汽車懸架控制臂架構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化 ①

張 鵬， 時(shí)宗強(qiáng)， 陳 亮， 王洪新

(1.皖西學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽 六安 237012;2.安徽工程大學(xué)電氣傳動(dòng)與控制安徽普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

汽車懸架控制臂作為傳遞橫向和縱向載荷的重要零部件，其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系著懸架結(jié)構(gòu)的性能，對(duì)汽車的平順性和操穩(wěn)性有重要的影響。因此如何合理的加強(qiáng)懸架控制臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，不僅可以提高整車的參數(shù)性能表現(xiàn)，對(duì)汽車整備質(zhì)量和使用壽命也極為關(guān)鍵。

1 汽車懸架控制臂拓?fù)鋬?yōu)化原理

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化主要目的是在相對(duì)確定的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，為了滿足性能設(shè)計(jì)的要求和需要，尋找一個(gè)最佳的連接形式，以確保單元和節(jié)點(diǎn)之間充分的約束連接，從而達(dá)到最優(yōu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作[1-5]。其原理如圖2所示，基于CAE軟件強(qiáng)大的有限元分析方案，對(duì)所需的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和尋優(yōu)，確保優(yōu)化設(shè)計(jì)出的懸架控制臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖1 借助CAE軟件的有限元方法求解過程

2 汽車懸架控制臂的拓?fù)鋬?yōu)化與性能實(shí)驗(yàn)

2.1 控制臂拓?fù)鋬?yōu)化流程

以某款麥弗遜懸架為對(duì)象開展控制臂拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的研究。根據(jù)控制臂安裝的方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，借助襯套將控制臂和副車架或車身相連，利用球鉸結(jié)構(gòu)將控制臂和與輪轂單元相連，并按照?qǐng)D2所示的拓?fù)鋬?yōu)化方法開展相關(guān)分析工作。

圖2 汽車懸架控制臂拓?fù)鋬?yōu)化方法

2.2 控制臂拓?fù)鋬?yōu)化建模

2.2.1 載荷確定

汽車在不同的行駛工況下，懸架上不同零部件受力存在較大的差異?，F(xiàn)針對(duì)前期定義的行駛工況開展相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試，首先通過建立的動(dòng)力學(xué)模型，在分析模型準(zhǔn)確可行硬點(diǎn)布置合理的基礎(chǔ)上，計(jì)算出控制臂外端和轉(zhuǎn)向節(jié)之間的作用力；其次根據(jù)控制臂拓?fù)鋬?yōu)化方法，確定了合適的靜態(tài)載荷；然后利用整車坐標(biāo)系定義的XYZ坐標(biāo)系，分別提出三個(gè)方向最大和最小的作用力，形成了以下6組載荷數(shù)據(jù)；最后提取出符合整車運(yùn)行的、合理的靜態(tài)載荷，為控制臂的拓?fù)鋬?yōu)化提供重要的輸入依據(jù)。

表1 汽車懸架控制臂載荷工況數(shù)據(jù)

2.2.2 控制臂設(shè)計(jì)空間的建立

將控制臂和與轉(zhuǎn)向節(jié)相連的球頭有效的連接起來，并將球頭設(shè)置為非設(shè)計(jì)優(yōu)化區(qū)域，根據(jù)控制臂的實(shí)際運(yùn)動(dòng)范圍，初步確定出控制臂需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)的范圍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制臂的設(shè)計(jì)優(yōu)化范圍進(jìn)行確定。

2.2.3 控制臂總成有限元模型的建立

為了確保后期有限元計(jì)算結(jié)果的可靠性，現(xiàn)從以下三個(gè)方面結(jié)合建模的需要，得出了形式不同的有限元計(jì)算模型。

(1)參數(shù)化的定義。分析前需要重點(diǎn)定義單元的類型、尺寸、材料性能及材料庫等參數(shù)。

(2)實(shí)體計(jì)算模型?；贑AE分析軟件，利用有限元方法建立實(shí)體模型。前處理過程中導(dǎo)入CAE計(jì)算需要的文件信息及載荷情況。在導(dǎo)入的過程中，利用CAE軟件需要的接口信息，重點(diǎn)關(guān)注工藝細(xì)節(jié)如倒角和倒圓等問題，最終保證網(wǎng)格劃分的可靠性，同時(shí)也降低了后期出錯(cuò)的概率，大大提高計(jì)算時(shí)間。

