全地形越野車懸架后擺臂結(jié)構(gòu)設(shè)計與力學(xué)仿真驗證

摘要：全地形越野車行駛工況極其復(fù)雜，懸架為底盤的主要部件，后擺臂為輪邊系統(tǒng)與車體系統(tǒng)重要的連接部件，后擺臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定懸架系統(tǒng)的穩(wěn)定性。基于此，以某款全地形越野車懸架系統(tǒng)為研究對象，運(yùn)用三維軟件對后擺臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并分析后擺臂的使用工況，運(yùn)用有限元分析擺臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，驗證該設(shè)計是否滿足復(fù)雜工況的使用要求，以保證該款越野車后擺臂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全。

關(guān)鍵詞：全地形越野車；后擺臂；靜力學(xué)分析

中圖分類號：U462 收稿日期：2023-08-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.009

1 前言

隨著人們生活水平的提高，人們對于汽車越野體驗的要求也在不斷提高。作為汽車底盤的重要組成部件，懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接決定著整車操縱穩(wěn)定性和平順性，在車輛設(shè)計開發(fā)中起著非常重要的作用［1］。后擺臂作為懸架的主要受力部件，既兼顧著輪邊系統(tǒng)與車體總成的連接，又需要承受來自車體的重量，因此其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在懸架設(shè)計中就顯得非常重要。

根據(jù)某款全地形越野車的設(shè)計要求，本文對后擺臂主要部件進(jìn)行三維建模與靜力學(xué)分析，驗證該設(shè)計是否滿足復(fù)雜工況的使用要求，以保證該款越野車后擺臂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全。

2 汽車懸架系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

由于懸架的性能直接影響整車舒適性與安全性，近年來國內(nèi)外眾多學(xué)者對其進(jìn)行了較為細(xì)致的研究。例如國外學(xué)者道格拉斯等，就懸架與車輛的其它部件之間的相互影響進(jìn)行深入研究；美國的Olley等學(xué)者在20世紀(jì)30年代就開始對獨(dú)立懸架的研究，通過數(shù)值分析推導(dǎo)得出車輛懸架系統(tǒng)的微分方程，在時域的基礎(chǔ)上對線性化汽車模型進(jìn)行頻率響應(yīng)分析［2］。通用公司為了解決懸架減震特性，提出了主動懸架的構(gòu)思，隨后有部分學(xué)者驗證了通用公司的構(gòu)思確實可以提高懸架的性能。由此可見，國外學(xué)者以及企業(yè)對于懸架的研究做了大量工作和深入研究。

我國對懸架的研究相比國外研究則起步較晚，絕大多數(shù)研究成果集中在高校及科研單位，且研究成果的水平依舊停留在理論研究與初步試驗階段。上海交通大學(xué)等為代表的科研院所在懸架方面開展了深入的研究，并取得了一些成果［3］。東風(fēng)研究院以及國內(nèi)眾多學(xué)者分別從獨(dú)立懸架、整車虛擬樣機(jī)和動態(tài)模擬等方面也進(jìn)行了深入的研究。

綜上分析，國內(nèi)外學(xué)者對于懸架研究的深入，極大地推動了汽車往前發(fā)展，空氣懸架、半主動懸架、可變懸架等應(yīng)運(yùn)而生，懸架其他部件的創(chuàng)新設(shè)計也不斷地達(dá)到新的高度。

