基于穩健性的乘用車前下控制臂設計優化

陰雪蓮

(上海匯眾汽車制造有限公司 技術中心，上海 200122)

基于穩健性的乘用車前下控制臂設計優化

陰雪蓮

(上海匯眾汽車制造有限公司 技術中心，上海 200122)

本文對汽車前下控制臂的屈曲強度進行CAE分析及試驗驗證，并基于失效模式進行設計評審(DRBFM)，發現球頭球心相對于控制臂本體的垂向位置對屈曲變形的失效模式較為敏感。基于QFD和田口方法，通過設計優化，使產品性能足夠抵抗制造公差的干擾，按照功能要求實現一種穩健的失效模式，并完成有效性試驗驗證。通過應用六西格瑪設計理念，實現產品質量的先期策劃。

前下控制臂；球頭球心；優化設計；穩健性；屈曲變形；失效模式

在汽車底盤結構中，控制臂作為懸架系統的受力、導向和傳力零件，需滿足以下功能要求：使懸架系統在路面的沖擊下處于彈跳和回彈狀態；將車輪傳遞過來的縱向力與橫向力通過橡膠襯套傳遞給副車架；通過對轉向節的定位來影響底盤調校[1]。控制臂對汽車行駛的安全性影響非常大，在設計開發階段必須保證設計的可靠和穩健[2-3]。

本文針對某款車的前下控制臂，在設計驗證過程中對零件的失效模式進行分析論證，找出造成該種失效模式的根本原因(root cause)，并分析這種失效模式對駕駛安全性的影響。將質量功能展開(quality function deployment) 和 田 口(Taguchi method)方法應用到該產品的開發過程中[4-5]，通過設計優化，提升產品設計質量，從而使產品能夠滿足顧客期望、工藝難度低、質量好，并且有創新力。

本文提出的設計優化方法，可作為一種通用方法，指導后續相關產品開發。

1 前下控制臂屈曲CAE分析

汽車前下控制臂在汽車行駛過程中承受車輪傳遞過來的橫向力和縱向力，在設計開發早期通過整車受力分析，計算出不同行駛工況下，控制臂各硬點(球頭球心，前后襯套中心)的受力狀況。在控制臂產品開發過程中，會依據整車分析中球頭球心受力狀況，提取出橫向和縱向受力最大值，以此作為控制臂屈曲分析的目標值。在零部件級別的CAE分析中，計算出控制臂在橫向和縱向能夠承受的最大力，與目標值進行對比，以此判斷控制臂在整車行駛中能否承受極限載荷[6]。

控制臂總成由控制臂本體、球頭和前后襯套組成，如圖1所示。球頭和襯套的結構強度會在子總成開發過程中進行校核計算。因此，在控制臂總成開發過程中，主要是考量控制臂本體的結構強度。

圖1 控制臂總成

在CAE建模時，可以對控制臂總成結構進行適當簡化[7-8]，其建模方法如圖2所示。控制臂本體的沖壓件，用殼單元中的四邊形或三角形進行網格劃分。球頭簡化為剛體單元RBE2并約束豎直方向位移，球心作為剛體單元的主節點，外部載荷直接施加于球心上。襯套簡化為剛體單元RBE3，與接地彈簧單元進行連接，從而實現邊界約束。接地彈簧單元的各向剛度系數參考襯套的各向剛度，以此來模擬襯套結構。對于屈曲分析，分別對球心施加橫向(Y向)和縱向(X向)位移，計算結構在失穩前能承受的最大力。

圖2 屈曲CAE建模方法

2 前下控制臂屈曲臺架試驗

CAE分析在產品前期開發過程中可以縮短開發周期，后續需要通過物理試驗進行設計確認。物理試驗的目的是驗證CAE分析結果，因此需要最大程度地復現CAE的加載條件和邊界條件。

控制臂的屈曲臺架試驗搭建如圖3所示。在臺架夾具設計階段，對夾具自身結構進行了剛度校核，前后襯套約束點的剛度均達到10e6N/mm以上，可以認為是剛性約束，試驗時通過螺栓將襯套內套筒緊固在夾頭上。在球頭側，將一與球頭桿形狀一致的球頭套箍緊固在球頭上，助動頭通過球頭套箍對球頭施加水平力。球頭套箍上方連接一根剛性棒，剛性棒上端進行平動約束，使下端只能繞著約束點轉動，因剛性棒足夠長(約1m)，可以認為下端在豎直方向無法產生位移，從而限制了球頭套箍在豎直方向的位移，實現對球心豎直位移的約束。

