基于架構(gòu)開(kāi)發(fā)的汽車懸架控制臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

王玉潔 于義長(zhǎng) 易斌

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心）

汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，為了把握高效率、高質(zhì)量和低成本的開(kāi)發(fā)與產(chǎn)品個(gè)性化間的平衡，各大車企均在重點(diǎn)研究整車架構(gòu)的工程開(kāi)發(fā)技術(shù)[1]。汽車底盤(pán)懸架作為重要的架構(gòu)零件，在設(shè)計(jì)階段需充分考慮架構(gòu)帶寬對(duì)零件設(shè)計(jì)的影響，滿足在架構(gòu)平臺(tái)上的共用性要求。文章基于某架構(gòu)項(xiàng)目的后懸架下控制臂的開(kāi)發(fā)工作，采用多體動(dòng)力學(xué)、有限元方法、耐久評(píng)估、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等技術(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)包絡(luò)、標(biāo)桿研究和設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制臂的設(shè)計(jì)，采用仿真工具對(duì)其耐久疲勞進(jìn)行預(yù)測(cè)分析并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用臺(tái)架對(duì)其耐久能力進(jìn)行試驗(yàn)，并搭載整車路試完成疲勞耐久驗(yàn)證，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)架構(gòu)項(xiàng)目控制臂的高效高質(zhì)量設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

1 架構(gòu)項(xiàng)目控制臂開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)介

懸架系統(tǒng)為汽車底盤(pán)的重要組成部分，其與車身和車輪相連，汽車行駛時(shí)，承受來(lái)自車身的振動(dòng)和路面激勵(lì)等多重載荷。后懸架下控制臂是多連桿后懸架的重要受力部件，一般位于后懸架下方后側(cè)，連接輪邊和副車架，并承載減振器、彈簧和穩(wěn)定桿等調(diào)試件，主要作用是承載垂向載荷并控制車輪運(yùn)動(dòng)時(shí)后輪前束和外傾的變化，因其布置空間受限，且受力復(fù)雜，路試中極易失效，其性能直接影響整車的安全性和可靠性。考慮架構(gòu)平臺(tái)的擴(kuò)展能力，架構(gòu)開(kāi)發(fā)中多車型共用控制臂，但不同車型的調(diào)試件如彈簧、穩(wěn)定桿等參數(shù)不同，底盤(pán)性能調(diào)試提出了穩(wěn)定桿庫(kù)、彈簧族的設(shè)計(jì)理念，較大地拓寬了底盤(pán)調(diào)試件的調(diào)試范圍，而架構(gòu)的調(diào)試帶寬直接影響后懸架下控制臂的耐久性能，因此后下控制臂的設(shè)計(jì)需基于整個(gè)架構(gòu)帶寬，滿足強(qiáng)度、剛度、耐久等零件設(shè)計(jì)要求，同時(shí)做到輕量化和低成本。

2 后下控制臂模型設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目懸架形式為刀鋒臂式四連桿后懸架，圖1示出后懸架下控制臂裝配關(guān)系圖。后懸架下控制臂布置在副車架和車輪支架之間，同時(shí)為彈簧、減震器、穩(wěn)定桿提供安裝接口，為確定其設(shè)計(jì)邊界，在CATIA 里建立了后懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)DMU 模型，并帶入周邊件。以下控制臂為參考，輸出周邊件相對(duì)下控制臂的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，如圖2 所示。進(jìn)而在CATIA 裝配模塊下重新以下控制臂作為固定零件，將所獲得的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)依次裝配形成新的懸架模型，構(gòu)成了下控制臂的空間包絡(luò)約束。其中對(duì)下控制臂設(shè)計(jì)影響最大的是彈簧包絡(luò)，本工作建立了精確的彈簧包絡(luò)，保證下控制臂與彈簧之間的間隙，基于設(shè)計(jì)包絡(luò)，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及制造工藝經(jīng)驗(yàn)，得到了下控制臂的參數(shù)化模型，如圖3 所示，后續(xù)基于此模型展開(kāi)工作。

圖1 后下控制臂數(shù)模及裝配關(guān)系圖

圖2 后下控制臂周邊件的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)

