鋁合金分體式下擺臂可行性分析

趙冠淇 馬麗春 楊平 崔學東

摘 要：文章針對某跑車前麥弗遜懸架的整體式下擺臂在采用鋁合金材料后出現的局部強度不足問題，提出了鋁合金分體式下擺臂方案。但因為懸架結構形式的變化，并增加了新襯套，會對懸架K&C特性造成一定影響。為分析其影響，結合跑車自身的特點進行了初版硬點的布置并分析了該跑車前麥弗遜懸架在采用了分體式下擺臂后的K&C特性，驗證了分體式下擺臂的可行性。

關鍵詞：鋁合金分體式下擺臂;K&C特性;跑車;麥弗遜懸架

中圖分類號：U462.1? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）13-100-03

Feasibility Analysis of Separated Lower Control Arm Made of Aluminum Alloy

Zhao Guanqi1， Ma Lichun2， Yang Ping1， Cui Xuedong1

（ 1.Liaoning Zhongwang Group Co.， Ltd.， Liaoning Liaoyang 111003;

2.School of Material Science and Engineer， Qingdao University， Shandong Qingdao 266071 ）

Abstract： After Aluminum Alloy is applied as the material of the traditional Integrated Lower Control Arm of the front Macpherson suspension of certain Sports Car， some fatigue strength problems appear. To solve the problems， a new structure named Separated Lower Control Arm is put forward. Because of the variety of the suspension structure and the additional bushing， the K&C of the Macpherson suspension may vary. To analysis the new structures influence to the K&C of the Macpherson suspension， some efforts have been made. The original hard-points are arranged according to space requirements of the sports car and the K&C of the Macpherson suspension employing the Separated Lower Control Arm is analyzed. Finally， it is proved that the Separated Lower Control Arm is feasible.

Keywords： Separated Lower Control Arm made of Aluminum Alloy; Kinematic & Compliance; Sports Car; Macpherson

CLC NO.： U462.1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-100-03

引言

麥弗遜懸架以結構簡單、成本低廉、舒適性尚可等優點被廣泛地運用，從耳熟能詳的微型代步工具奧托到追求速度和操控極限的寶馬M3、保時捷911，其前懸架都無一例外地采用了這種結構簡單、延伸性好的懸掛系統。只是為了適應各自不同的市場定位和產品訴求，在彈簧阻尼系數調校和結構匹配上各自有所不同。

麥弗遜式懸掛主要由螺旋彈簧、減振器、三角形下擺臂、橫向穩定桿組成。目前大部分三角形下擺臂為整體式下擺臂，如圖1所示。由于下擺臂在采用鋁合金材料后，受三角形結構限制，導致局部強度不能滿足要求，不利于結構的輕量化。同時，受襯套結構的影響，調試空間也受到一定的局限性[1]。

分體式下擺臂包含橫臂和縱臂結構，并采用襯套進行連接，如圖2所示。這種結構采用兩個獨立且結構相對簡單的桿件代替之前的三角臂結構，從力學角度上更容易滿足強度、剛度以及疲勞方面的要求。該結構不僅利于擺臂輕量化，而且前后懸架可以共用橫臂，既降低了生產成本又增加了零件的通用性。但由于在擺臂中增加了一個襯套，使下擺臂的柔性增大，可能會對前麥弗遜懸架的K&C特性造成一定影響。因此有必要對該懸架在采用分體式下擺臂后的K&C特性進行分析，確定其是否仍能滿足設計要求。

1 初始硬點布置

懸架的初始硬點應參考總布置空間進行布置，由于跑車的整車姿態較低，要求減震器上點布置較低，同時又必須滿足懸架的行程要求。綜合以上兩點進行懸架的初始硬點布置并繪制初版模型，見圖3和表1：

2 懸架K&C特性

分析懸架K&C特性是車輛開發流程中不可缺少的一部分工作，目前懸架的K&C特性仿真結果已經能夠和試驗結果較好地吻合。K代表Kinematics，在分析時不考慮質量和力以及彈性原件的變形特性，只跟懸架連桿的幾何運動相關;C代表Compliance，在分析時要考慮在車輪施加力之后導致的懸架變形，跟懸架系統的彈簧、襯套以及零件變形有關[2]。下面使用多體動力學軟件對章節1中懸架的K&C特性進行分析，驗證其可行性。

