汽車懸架優(yōu)化綜述

鄭迎華

摘 要：本文針對含有球鉸和襯套的汽車懸架控制臂優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析綜述，確定了控制臂優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。根據(jù)分析，在采用了基于拓?fù)鋵W(xué)知識的綜合框架優(yōu)化技術(shù)的懸架控制臂設(shè)計(jì)后，使控制臂的優(yōu)化方向更為準(zhǔn)確、工況載荷計(jì)算更加精確。采用該設(shè)計(jì)思路可以保障汽車行駛的安全性，從而提高駕駛者的行駛質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：汽車懸架;控制臂;優(yōu)化;參數(shù)

中圖分類號：U463.33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）07-0139-03

Abstract： This paper summarized the optimum design of automobile suspension control arm with spherical hinges and bushes，determined the optimal design model of the control arm. According to the analysis， after the design of the suspension control arm based on the comprehensive framework optimization technology based on the knowledge of topology， the optimization direction of the control arm was more accurate and the load calculation was more accurate. This idea can ensure the safety of driving and provide better driving quality for drivers.

Keywords： automobile suspension; control arm; optimization; parameter

控制臂作為汽車懸架系統(tǒng)中的一個十分重要的安全性與功能性部件，設(shè)計(jì)要求十分嚴(yán)格?？刂票鄣膮?shù)對汽車行駛安全與操控舒適度具有十分重要的作用。要滿足上述要求，控制臂自身的物理參數(shù)包括強(qiáng)度、剛度等需要精確設(shè)計(jì)及優(yōu)化?？刂票弁ㄟ^物理連接機(jī)制與汽車車身連接，輪轂端通過球鉸與輪轂相連接，車架端通過球鉸與橡膠襯套與車架連接。在分析控制臂參數(shù)設(shè)計(jì)與性能的基礎(chǔ)上，球鉸和襯套對控制臂的影響還應(yīng)該考慮相關(guān)參數(shù)的應(yīng)用條件。Demirdogen C等人[1]在研究控制臂輕量化設(shè)計(jì)的模型構(gòu)建過程中并沒有考慮連接在控制臂上的球鉸和襯套，而是以其連接面作為分析界限，這樣的設(shè)計(jì)并不能真實(shí)反映實(shí)際中增加的有效載荷，不能為駕駛者提供更好的行駛質(zhì)量。Xintian L等人[2]的研究表明，不同維度的橡膠襯套的參數(shù)對懸架的影響也不盡相同，橡膠襯套的軸向剛度及扭轉(zhuǎn)剛度對懸架性能影響不顯著，而橡膠襯套的徑向剛度則對懸架性能影響較大。

本文在論述控制臂優(yōu)化設(shè)計(jì)時，充分考慮了實(shí)際作用在控制臂上的工況載荷，包含了球鉸和襯套的綜合系統(tǒng)在受外力作用下產(chǎn)生的位移情況，較之前的設(shè)計(jì)偏大。經(jīng)過對比分析該綜合系統(tǒng)與不包含球鉸和襯套的模型在優(yōu)化與計(jì)算上的差異性可以看出，本文的綜合模型更加符合實(shí)際的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 控制臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 確定可承受載荷

考慮到汽車行駛工況復(fù)雜化、多樣化的實(shí)際情況，企業(yè)對汽車進(jìn)行動力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析測試時應(yīng)考慮并計(jì)算不同工況下控制臂連接兩端的球鉸和輪轂受到的作用力，如表1所示。表1的工況和載荷數(shù)據(jù)的大小來源于汽車主機(jī)廠對懸架控制臂優(yōu)化方案的輸入數(shù)據(jù)。對此數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性、科學(xué)性分析可得，采用基于拓?fù)鋬?yōu)化的方法進(jìn)行計(jì)算載荷工況的數(shù)值，最后可得到可用于控制臂優(yōu)化的載荷情況[3]。

1.2 控制臂設(shè)計(jì)的合理范圍

控制臂的合理運(yùn)動范圍應(yīng)該包含控制臂與球鉸和襯套的連接部位和合理變動區(qū)間，包含控制臂設(shè)計(jì)的合理運(yùn)動范圍但不含球頭與襯套的設(shè)計(jì)在內(nèi)?？刂票劭偝傻挠邢拊Ｐ徒⒖刂票矍蜚q的簡化模型可以用3個剛性單元模擬，為了模擬真實(shí)情況下控制臂繞球頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，剛性單元的設(shè)計(jì)長度很短。相關(guān)單位按照實(shí)際對襯套結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，包含橡膠材料的控制臂總成有限元，將其作為一般控制臂連接面為界限的控制臂模型。

