最大塑性應(yīng)變分別為0.44%、0.24%、0.36%，不能滿足設(shè)計(jì)要求。各個(gè)工況分析結(jié)果詳見表2。

2 ?強(qiáng)度優(yōu)化分析

2.1 優(yōu)化方案

分別從增加材料厚度、提升材料牌號(hào)、增加加強(qiáng)件等角度制定了優(yōu)化方案，且均能滿足目標(biāo)要求。優(yōu)化方案需綜合考慮控制臂在各個(gè)工況下的安全性能以及質(zhì)量、成本的要求，最終采用了增加加強(qiáng)件方案，加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)以及連接方式詳見圖3。

2.2 優(yōu)化后分析結(jié)果

增加加強(qiáng)件后，得到后懸下控制臂的強(qiáng)度分析結(jié)果，分析結(jié)果顯示，在制動(dòng)工況下，控制臂最大塑性應(yīng)變?yōu)?.1%，其余工況塑性應(yīng)變均為0，滿足既定目標(biāo)要求，應(yīng)力云圖如圖4。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用慣性釋放法分別考察了后懸架控制臂在不同工況載荷下的強(qiáng)度問題，分析結(jié)果顯示，原始方案不能滿足設(shè)計(jì)要求。

分別從增加材料厚度、提升材料牌號(hào)、增加加強(qiáng)件等角度制定了優(yōu)化方案，且均能滿足目標(biāo)要求。優(yōu)化方案需綜合考慮控制臂在各個(gè)工況下的安全性能以及質(zhì)量、成本的要求，最終采用了增加加強(qiáng)件方案，使得最大塑性應(yīng)變由原始方案的0.44%降低至0.1%，最終滿足設(shè)計(jì)要求。

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