圖3 屈曲臺架試驗

3 基于失效模式的設計評審(DRBFM)

3.1 首輪CAE與試驗結果對比

以上CAE分析和臺架試驗目的是在設計開發階段能夠分析驗證子系統的承載能力，使控制臂總成滿足設計要求，在整車行駛中可以承受極限大載荷工況。

對于本項目，通過分析整車的極限載荷數據，控制臂總成縱向屈曲力的目標值為18.8kN。在設計優化階段，通過對沖片形狀的調整，CAE結果顯示該總成可以承受19.5kN的縱向力。在進行臺架試驗驗證時，實際零件的屈曲力可以達到22kN左右(幾個試驗件間有少許差異)。在CAE分析階段，為增加設計的可靠度，材料曲線按照材料標準的最低值進行設置，且分析時沒有考慮材料沖壓過程中的加工硬化作用，實際試驗結果高于CAE結果符合正常預期。臺架試驗結果和CAE結果對比如圖4所示。

圖4 屈曲力臺架結果和CAE結果

在對比屈曲力試驗和CAE結果的同時，對失效模式也進行了分析。在試驗結果中，屈曲失效發生在控制臂本體靠近球頭的位置，控制臂本體順著力的方向發生反轉，導致球頭桿從球頭座中脫出，如圖5a所示。在CAE結果中，結構屈曲失效發生在球頭和前襯套的中間位置，失效時控制臂不會順著加載力的方向發生翻轉，即球頭桿不會從球頭座中脫出，失效時僅球頭硬點位置發生偏離，如圖5b所示。此種失效模式，是讓駕駛者無危險的情況下感受到零件失效，CAE中的失效模式是客戶需要的失效模式。

圖5 屈曲失效模式臺架結果和CAE結果

3.2 基于失效模式的設計評審及分析

對于屈曲失效模式，試驗結果與CAE結果出現差異，并且試驗結果不是我們期望得到的失效模式。因此，我們需要對試驗過程和失效模式進行評審及分析。

試驗分析的前提是輸入條件符合要求，這其中包括試驗零件尺寸、試驗零件材料、臺架搭建與CAE分析模型的吻合度。在試驗開始前期我們做了一定的準備工作。首先對于試驗零件尺寸，在試驗前通過對沖片散件進行藍光掃瞄，對總成硬點坐標進行三坐標測量，試驗零件的尺寸均在圖紙要求的公差范圍內。對于控制臂本體材料，進行了材料機械性能測試，實際使用的材料符合材料標準。對于襯套剛度，在CAE分析時也用供應商提供的實測值代替了之前的目標值。對于臺架的搭建，襯套夾持點和球頭夾持點的位置均參照CAE分析模型的位置，并在搭建后用三坐標進行位置標定確認，誤差在允許的范圍內。基于以上試驗條件，認為試驗結果可信，可以依據試驗結果進行設計評審。

在控制臂設計優化時，我們發現球頭球心的豎直位置與控制臂本體截面剪切中心的相對位置，直接影響控制臂的抗彎能力，即屈曲強度。需要盡力將球頭球心與控制臂本體截面剪切中心置于同一平面，以此獲得最大的屈曲強度，此時控制臂球頭端不發生扭轉變形，如圖6a所示。當球心位置向上或者向下偏移即使1mm，屈曲強度會有所下降，并且球頭端會發生扭轉：球心向上偏移，球頭端向上翻轉，易導致球頭順著力的方向脫出，如圖6b所示；球心向下偏移，屈曲變形位置發生在球頭和前襯套中間的控制臂本體位置，球頭端不會發生翻轉，球頭脫出風險較低，如圖6c所示。

通過以上分析，對試驗零件尺寸再次進行尺寸檢測，發現球頭球心位置確實存在系統偏差，即球心位置相對于沖片位置偏上約0.5mm～1mm，如圖7所示。造成這一偏差的原因，經排查為壓裝夾具的尺寸誤差所導致。