圖3 后下控制臂參數(shù)化模型

3 后懸架多體動(dòng)力學(xué)模型

在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)前期，宜采用靜態(tài)載荷工況用于底盤(pán)結(jié)構(gòu)件靜強(qiáng)度和疲勞的計(jì)算，指導(dǎo)零件設(shè)計(jì)優(yōu)化。文章選用汽車行駛過(guò)程中的一些典型工況或工況組合計(jì)算懸架的載荷，如加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、路障等，靜態(tài)載荷主要包括垂向、縱向和側(cè)向載荷[2]。

為精確計(jì)算載荷，在ADAMAS/Car 模塊建立剛?cè)狁詈系暮髴壹芏囿w動(dòng)力學(xué)模型，如圖4 所示。輸入后懸架的各硬點(diǎn)坐標(biāo)、建立各子部件、導(dǎo)入各柔性體、定義連接關(guān)系、輸入彈簧剛度曲線和各襯套的剛度曲線等。為提高該動(dòng)力學(xué)模型的精確性，副車架采用實(shí)際模型并進(jìn)行柔性體處理，襯套參數(shù)采用實(shí)測(cè)剛度曲線。

根據(jù)后懸架動(dòng)力學(xué)模型及理論受力載荷進(jìn)行靜載求解，由整車參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)載荷工況計(jì)算得到輪心六分力，最后將輪心力輸入動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算得到控制臂各硬點(diǎn)處的載荷。

圖4 后懸架多體動(dòng)力學(xué)模型

4 架構(gòu)帶寬對(duì)載荷的影響分析

影響懸架載荷的關(guān)鍵因素有以下4 個(gè)方面：1）軸荷；2）硬點(diǎn)布置；3）零件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)心坐標(biāo)；4）柔性件參數(shù)：如彈簧剛度、輔簧剛度、輔簧間隙、減振器阻尼力、穩(wěn)定桿直徑、襯套剛度等。在軸荷和硬點(diǎn)已定的條件下，調(diào)試件參數(shù)變化對(duì)載荷影響較大，不同調(diào)試件對(duì)底盤(pán)各結(jié)構(gòu)件載荷影響存在不同的敏感方向。以對(duì)后下控制臂載荷影響敏感的彈簧剛度和穩(wěn)定桿直徑作為主要因素，研究架構(gòu)帶寬對(duì)載荷的影響規(guī)律，該架構(gòu)項(xiàng)目根據(jù)整車操穩(wěn)性能和平順性能的目標(biāo)值分解得到調(diào)試參數(shù)帶寬，如表1 所示。

表1 懸架參數(shù)的架構(gòu)帶寬

通過(guò)對(duì)多個(gè)疲勞工況和濫用工況的計(jì)算，得出調(diào)試參數(shù)對(duì)不同方向載荷的影響。圖5～10 示出部分工況的載荷計(jì)算結(jié)果，得出調(diào)試件參數(shù)對(duì)各向載荷的影響規(guī)律，可知彈簧剛度對(duì)垂向載荷影響較大，且彈簧剛度越大，垂向載荷越大；穩(wěn)定桿直徑對(duì)縱向載荷、側(cè)向載荷和垂向載荷均有影響，且穩(wěn)定桿直徑越大，載荷越大。

圖5 疲勞工況1：彈簧剛度對(duì)硬點(diǎn)垂向載荷的影響

圖6 疲勞工況2：彈簧剛度對(duì)硬點(diǎn)垂向載荷的影響

圖7 濫用工況：彈簧剛度對(duì)硬點(diǎn)垂向載荷的影響

圖8 疲勞工況1：穩(wěn)定桿直徑對(duì)硬點(diǎn)載荷的影響

圖9 疲勞工況2：穩(wěn)定桿直徑對(duì)硬點(diǎn)載荷的影響

圖10 濫用工況：穩(wěn)定桿直徑對(duì)硬點(diǎn)載荷的影響

5 架構(gòu)帶寬對(duì)零件耐久性能的影響

不同彈簧剛度和穩(wěn)定桿直徑的組合，導(dǎo)致后下控制臂的各向載荷發(fā)生變化進(jìn)而影響耐久性能。為研究架構(gòu)帶寬中調(diào)試參數(shù)對(duì)后下控制臂耐久性能的影響規(guī)律，進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)。針對(duì)不同參數(shù)組合定義DOE 矩陣，采用不同參數(shù)組合下的載荷對(duì)后下控制臂數(shù)模進(jìn)行耐久計(jì)算，最終尋求對(duì)后下控制臂耐久最惡劣的參數(shù)組合，作為耐久評(píng)估和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。因需在所有組合里篩選最惡劣工況且分析參數(shù)較少，文章采用全因子方法定義參數(shù)DOE 矩陣。