2 控制臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

控制臂有限元模型可以在一定的約束條件下采用相對密度法和固體各向同性材料懲罰模型（Solid Isotropic Material with Penalization，SIMP）法的控制臂優(yōu)化方法。假設(shè)剛性單元相對密度的范圍設(shè)定為0.01～1，懲罰因子設(shè)定為3，其工程最優(yōu)化目標(biāo)要保證控制臂懸架柔度最小。通過解釋該問題，能夠有效對控制臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，從而有效節(jié)約材料成本且避免在特定方向上的所受應(yīng)力不足或過大的情況。充分滿足加工工藝需求，正確選擇拔模方向，能夠直接影響最終工程優(yōu)化結(jié)果，這樣一來，控制臂在外力作用下產(chǎn)生的較大位移能在慣性釋放作用下保證所受應(yīng)力處在合理、理想、可接受的范圍內(nèi)。

2.1 控制臂的優(yōu)化效果

模型分別經(jīng)過優(yōu)化后得到結(jié)果如圖1所示。從中可以看出，沒把球鉸和襯套考慮在內(nèi)的前期模型得到的優(yōu)化結(jié)果并不能反映真實(shí)駕駛使用工況，不貼合實(shí)際，不實(shí)用。繼續(xù)優(yōu)化得出的結(jié)果如圖2所示。圖2的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，既考慮了球鉸和襯套相結(jié)合的綜合運(yùn)用系統(tǒng)，也滿足了設(shè)計(jì)和量產(chǎn)制造工藝要求。

2.2 控制臂的性能

通過對優(yōu)化后的控制臂結(jié)構(gòu)的承受應(yīng)力、剛度和約束固有頻率進(jìn)行系統(tǒng)性、科學(xué)性的統(tǒng)計(jì)分析可知，兩組模型在本文討論的6種工況下，控制臂的VonMises應(yīng)力結(jié)果不同，如表2所示。

控制臂設(shè)計(jì)所采用的實(shí)際工程材料的屈服強(qiáng)度為275MPa。從表2可以看出，最大應(yīng)力數(shù)據(jù)，含有球鉸和襯套的綜合系統(tǒng)應(yīng)力均在合理可接受的范圍內(nèi)。不含球鉸和襯套的固定界限控制臂模型不符合理論及現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)要求?？刂票鄣墓潭l率對懸架系統(tǒng)穩(wěn)定性、駕駛質(zhì)感和駕駛員回饋等均有較大影響。因此，企業(yè)在控制臂設(shè)計(jì)優(yōu)化中應(yīng)該充分考慮控制臂自身結(jié)構(gòu)，經(jīng)過優(yōu)化后的控制臂固有頻率可見表3。由表3可以看出，控制臂的固有頻率在約束狀態(tài)達(dá)到了1階350Hz，在自由狀態(tài)達(dá)到了1階800Hz的一般設(shè)計(jì)要求。

為了保障汽車安全、實(shí)際使用工況下的汽車行駛質(zhì)感及駕駛員的回饋感受等，企業(yè)對控制臂的剛度設(shè)計(jì)也具有較高要求。在設(shè)計(jì)汽車控制臂剛度時應(yīng)該參考固定界限模型，不加入球鉸和襯套[4]。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)論

本文根據(jù)控制臂學(xué)術(shù)界及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際工況，設(shè)計(jì)建立了兩組控制臂模型，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果確定了一組最優(yōu)的包含球鉸和襯套的綜合系統(tǒng)模型，并采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的反饋進(jìn)行了調(diào)整。此外，還根據(jù)固定界限模型科學(xué)、詳細(xì)地論述了設(shè)計(jì)控制臂要求的參數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)變量，真實(shí)反映了控制臂工況運(yùn)行的實(shí)際情況。在采用基于拓?fù)鋵W(xué)知識的綜合框架優(yōu)化技術(shù)的懸架控制臂設(shè)計(jì)后，控制臂的優(yōu)化指向性更加準(zhǔn)確、翔實(shí)，符合駕駛員對駕駛質(zhì)感的追求，使工況載荷計(jì)算更加精確。采用該設(shè)計(jì)思路對汽車懸架控制臂系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性優(yōu)化，可以保障汽車行駛的安全性，為駕駛者提供更好的行駛質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]Demirdogen C， Ridge J， Pollock P. Weight Optimized Design of a Front Suspension Component for Commercial Heavy Trucks[J].Advanced Materials Research，2012（4）：212-216.

[2]Xintian L， Hu H， Jichang W， et al. Performance Analysis of Rear Rubber Bushing Stiffness of Lower Control Arm on Front Double Wishbone Independent Suspension[C]// International Conference on Computer Modeling & Simulation. IEEE，2010.

[3]趙清海，張洪信，朱智富，等.汽車懸架控制臂的可靠性拓?fù)鋬?yōu)化[J].汽車工程，2018（3）：313-319.

[4]王書賢，向立明，劉鵬，等.基于拓?fù)鋬?yōu)化的某汽車懸架控制臂輕量化設(shè)計(jì)[J].輕工科技，2017（10）：30-31.