2.1 模型建立

為了驗證分體式擺臂設計的可行性，利用多體動力學分析軟件建立了該懸架多體模型，如圖4所示。該麥弗遜懸架多體模型與傳統多體模型的不同之處在于下擺臂建模時也采用了分體式結構，將原三角臂分為縱臂和橫臂并采用襯套進行連接，如圖5所示。

2.2 參數輸入

多體模型中需要輸入的參數主要包括彈簧模型、下擺臂前襯套模型、下擺臂后襯套模型，縱臂和橫臂連接襯套模型、減震器上襯套模型以及緩沖塊模型，除連接縱臂和橫臂的襯套外，相關數據均和參考車相同。

2.3 分析工況

懸架K&C特性分析中常采用的工況包括[3]：

（1）平行輪跳。雙輪同時同向往復運動，主要監測量有：前束角變化、外傾角變化、后傾角變化、懸架剛度、車輪中心縱傾變形等。

（2）側傾試驗。通過給定的側傾角驅動車輪接地面往復運動，并保持接地面水平以及車輪載荷不變。主要監測量有：側傾角剛度、前束角變化、外傾角變化。

（3）側向力試驗：同時同向對兩輪加載側向力，主要監測量有：前束角變化、外傾角變化、輪距變化。

（4）回正力矩試驗：回正力矩試驗研究的是車輪在受到回正力矩時懸架系統的運動性能。主要監測量有：同向和反向前束角變化。

（5）縱向力試驗：同時同向對兩輪加載縱向力，主要測試懸架系統在受到縱向力之后的運動性能。主要監測變量有：前束角變化、外傾角變化、軸距變化。

（6）轉向系統幾何測試：轉動方向盤，測量轉向主銷各參數。主要監測量有：左輪的阿克曼偏差。

2.4 分析結果

利用多體動力學軟件按照上述分析工況進行分析，并利用后處理模塊提取相關監測參數。分析結果及參考值見表2：

通過與參考值的對比，發現采用分體式鋁合金下擺臂后前麥弗遜懸架K&C特性的各項指標均在合理范圍，這種分體式結構在滿足懸架K&C特性方面是可行的，可以作為一種鋁合金下擺臂的輕量化結構方案來進行深入研究。

2.5 分體式下擺臂在輕量化方面的優勢

分體式下擺臂的橫臂和縱臂均為桿件，受力及變形情況相較之前的整體式三角臂要簡單，特別是之前擺臂前點和后點中間部位應力較大的問題得以改善，同時給襯套提供了更多的布置空間。擺臂中間襯套的加入提高了擺臂的柔度，使得橫臂和縱臂可以采用更加多樣的結構，為擺臂的輕量化提供了更多的發揮空間。

3 結論

首先從某跑車的鋁合金整體式下擺臂存在的結構復雜、局部強度不足、輕量化效果不明顯等問題出發，提出了一種分體式鋁合金下擺臂的解決方案。通過多體動力學仿真，證明采用這種分體式鋁合金下擺臂的前麥弗遜懸架在K&C特性方面可以滿足要求。這種分體式鋁合金下擺臂的結構方案在結構形式上更為簡單，更容易滿足強度、剛度以及疲勞壽命等方面的需求，為后續進一步提升鋁合金下擺臂的輕量化效果創造了更多的可能性。

分析結果證明該下擺臂結構方案是一種可行并且有效的提升擺臂輕量化效果的途徑，后續可以探尋更多的結構方案以解決鋁合金下擺臂在輕量化和強度不足之間的矛盾。

參考文獻

[1] 尹安東，王歡，豆力.電動汽車麥弗遜懸架下擺臂輕量化研究[J].汽車科技，2013，40（01）：01-04.

[2] 楊瑞鑫，陳勇.汽車懸架K&C特性分析及其對整車性能的影響[J].北京信息科技大學學報：自然科學版，2014，29（5）：92-96.

[3] 李軍，楊曉俊，林陽，孟志強.麥弗遜懸架K&C特性仿真分析及優化[J].機電技術，2014，38（4）：111-115+128.