底盤(pán)結(jié)構(gòu)件主要的失效形式為疲勞失效，且為低周疲勞，因此在進(jìn)行耐久評(píng)估時(shí)采用局部應(yīng)力應(yīng)變法[3]進(jìn)行損傷計(jì)算。根據(jù)損傷理論，在循環(huán)載荷交變作用下，零件疲勞損傷隨時(shí)間逐漸累計(jì)，直至產(chǎn)生失效。Miner 線形損傷理論認(rèn)為每一段循環(huán)載荷都會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的疲勞損失量，并對(duì)最終的疲勞極限有一定影響，即零件在經(jīng)過(guò)一段不同循環(huán)載荷加載后即產(chǎn)生疲勞損傷。其表達(dá)式為：

式中：D——Miner 系數(shù)，D=1 時(shí)預(yù)計(jì)出現(xiàn)失效；

ni——載荷i 作用于零件的循環(huán)次數(shù)；

Ni——零件在載荷i 作用下失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)。

文章基于材料應(yīng)變曲線及Miner 理論，采取損傷計(jì)算方法評(píng)估后下控制臂耐久性能，并設(shè)定損傷值1作為疲勞上限。即通過(guò)有限元法求得零件所受應(yīng)力，通過(guò)循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變方程求得零件的應(yīng)變，對(duì)于每一個(gè)循環(huán)周計(jì)算出零件各個(gè)區(qū)域的壽命，最后用Miner 法則計(jì)算總疲勞損傷及壽命。

計(jì)算所有參數(shù)組合下零件的損傷值，結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯稣{(diào)試參數(shù)對(duì)零件耐久的影響規(guī)律：彈簧剛度越大則零件損傷越大，穩(wěn)定桿直徑越大則零件損傷越大。而初始設(shè)計(jì)在整個(gè)架構(gòu)帶寬的調(diào)試參數(shù)組合里，不能滿足全部零件疲勞損傷值小于1 的耐久目標(biāo)，其中對(duì)后下控制臂耐久影響最惡劣的參數(shù)組合為：彈簧剛度為63 N/mm 和穩(wěn)定桿直徑為23 mm，需使用該參數(shù)組合下的載荷對(duì)后下控制臂進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使其耐久性能滿足整個(gè)架構(gòu)帶寬的要求。

圖11 架構(gòu)參數(shù)帶寬對(duì)后下控制臂疲勞的影響

6 零件耐久優(yōu)化

為了縮短計(jì)算時(shí)間以快速迭代，在耐久優(yōu)化時(shí)，采用設(shè)計(jì)CAE 的方法[4]，在CATIA GPS 模塊計(jì)算模型在關(guān)鍵工況下的應(yīng)力，通過(guò)對(duì)優(yōu)化前后模型的應(yīng)力對(duì)比，評(píng)判其優(yōu)化效果，并對(duì)最終優(yōu)化模型進(jìn)行疲勞損傷和其他設(shè)計(jì)目標(biāo)的驗(yàn)算。

基于初始模型典型工況的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，如圖12所示。結(jié)合應(yīng)力分布和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[5]。為避免質(zhì)量的大幅增加以及沖壓難度增大，通過(guò)以下4 個(gè)方面的措施進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化以減小局部位置應(yīng)力大的問(wèn)題：1）對(duì)上、下沖片進(jìn)行板厚優(yōu)化；2）對(duì)上、下沖片的形面和走向進(jìn)行優(yōu)化；3）優(yōu)化彈簧定位孔和漏水孔的位置和形狀；4）在套筒附近翻邊位置增加小的補(bǔ)片進(jìn)行局部加強(qiáng)。優(yōu)化后的模型，如圖13 所示。優(yōu)化后零件應(yīng)力明顯降低，如表2 所示。