(3)網(wǎng)格劃分。將復(fù)雜的形體結(jié)構(gòu)拆分成較為簡單的可代替原復(fù)雜形體的多個(gè)結(jié)構(gòu)單元，其次對(duì)各個(gè)單元之間進(jìn)行插值處理。為保證整體單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，再對(duì)連續(xù)體進(jìn)行集中和離散化的處理完成網(wǎng)格劃分。至此原有的連續(xù)體實(shí)體單元都被離散化的網(wǎng)格模型所代替，這是后期計(jì)算優(yōu)化的模型基礎(chǔ)。構(gòu)建樣車的麥弗遜懸架控制臂有限元模型如圖3。

圖3 控制臂臂體與襯套有限元模型

2.3 控制臂的拓?fù)鋬?yōu)化

為了提高控制臂拓?fù)鋬?yōu)化的準(zhǔn)確性，根據(jù)慣性釋放方法和動(dòng)態(tài)、靜態(tài)力平衡方程，建立了控制臂的仿真模型，合理的設(shè)計(jì)單元的相對(duì)密度，并基于目標(biāo)函數(shù)方程計(jì)算出控制臂柔度。目標(biāo)函數(shù)的約束條件設(shè)置為體積分?jǐn)?shù)小于等于0.35，拔模方向驗(yàn)證坐標(biāo)軸的X方向，此外定義結(jié)構(gòu)柔度時(shí)，需確保拔模方向選擇的準(zhǔn)確性，從而縮短仿真計(jì)算的時(shí)間和錯(cuò)誤率，同時(shí)可降低了材料的使用成本，也可保證加工工藝進(jìn)一步滿足工藝標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

為了提高仿真計(jì)算的精度，在控制臂建模時(shí)使用球鉸模擬實(shí)際情況，最后利用提交分解的方式得到了拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果。為了充分提高建模的規(guī)范性和標(biāo)準(zhǔn)性，在綜合考慮襯套模型的基礎(chǔ)上，科學(xué)合理的提出了控制臂的實(shí)際受靜態(tài)力情況，控制臂在受力的同時(shí)還會(huì)受到旋轉(zhuǎn)的扭矩作用，可以基于襯套的變形計(jì)算和襯套的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算出控制臂的扭矩，最后根據(jù)球鉸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制臂和球姣兩者運(yùn)動(dòng)特性的模擬，避免了出現(xiàn)不適用的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果?？刂票弁?fù)鋬?yōu)化模型如圖4所示。

圖4 控制臂拓?fù)鋬?yōu)化模型

2.4 優(yōu)化控制臂的性能計(jì)算

為了充分說明懸架控制臂拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的真實(shí)有效性，利用CAE仿真分析軟件，采用有限元分析方法，對(duì)控制臂的性能進(jìn)行計(jì)算分析。

2.4.1 優(yōu)化控制臂強(qiáng)度計(jì)算

控制臂的強(qiáng)度計(jì)算主要是為了計(jì)算其承載能力，以達(dá)到預(yù)期的抵抗失效目標(biāo)[6-8]?？刂票鄣膹?qiáng)度大小可以通過單位面積受到的應(yīng)力大小表征，使用有限元對(duì)控制臂的表面應(yīng)力進(jìn)行仿真時(shí)，首先構(gòu)建出合適的單元網(wǎng)格，同時(shí)為了簡化控制臂表明的應(yīng)力計(jì)算，還需合理的增加殼單元的蒙皮厚度。為充分提高有限元分析建模的準(zhǔn)確性，還需利用殼單元對(duì)產(chǎn)品表面開展有效的模擬，客觀反映出模型表明應(yīng)力情況。建模過程中優(yōu)先選用厚度小于1e-3mm的蒙皮殼單元，并對(duì)比與未蒙皮的殼單元進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下表2所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以得到：當(dāng)蒙皮厚度低于1e-3mm時(shí)，均可以精確表示控制臂表面的應(yīng)力，但是當(dāng)蒙皮殼厚度超過1e-3mm時(shí)，蒙皮殼單元便等效成一層實(shí)體單元，此時(shí)，蒙皮的效果也就會(huì)有所降低。由此可見，為了確保分析的蒙皮殼單元應(yīng)力與實(shí)體應(yīng)力基本一致，需要在綜合考慮控制臂表面應(yīng)力的基礎(chǔ)上，精確計(jì)算出其應(yīng)力，避免后期出現(xiàn)控制臂應(yīng)力失真的現(xiàn)象。