3 全地形越野車后擺臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 懸架后擺臂性能要求

懸架后擺臂是輪邊系統(tǒng)與車體總成的主要連接部件，為了使其結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足復(fù)雜的工況，必須使其性能要求滿足如下幾點：

a.懸架后擺臂應(yīng)具有足夠的安全性、穩(wěn)定性。

b.懸架后擺臂跳動時應(yīng)不與其他部件干涉，具有可獨(dú)立運(yùn)動特性。

c.懸架后擺臂應(yīng)具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，懸架系統(tǒng)可以適應(yīng)復(fù)雜多變的地形。

d.懸架后擺臂應(yīng)具有足夠的剛度，在避震器受力沖擊時不容易彎曲變形。

e.懸架后擺臂結(jié)構(gòu)應(yīng)合理設(shè)計，要進(jìn)行輕量化設(shè)計。

3.2 懸架后擺臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)后擺臂設(shè)計的性能要求，懸架后擺臂設(shè)計包含三個部分：a.與車體總成連接，該部分采用魚眼桿端軸承配合車體的吊耳進(jìn)行連接，此處關(guān)節(jié)可上下、左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使用雙螺母的鎖定方式進(jìn)行防松設(shè)計；b.后擺臂尾端使用雙結(jié)構(gòu)固定的方式，該部分直接與懸架輪邊系統(tǒng)的立柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)固定連接，其本身不可活動，橫臂的跳動隨著立柱的主銷傾角隨之變化；c.后擺臂避震器連接部分，該部分采用吊耳連接式設(shè)計，根據(jù)懸架設(shè)計的參數(shù)，確定懸架的硬點，從而確定避震器與后擺臂的連接位置。運(yùn)用三維設(shè)計的三維模型如圖1所示。

為了使后擺臂獲得足夠的強(qiáng)度剛度，同時兼顧考慮后擺臂的輕量化設(shè)計，減輕整車重量以及簧下質(zhì)量，滿足復(fù)雜工況的需求，選擇鋁材作為后擺臂材料。根據(jù)某款越野車提供的懸架硬點設(shè)計參數(shù)，該位置設(shè)計與避震器匹配安裝的吊耳，并且對該位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處理，安裝有避震器的總裝如圖2所示。

4 懸架后擺臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

4.1 ANSYS有限元分析

ANSYS是一款有限元分析軟件，在很多領(lǐng)域中都使用該軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、流體力學(xué)分析等。有限元法求解是將一個復(fù)雜的實體經(jīng)過離散化，形成有限個細(xì)小的單元，對各個單元進(jìn)行分析的辦法，即對模型細(xì)化然后進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算的過程［4］。有限元分析方法一般包含前處理和后處理兩個部分組成，前處理主要包括有限元幾何模型的建立、網(wǎng)格劃分、邊界約束以及載荷處理等步驟，后處理主要包含求解各類應(yīng)力、應(yīng)變云圖的查看與分析。

全地形越野車行駛的工況較為復(fù)雜，為了能夠使設(shè)計的懸架后擺臂滿足各個工況的要求，需要對后擺臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行設(shè)計驗證，此處我們使用ANSYS有限元仿真分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)驗證。

4.2 后擺臂有限元模型

有限元模型的建立通常有兩種形式，一種是在ANSYS中的DM直接建立模型，另一種是在三維設(shè)計軟件中設(shè)計并按照分析的要求處理好后導(dǎo)入有限元分析軟件中。ANSYS建模功能不是很強(qiáng)大，所以想要創(chuàng)建一個復(fù)雜的模型比較困難［5］。該軟件主要以分析為主，而三維軟件則主要是設(shè)計為主，在DM中設(shè)計有限元模型比較麻煩，因此本文使用三維設(shè)計軟件SolidWorks對后擺臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后轉(zhuǎn)換成step格式并導(dǎo)入ANSYS中，如圖3所示，導(dǎo)入模型后觀察模型是否存在模型損壞、點線面重合或者離散等現(xiàn)象，如果存在則進(jìn)一步處理模型。

4.3 后擺臂前處理

本文采用ANSYS 2020R2版本的有限元分析軟件，使用Workbench中的Static Structural靜力學(xué)分析模塊，將模型導(dǎo)入軟件中，然后需要對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、定義材料屬性以及載荷處理。由于后擺臂屬于較為方正的實體，沒有曲面構(gòu)造，因此不需要對模型進(jìn)一步處理。