圖12 初始模型典型工況應(yīng)力云圖示意

圖13 后下控制臂優(yōu)化模型

表2 優(yōu)化前后應(yīng)力對(duì)比

采用有限元方法對(duì)優(yōu)化后的控制臂模型進(jìn)行疲勞損傷、濫用變形、等效塑性應(yīng)變等性能指標(biāo)驗(yàn)算[6]，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值。優(yōu)化前后的性能對(duì)比，如表3 所示。

表3 優(yōu)化前后性能對(duì)比

7 臺(tái)架和路試驗(yàn)證

為實(shí)際驗(yàn)證后下控制臂的疲勞耐久性能，按照優(yōu)化設(shè)計(jì)方案制成樣件并開(kāi)展耐久性能試驗(yàn)驗(yàn)證，底盤(pán)件的耐久性評(píng)估的試驗(yàn)方法分為試驗(yàn)室臺(tái)架模擬試驗(yàn)和實(shí)車道路試驗(yàn)。

道路載荷譜是進(jìn)行結(jié)構(gòu)件耐久驗(yàn)證的有效方式，但路試采集的路譜信號(hào)很難直接用于零部件的結(jié)構(gòu)疲勞臺(tái)架試驗(yàn)，為了等效路試損傷并保證試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)性，采用載荷塊方法進(jìn)行后下控制臂的臺(tái)架試驗(yàn)。其原理是基于雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)法將道路采集時(shí)序數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為當(dāng)量偽損傷程度的循環(huán)載荷，根據(jù)累計(jì)疲勞損傷、材料應(yīng)力應(yīng)變遲滯回線等原理，將汽車道路載荷譜轉(zhuǎn)化為零件臺(tái)架模擬試驗(yàn)加載譜[7]。

文章實(shí)采汽車在試車場(chǎng)的路譜信號(hào)，基于以上方法，根據(jù)后下控制臂的受載特征，將實(shí)采路譜的輪心處載荷分解到后下控制臂，得到簡(jiǎn)化的多級(jí)載荷塊，開(kāi)發(fā)了后下控制臂的單通道臺(tái)架試驗(yàn)，進(jìn)行快速驗(yàn)證，零件通過(guò)單通道快速驗(yàn)證后，進(jìn)一步搭載后橋系統(tǒng)多通道臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證，在兩側(cè)輪心加載。零件級(jí)臺(tái)架試驗(yàn)，如圖14 所示。系統(tǒng)級(jí)臺(tái)架試驗(yàn)，如圖15 所示。在要求的試驗(yàn)循環(huán)里均無(wú)失效發(fā)生，驗(yàn)證了優(yōu)化方案滿足耐久性能。零件最終搭載多輪的實(shí)車路試，均無(wú)失效，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖14 后下控制臂單通道臺(tái)架試驗(yàn)

圖15 后橋系統(tǒng)多通道試驗(yàn)

8 結(jié)論

文章基于架構(gòu)帶寬進(jìn)行后懸架下控制臂的設(shè)計(jì)優(yōu)化，得出以下結(jié)論。

1）架構(gòu)項(xiàng)目的底盤(pán)結(jié)構(gòu)件開(kāi)發(fā)，需在設(shè)計(jì)之初就考慮架構(gòu)帶寬里各參數(shù)對(duì)零件載荷和耐久性能的影響，以最惡劣的參數(shù)組合作為設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。

2）找到了調(diào)試件參數(shù)對(duì)后下控制臂載荷和耐久的影響規(guī)律，彈簧剛度越大、穩(wěn)定桿直徑越大，則后下控制臂受載越惡劣。

3）基于架構(gòu)帶寬完成了后下控制臂的設(shè)計(jì)優(yōu)化，并開(kāi)發(fā)零件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的臺(tái)架驗(yàn)證方法對(duì)實(shí)際零件進(jìn)行驗(yàn)證，零件通過(guò)臺(tái)架驗(yàn)證并通過(guò)整車路試。

4）提出了基于架構(gòu)項(xiàng)目的后懸架下控制臂設(shè)計(jì)思路和方法，可拓展應(yīng)用于其他底盤(pán)結(jié)構(gòu)件。