基于CAD/CAE技術的汽車拖曳臂優化設計

文/蔡其剛·合肥工業大學機械與汽車工程學院 奇瑞汽車股份有限公司

基于CAD/CAE技術的汽車拖曳臂優化設計

文/蔡其剛·合肥工業大學機械與汽車工程學院 奇瑞汽車股份有限公司

在汽車懸架結構件優化的設計階段，為規避現產品結構的不足，常需要針對具體的問題點，在CAD軟件中對產品3D數據進行局部結構調整，并將其導入CAE分析軟件中進行仿真模擬、驗證；本文以某汽車拖曳臂為例，通過CAD三維數據設計、CAE仿真模擬，重點分析了拖曳臂本體的優化設計過程。

拖曳臂（Trailing arm），也稱縱臂，是汽車懸架系統中重要的安全件和功能件，在拖曳臂的優化設計過程中，其強度、剛度、疲勞耐久、模態及空間布置等要滿足整車要求。文中通過對比分析了優化前后兩種狀態的各項指標，證明了優化后的改進效果，同時，實車路試也驗證了這一結論。

某汽車拖曳臂的優化設計

優化前后結構概述

圖1 優化前拖曳臂結構

某汽車拖曳臂優化前結構如圖1所示，拖曳臂主體部分由上本體、下本體、彎形臂Ⅰ、彎形臂Ⅱ、加強板Ⅰ、加強板Ⅱ等6塊沖壓件焊合而成。零件數量多，制造加工繁瑣，沖壓焊接后累積公差大，尺寸精度難以保證，致使后輪參數調節困難。

優化后結構如圖2所示，拖曳臂主體部分由上本體及下本體2塊沖壓件焊合而成，大大減少了生產工序，焊接變形小，尺寸精度容易控制，同時結構強度、剛度、可靠性等各項性能指標均有大幅提升。

優化過程

在明確了解導致原產品結構缺陷產生的原因后，對拖曳臂本體結構進行了改進構想。原結構主體為6塊沖壓件焊合而成，沖壓回彈加上焊接變形累積后，尺寸精度難以保證；現構想簡化成上、下本體2塊沖壓件焊合而成，并通過CATIA三維軟件將該構想數字化，如圖3、圖4所示。

圖2 優化后拖曳臂結構

圖3 優化前拖曳臂主體結構

圖4 優化后拖曳臂主體結構

■ 表1 拖曳臂材料力學性能參數

■ 表2 優化前后靜強度對比分析 （單位：MPa）

3D數據完成后，需要分析零件的沖壓成形性，總成的強度、剛度、疲勞耐久、模態及空間布置等。CAE分析為CAD數據修正提供了指導方向，這是一個反復交替的過程，詳細細節本文從略。

拖曳臂上本體材料為SAPH440，厚度為3．5mm；拖曳臂下本體材料為SAPH440，厚度為3．0mm。材料力學性能參數見表1。判別零件成形性的依據為FLC曲線，分析結果顯示，上、下本體的料厚變化率基本在±20%范圍內，成形性滿足要求。如圖5所示。

優化結果

重建的CAD模型必須要經過CAE分析、軟模件DV臺架驗證及工裝件路試驗證等方可正式凍結。將優化后的模型結構及CAE結果與原結構進行對比，顯示優化后拖曳臂主體沖壓件由原來的6件減少為2件，重量減輕0．17kg，成本降低1元。優化前后靜強度對比、靜剛度對比、模態對比結果如下。

靜強度對比

靜強度分析主要考查垂跳、制動、起動、倒車、轉向等5個標準工況。分析結果見表2。

很顯然，從表2可以看出，優化前，在垂跳、轉向等兩個工況的最大應力均超出了材料的屈服強度（350．1MPa）；而優化后，5個標準工況的最大應力均小于材料的屈服強度。

靜剛度對比

靜剛度分析主要考查上/下擺臂連接支架、減振器連接支架及車身連接點等部位的操穩響應特性。分析結果見表3。

由表3可見，除上擺臂連接支架Y向，減振器連接支架Z向剛度略有降低外，其余各剛度值均有提高，且更加接近目標值。

模態對比

模態分析主要考查拖曳臂對整車NVH的貢獻。分析結果見表4。

從表4可以看出，優化后各連接支架的局部模態出現的頻率或階數均有不同程度改善，各階頻率滿足設計要求。

■ 表3 優化前后靜剛度對比分析 （單位：N/mm）

■ 表4 優化前、后自由模態對比分析

圖5 優化后拖曳臂上、下本體成形性分析

結束語

本文以某汽車拖曳臂產品的結構優化為例，通過分析產生現產品結構缺陷的主要原因，并提出改進構想，然后通過CAD數據重建，最后通過CAE分析，指導并修正3D數據，最終實現了產品的結構優化，并得到了工程實際的驗證，規避了原產品結構的缺陷。該方法能夠有效減少臺架及實車驗證的周期及成本。

蔡其剛，工程師，主要從事汽車懸架結構件設計開發工作，曾參與乘用車副車架、控制臂、球頭銷及襯套等產品工程開發。