表2 單元蒙皮的厚度對(duì)應(yīng)力結(jié)果的影響

2.4.2 優(yōu)化控制臂剛度計(jì)算

懸架零部件若出現(xiàn)彈性或者塑性變形，會(huì)影響車輛行駛安全性。因此對(duì)控制臂剛度設(shè)計(jì)過程中，除了考慮控制臂自身的強(qiáng)度外，還需要關(guān)注剛度的結(jié)果，只有其剛度滿足標(biāo)準(zhǔn)和要求，才會(huì)確保汽車能夠安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行[9-10]。零部件剛度滿足要求主要是指在實(shí)際運(yùn)行中，所發(fā)生的最大變形量和最小變形量均滿足構(gòu)建所要求的變形范圍。然而在實(shí)際的計(jì)算過程中，由于受汽車行駛工況復(fù)雜性的影響，控制臂受力情況也較為復(fù)雜沒法直接全過程的反映出來，所以需要在分析過程中針對(duì)經(jīng)常遇到的能反映實(shí)際行駛工況的典型特征路面進(jìn)行分析，即此時(shí)施加給控制臂的力和力矩能客觀代表一定特征工況下的受力情況。在控制臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，由于工程實(shí)現(xiàn)的考慮和車輛運(yùn)行穩(wěn)定性的要求，控制臂在X方向的剛度設(shè)置2KN以上，在Y方向的剛度設(shè)置在15KN以上。此外還需要根據(jù)控制臂的模型精確計(jì)算出在不同方向所產(chǎn)生的實(shí)際位移情況，從而計(jì)算出控制臂在各個(gè)方向?qū)?yīng)的剛度，通過慣性釋放法(通過施加慣性力來平衡合外力的方法，保證控制臂沒有剛體位移)，完成拓?fù)鋬?yōu)化，得到如下表3所示的計(jì)算結(jié)果。從表中的數(shù)據(jù)可以得到：基于本文提出的建模和分析方法，所得到的優(yōu)化控制臂剛度的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確有效，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 控制臂的三向剛度目標(biāo)值和計(jì)算值(KN/mm)

2.4.3 優(yōu)化控制臂模態(tài)計(jì)算

模態(tài)分析是當(dāng)前較為普遍的一種動(dòng)態(tài)分析方法，本文基于控制臂的結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性，在滿足動(dòng)態(tài)特性的相關(guān)要求的前提下，建立了響應(yīng)預(yù)測(cè)模態(tài)模型，同時(shí)根據(jù)控制臂實(shí)際的工況情況，在考慮與轉(zhuǎn)向節(jié)和副車架約束關(guān)系的情況下，優(yōu)化其動(dòng)態(tài)性能?？刂票鄣墓逃蓄l率大小對(duì)汽車懸架系統(tǒng)的運(yùn)行性能有直接的關(guān)系，因此在控制臂設(shè)計(jì)過程中需要將其固有頻率控制在800HZ以上避開車輛的其他頻率范圍，避免結(jié)構(gòu)共振的發(fā)生。同時(shí)，在約束條件下，所設(shè)置的固有頻率不得低于350HZ，當(dāng)下控制臂處于自由狀態(tài)下，其自身的固有頻率需要結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和控制，下圖4是控制臂在約束狀態(tài)和自由狀態(tài)下優(yōu)化前后的固有頻率對(duì)比情況，從表中可得：未優(yōu)化前控制臂在約束狀態(tài)下模態(tài)不滿足要求，優(yōu)化后均滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 控制臂在約束和自由狀態(tài)下的固有頻率(HZ)

3 結(jié) 論

基于慣性釋放法對(duì)汽車懸架控制臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從其強(qiáng)度、剛度、模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)針對(duì)優(yōu)化后的控制臂樣件開展相應(yīng)的臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明優(yōu)化結(jié)果滿足預(yù)期的優(yōu)化目標(biāo)和要求。因此本文所提出建模和優(yōu)化方法不僅可以在工程中提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平、縮短工程開發(fā)周期，還可以指導(dǎo)下一步的理論研究，為進(jìn)一步提高車輛的行駛和操控安全性提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。