誤用工況下某新能源車型前懸架下控制臂的屈曲分析及優(yōu)化

摘 要：前懸架下擺臂設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中至關(guān)重要的是基于誤用工況下的屈曲分析。當(dāng)車輛遭遇劇烈制動(dòng)通過凹坑或過坎的非常規(guī)路況時(shí)，前下擺臂會(huì)承受超出過大的載荷，從而引發(fā)屈曲問題。文章針對(duì)某款新能源車型單板前下控制臂進(jìn)行了有限元分析及優(yōu)化，確保產(chǎn)品在承受極限負(fù)荷時(shí)，仍有足夠的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象，進(jìn)而提高車輛的安全性和耐用性。同時(shí)，此次分析優(yōu)化過程也為后續(xù)單板控制臂方案屈曲提升提供了參考思路。

關(guān)鍵詞：誤用工況 新能源車型 前下控制臂 屈曲分析

0 引言

前懸架系統(tǒng)在汽車中發(fā)揮著多重作用：高效吸收并緩沖路面帶來的沖擊與振動(dòng)；承受并傳遞車輪與副車架或車身之間的各種力與力矩；維持車輪在既定角度內(nèi)活動(dòng)。故而，前懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)整車的舒適性、操控性及安全性能影響重大[1-2]。

前懸架下控制臂作為連接副車架與輪端轉(zhuǎn)向節(jié)的關(guān)鍵零部件，其負(fù)責(zé)將作用于車輪的各類力有效傳遞至車身，確保車輪依預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動(dòng)，支撐車身重量，并與減震器和彈簧協(xié)同工作，為車輛提供穩(wěn)定性與行駛平順性。同時(shí)，下控制臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于維持車輛正確的車輪定位，對(duì)行車穩(wěn)定性意義非凡。一旦前下控制臂出現(xiàn)故障或失效，將直接影響車輛的車輪定位，降低行車安全[3]。

本文就誤用工況下前下控制臂產(chǎn)生屈曲變形的問題展開分析與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能提升，從而提高車輛行駛安全性。

1 前下控制臂開發(fā)流程

通過分析及驗(yàn)證結(jié)果表明，車輛誤用工況對(duì)零部件強(qiáng)度要求頗為嚴(yán)格，其中制動(dòng)過坑工況（BIP）及側(cè)向撞坎工況（SAC）是控制臂使用過程中的惡劣工況，此時(shí)控制臂會(huì)承受超出常規(guī)工況的 X 向及Y向沖擊載荷。因此，本文基于某新能源車型針對(duì)這兩個(gè)工況進(jìn)行控制臂的 X/Y 向屈曲分析及優(yōu)化[4]。

首先，繪制初版數(shù)據(jù)，然后根據(jù)提取的載荷信息鎖定X向及Y向屈曲分析目標(biāo)值，開展首輪CAE分析。通過提取的PT6點(diǎn)X/Y向的最大載荷，確定X向屈曲目標(biāo)值不小于31kN，Y向屈曲目標(biāo)值不小于49kN。具體分析及優(yōu)化過程如下：

2 前下控制臂CAE分析及優(yōu)化

2.1 構(gòu)建約束并施加位移

約束條件：PT6約束Z方向平動(dòng)自由度，3；PT3約束Y和Z個(gè)方向平動(dòng)自由度，PT4約束X、Y和Z方向平動(dòng)自由度。

載荷：在球銷點(diǎn)施加X/Y向強(qiáng)制位移直至零件發(fā)生屈曲，從而獲取結(jié)構(gòu)在失穩(wěn)前的最大屈曲力值并明確風(fēng)險(xiǎn)位置[5-6]。

2.2 初始數(shù)據(jù)方案繪制

依照當(dāng)前的布置空間及硬點(diǎn)要求，初始方案設(shè)計(jì)為單板前下控制臂總成，選用高強(qiáng)鋼FB780作為材料。

2.3 進(jìn)行初版數(shù)據(jù)屈曲分析

依據(jù)上述約束方式進(jìn)行約束后，對(duì)前下控制臂總成開展X/Y向屈曲分析。分析結(jié)果表明：

由相關(guān)圖示可看出，初始控制臂方案在載荷為24.23kN時(shí)會(huì)發(fā)生X向屈曲，產(chǎn)生塑性變形，不滿足當(dāng)前設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，Y向屈曲能夠滿足。因此，需要對(duì)擺臂進(jìn)行優(yōu)化，重點(diǎn)提升X向受力時(shí)的強(qiáng)度。