將模型導(dǎo)入后，對模型定義材料屬性，此處選擇7075-T6作為后擺臂材料，點擊Engineering Data 定義材料屬性，相關(guān)材料屬性如表1所示。在分析中，網(wǎng)格的數(shù)量直接影響計算結(jié)果的精準(zhǔn)度，網(wǎng)格劃分得越細(xì)，分析結(jié)果就越精準(zhǔn)，但考慮到分析設(shè)備以及越野車的使用工況，綜合考慮本次后擺臂的網(wǎng)格劃分將控制在中等網(wǎng)格數(shù)量，首先使用幾何體尺寸控制，設(shè)置單元尺寸為10 mm，因考慮到后擺臂與其他部件接觸，在連接件部分使用加密處理，使分析更加準(zhǔn)確。劃分好的網(wǎng)格如圖4所示。根據(jù)網(wǎng)格結(jié)果顯示，后擺臂總共有77 043個節(jié)點，45 581個單元。網(wǎng)格總體質(zhì)量分布均勻，網(wǎng)格質(zhì)量較好，滿足后續(xù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的要求。

4.4 后擺臂強(qiáng)度分析

后擺臂的強(qiáng)度分析是基于線性結(jié)構(gòu)力學(xué)下進(jìn)行的響應(yīng)分析，利用求解場的數(shù)值模擬，將復(fù)雜的仿真實體進(jìn)行有限單元物體的離散化，因此對此處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析將采用此方法，相關(guān)理論計算公式如下：

[MUt+CUt+KUt=Ft] （1）

式中，[M]為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣;[C]為阻尼矩陣;[K]為剛度矩陣;[Ut]為位移矢量;[Ut]為速度矢量;[Ut]為加速度矢量;[Ft]為總載荷矢量。

越野車的后擺臂所承受的載荷主要來自避震器、車體和輪邊系統(tǒng)。本文在后擺臂分析時，為了更真實地模擬懸架系統(tǒng)的受力工況，全地形越野車都用高強(qiáng)度工況形式，所以需要乘以動載系數(shù)，因為是全地形越野車，因此采用動載系數(shù)為4，這樣載荷施加才更加精準(zhǔn)。后擺臂與輪邊系統(tǒng)連接端采用固定約束的方式，與車體總成連接端也采用固定的方式連接，避震器處則采用基本載荷乘以動載系數(shù)，按照整車滿載重量以及前后載荷分配比計算。根據(jù)某款越野車的設(shè)計數(shù)據(jù)，最終施加在后擺臂避震器點上的力F為8 000 N，慣性力施加為標(biāo)準(zhǔn)地球重力，將與車體連接的孔以及輪邊系統(tǒng)連接的孔進(jìn)行固定約束。由施加的載荷和約束，可以分析求解得出后擺臂的位移云圖、應(yīng)力云圖以及應(yīng)力安全系數(shù)分別如圖5、圖6、圖7所示。

由以上云圖分析可知：越野車的后擺臂最大變形量為0.317 mm，最大變形發(fā)生在后擺臂與避震器連接的吊耳上；最大等效應(yīng)力值為52.241 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在避震器吊耳位置，但遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度455 MPa，在安全范圍之內(nèi)；應(yīng)力安全系數(shù)為8.6267。以上三個數(shù)據(jù)表明，該款越野車設(shè)計的后擺臂滿足各個工況下使用，各項指數(shù)均在安全范圍之內(nèi)，可以保證懸架系統(tǒng)正常使用。

5 結(jié)語

本文對某款越野車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進(jìn)行了驗證，可以得出，后擺臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足設(shè)計要求，滿足后擺臂的性能要求，符合越野車在復(fù)雜的工況下行駛。通過本次結(jié)構(gòu)設(shè)計與力學(xué)驗證，保證了該款越野車懸架后擺臂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全。

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作者簡介：

陳桁烽，男，1985年生，工程師，研究方向為汽車技術(shù)。