3.3 調整過的試驗驗證

為驗證球心向上位置偏差是否為導致球頭脫出的根本原因，重新制備了試驗零件，在壓裝時將球頭球心壓裝到設計位置偏下的區域，壓裝后的零件如8所示。試驗后發現控制臂的變形模式與CAE結果吻合良好，屈曲發生在控制臂本體中間位置，球頭沒有脫出，并且由于變形位置的變化，試驗屈曲力提高到24.8kN。試驗結果如圖9所示。通過再次試驗，驗證了之前失效模式與CAE結果不一致的根本原因，即是球心位置的向上偏差引起。

圖6 球心位置對屈曲強度和失效模式的影響

圖7 球頭球心位置偏差

圖8 校正過的球頭球心位置

圖9 球心位置調整過的試驗結果

3.4 設計優化

通過上述分析和驗證，找出了試驗中球頭脫出的根本原因。在控制臂實際制造過程中，球頭1mm左右的向上偏差在公差允許范圍內，正常加工工藝很難避免。按照DFSS的田口方法，需要設計出對這種噪聲因子不敏感的產品，即實現一種穩定的設計，避免球心向上偏差導致的不合理失效模式。為此，在產品設計上將控制臂本體(沖片)相對于球頭球心向上偏移1.5mm，如圖10所示。這種預校正方式，即使球頭球心在加工過程中有向上1.5mm的位置偏差，也能將球心相對于沖片的位置控制在一個合理的范圍內，達到一種穩定的失效模式，即球心只發生位置偏移，沖片不發生翻轉，從而防止球頭在屈曲失效時從球座中脫出。

圖10 控制臂優化方案

4 結論

對基于控制臂屈曲試驗的失效模式進行設計評審，找到導致不合理的失效模式的根本原因，即球心位置的向上偏差導致屈曲失效時，球頭脫出。糾正了球心位置偏差后，再次進行試驗，試驗結果的失效模式達到預期，證明這一結論的正確性。

為使該控制臂按客戶要求實現一種低風險且穩健的失效模式，按照田口方法對設計進行了優化，排除了零部件加工過程中噪聲因素對產品質量的影響，使控制臂的設計更加穩健，符合產品質量先期策劃這一設計開發理念。

[1] 周長城.車輛懸架設計及理論[M].北京：北京大學出版社，2011：186-192.

[2] 王彥杰.汽車設計質量檢驗方法的研究[J].工業設計，2016，(3)：120-125.

[3] 李 彥.產品創新設計理論及方法[M].北京：科學出版社，2O12.

[4] 張振宇，孫麗麗.設計開發"內建質量"模型的運用和建立[J].上海質量，2013，(1)：48-52.

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[6] 張繼宏，王文志.車輛控制臂優化設計[J].公路與汽運，2016，(2)：7-10.

[7]Murali M.R.Krishna，Aaron Stange.Topology and Classical Shape Optimization of a Lower Control Arm- a Case Study.ASME 2006 International Design Engineering Technical Conferences&Computers and Information in Engineering Conference.September 10-13，2006.

[8] 石廣豐，高 韜.基于ABAQUS的某汽車懸架控制臂仿真模態分析[J].長春理工大學學報：自然科學版，2013，36(6)：75-77.

Design optimization of front lower control arm for passenger car on the basis of robustness

YIN Xuelian
(R&D Center,Shanghai Huizhong Automotive Manufacturing Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China)

CAE analysis and test verification have been performed to buckling strength of the automobile front lower control arm.The DRBFM has been conducted on the basis of failure mode.It is found out that the vertical position of ball joint center relative to control arm body is sensitive to the buckling failure mode.The design has been optimized to minimize the effect of manufacture tolerance to achieve an expected and robust failure mode as per functional demands on the basis of QFD and Taguchi method.The effectiveness has been tested and verified.The advanced planning of product quality has been performed by applying the DFSS.

Front lower control arm;Ball joint center;Buckling deformation;Failure mode;Robustness

TP391.7

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.022

1672-0121(2017)05-0073-04

2017-05-04；

2017-06-15

陰雪蓮(1979-)，女，碩士，工程師，從事汽車零部件設計開發。E-mail：yinxuelian@shac.com.cn