基于臺架實驗和有限元的空心鑄鋁控制臂強度研究

艾濤,劉新,戴強,付濤,胡西

(寧波吉利汽車研究開發有限公司，浙江寧波 315336)

0 引言

汽車懸架控制臂通過襯套和球銷連接車輪和車身，控制車輪按照一定的軌跡運動，承載簧上質量。控制臂是汽車懸架系統中的導向和傳力元件[1]，對整車操控性和舒適性有重要的影響，其強度直接影響行車安全。

國內外學者對汽車控制臂做了大量研究，并取得顯著的成果。陳靜等人[2]對單片沖壓式下控制臂進行拓撲分析和優化設計，達到了輕量化的目的；何小靜，上官文斌[3]利用慣性釋放法對鍛造控制臂進行靜剛度和拉、壓潰分析；祝小元等[4]以多工況下的柔度和振動固有頻率為目標函數，對控制臂進行多目標拓撲分析；王紅民等[5]對懸架上控制臂進行強度分析，利用臨界平面法對疲勞壽命進行分析和預測。

以上研究大多是針對麥弗遜懸架三點臂或多連桿懸架中的兩點臂，工藝一般采用鍛造和沖壓，結構較為簡單，減重效果不太明顯。本文作者以集成連桿式獨立懸架后下控制臂(以下簡稱“H臂”)為研究對象，H臂采用空心鑄鋁工藝，輕量化效果顯著。在樣件未出之前，以VPG(Virtual Proving Ground)虛擬載荷為載荷輸入，利用HyperMesh軟件進行前處理，Abaqus作為求解器求解，分析結果滿足強度要求，并通過臺架實驗驗證，縮短了開發周期，降低了開發風險。

1 模型建立

根據運動包絡建立H臂三維模型(見圖1)，H臂上點PT3、點PT4通過襯套連接副車架，點PT6通過球銷襯套連接轉向節，點PT18連接H臂連接桿，點PT63連接穩定桿拉桿，點PT59處安裝彈簧。H臂連接車輪和副車架，承載簧上質量，提供懸架側向和縱向剛度，控制車輪運動軌跡。

圖1 H臂三維模型

2 H臂強度分析

2.1 有限元模型建立

把H臂三維數據導入前處理軟件HyperMesh中，采用四面體單元對其進行網格劃分[6]，單位類型是C3D10，H臂材料為A356-T6,材料屬性如表1所示。在整車坐標系下，約束點PT3 的Y、Z2個平動自由度,約束點PT4X、Y、Z3個平動自由度，約束點PT6Z向平動自由度。點PT3、PT4和PT59采用Rb3柔性耦合，點PT6、PT18和PT63采用Rb2剛性耦合，用B31單元代替點PT6、PT18和PT63螺栓連接，力和力矩加載在各硬點處的節點上，H臂有限元模型如圖2所示。

表1 A356-T6鋁合金材料性能參數

圖2 H臂有限元模型

2.2 強度載荷及分析要求

根據整車多體動力學模型及VPG強度工況提取虛擬強度載荷，取各點分別受最大或最小力時為一個強度工況，共10個強度工況(LC1-LC10)，如表2所示。對其中代號和單位進行說明，例如F3x代表點PT3沿整車X方向的力,N；M63y代表點PT63沿整車Y向的力矩，N·mm。強度要求是在各強度工況下等效塑性應變(PEEQ)不大于0.5%和硬點處永久變形不大于1 mm。

表2 各工況強度載荷

2.3 H臂強度有限元分析結果

利用建好的H臂有限元模型，設置載荷步和輸出要求，對表2中LC1-LC10每個工況分別加載，利用Abaqus求解，結果如表3所示,圖3為LC1和LC4兩個最惡劣的工況云圖。從有限元分析結果可以看出，H臂滿足各工況強度要求。

表3 LC1-LC10強度工況最大應力、PEEQ及永久變形量

圖3 強度工況應力云圖

3 H臂臺架強度實驗

為了驗證分析結果的準確性，搭建臺架實驗驗證，對于每個點測試LC1-LC10中最大載荷，要求Level1載荷下永久變形小于1 mm。

點PT3、PT4按照整車裝配方式固定在MTS實驗臺上，點PT18、PT59、PT63強度測試時約束點PT6Z向自由度，液壓作動器分別加載在點PT18Y向和Z向，點PT59Z向，點PT63Z向。點PT6強度測試時約束點PT59Z向自由度，液壓作動器加載在點PT6X、Y、Z向，如圖4所示。

圖4 強度測試

各點Level1載荷臺架實驗力和位移曲線如圖5所示。

圖5 強度測試力與位移曲線

點PT6X、Y、Z3個方向永久變形分別為0.4、0.05、0.15 mm,總永久變形為0.43 mm；點PT18Y、Z2個方向的永久變形分別為0.022、0.193 mm，總永久變形為0.195 mm；點PT59永久變形為0.16 mm；點PT63永久變形為0.02 mm，各點強度滿足設計要求。

4 總結

針對某車型設計了空心鑄鋁控制臂，通過HyperMesh軟件劃分了控制臂的網格，根據整車多體動力學模型及強度工況提取虛擬強度載荷，利用Abaqus軟件對LC1-LC10共10個工況載荷進行分析計算，并搭建臺架實驗驗證強度。在整車強度實驗和耐久實驗中控制臂均未發生開裂和斷裂情況，分析結果和實驗結果表明控制臂滿足強度要求，同時也驗證了VPG虛擬載荷的準確性，為整車和零部件開發縮短了周期，降低了風險和成本。