2.4 前下擺臂方案優(yōu)化

擺臂的優(yōu)化可從材料、厚度、結(jié)構(gòu)、尺寸等多方面著手，但需綜合考慮懸架的布置空間、整車重量以及成本等諸多因素，選擇性價(jià)比最優(yōu)的方案。

首先，確保當(dāng)前方案的邊界條件不變，以避免對(duì)周邊零件產(chǎn)生影響。其次，鑒于零件成本及模具費(fèi)用較高，擺臂總成繼續(xù)以單板狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，避免過多增加組件及模具。最后零件材料不作調(diào)整，僅從結(jié)構(gòu)方面針對(duì)屈曲薄弱點(diǎn)來利用拓?fù)鋬?yōu)化方式針對(duì)性的進(jìn)行優(yōu)化更改[7]。

根據(jù)上文圖示可知，X 向屈曲點(diǎn)出現(xiàn)在外側(cè)本體與球銷座連接位置附近，此位置并非擺臂屈曲的理想發(fā)生區(qū)域。出于安全性考慮，建議屈曲發(fā)生區(qū)域如某圖中圓圈所示位置。因此，將屈曲提升考慮為提升本體厚度，此方向需考量沖壓的可行性。調(diào)整截面形狀，具體情況如圖所示。通過多次調(diào)整優(yōu)化分析，針對(duì)該控制臂結(jié)構(gòu)，加寬截面筋的寬度，降低界面筋高度并對(duì)局部細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整后，可實(shí)現(xiàn)擺臂X向屈曲提升。優(yōu)化前后對(duì)比情況如下圖所示。

優(yōu)化后擺臂的X向屈曲云圖及曲線、Y向屈曲云圖及曲線分別如圖所示。從圖中能夠看出，優(yōu)化后的控制臂分析結(jié)果中X向及Y向屈曲力值均滿足設(shè)計(jì)要求，疲勞耐久及強(qiáng)度分析也均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)新能源車型載荷譜的提取，結(jié)合誤用工況的使用場(chǎng)景，對(duì)前下控制臂總成進(jìn)行屈曲分析及優(yōu)化，提高產(chǎn)品安全系數(shù)，在一定程度上規(guī)避產(chǎn)品在特殊路況下失效的風(fēng)險(xiǎn)，得出以下結(jié)論。

當(dāng)下新能源車型的軸荷相較于傳統(tǒng)車型有較大幅度增加，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中可充分利用拓?fù)鋬?yōu)化方式。

單板前下控制臂的屈曲值較難達(dá)到較高水平，針對(duì)此控制臂的硬點(diǎn)及空間布置，通過多次優(yōu)化分析認(rèn)為，增加筋的截面寬度、降低筋的界面高度、抬高中心下沉的尺寸使其接近硬點(diǎn)平面，同時(shí)優(yōu)化其他細(xì)節(jié)，以上措施均可實(shí)現(xiàn)X向屈曲值的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋沖沖.雙橫臂獨(dú)立懸架的虛擬設(shè)計(jì)與仿真分析研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2015.

[2]閔海濤，王建華.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2021：202-244.

[3]趙娟，付志輝.前下控制臂總成常見失效模式探析[J].中國(guó)科技縱橫，2015：49-50，52.

[4]廖美穎，王小莉.汽車懸架誤用工況下前下擺臂屈曲分析與優(yōu)化[J].汽車零部件，2020（03）：5-8.

[5]陰雪蓮.基于穩(wěn)健性的乘用車前下控制臂設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2017，52（5）：73-76.

[6]徐榮峰，李獻(xiàn)菁，張志遠(yuǎn)，等.某營(yíng)運(yùn)新能源車誤用工況前懸架下擺臂的屈曲分優(yōu)化及驗(yàn)證[J].汽車零部件，2023（04）：57-60.

[7]嚴(yán)君，楊世文，盧建志.某越野車懸架下擺臂的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)[J].河北農(nóng)機(jī)，2011（5）：58-61，72.