某營運新能源車誤用工況前懸架下擺臂的屈曲分析優化及驗證

徐榮峰，李獻菁，張志遠，李龍剛，龐士偉，靳家偉

1.寧波吉利汽車研究開發有限公司，浙江寧波 315336；2.浙江聯控技術有限公司，浙江寧波 315336；3.吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

汽車懸架系統是保證車輪與車身之間具有彈性聯系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動以及調節汽車行駛中車身位置等作用的總成，最主要的作用是傳遞車輪和車身之間一切的力和力矩[1]。因此懸架系統性能設計的好壞直接影響到車輛舒適性和安全性。

汽車前懸架下擺臂作為傳遞力和導向的重要零件，其一端通過兩個襯套與副車架連接，另一端則通過一個球頭銷球鉸與制動轉向節相連，將地面作用在車輪上的載荷傳遞給汽車車身，同時車輪能夠按照懸架約束的軌跡運動。因此，一旦擺臂失效將直接影響車輛的正常行駛[2]。

在普通工況條件下，汽車懸架的結構強度、疲勞耐久分析研究比較成熟，但在誤用工況下，汽車懸架零部件的屈曲性能分析研究比較少。陰雪蓮[3]對某乘用車前下擺臂的屈曲強度進行CAE 分析與臺架驗證，結果表明，球心位置受力對屈曲變形的影響較為敏感；廖美穎等[4]對汽車懸架誤用工況下前下擺臂進行了屈曲分析、優化及驗證，但未充分從性價比及工藝考慮優化方案。本文針對某新能源營運車時常行駛在坑洼路況上等誤用工況擺臂易發生屈曲變形的問題，通過建立車輛動力學模型，對誤用工況分析與載荷提取以及有限元屈曲分析與優化，在充分考慮性價比及焊接工藝下提升擺臂的屈曲性能，從而保證了營運車誤用工況的行駛安全。

1 擺臂屈曲目標定義及開發流程

該新能源車輛比傳統燃油車輛質量大170 kg以上，同時作為營運車時常行駛在坑洼等惡劣的路況上，特別是制動過凹坑和制動過凸坎誤用工況[4]，擺臂直接承受來自地面的交變沖擊載荷，在此工況下擺臂易造成彎曲現象，嚴重時造成斷軸事件，本文對某新能源營運車型誤用工況下擺臂進行屈曲分析，以防止出現如圖1所示的擺臂縱向彎曲變形。

在誤用工況中，其中制動過凹坑在擺臂使用時工況最惡劣，實際測試在一個深度為50 mm、長度為1 200 mm的凹坑中制動，車輪鎖定(ABS禁用)，只有車輛左側的車輪進入凹坑。開始制動時的車速應為50 km/h，車輪進入坑時應同時急踩剎車，其工況示意如圖2所示。

圖2 制動過凹坑工況示意

結合誤用工況及營運車路譜提取載荷情況分析，確定X向屈曲載荷目標不小于28.2 kN，Y向屈曲載荷目標不小于38.9 kN，滿足營運車的誤用工況目標需求。擺臂作為車輛重要的零部件，其屈曲優化流程如圖3所示。

圖3 擺臂屈曲優化流程

2 擺臂屈曲分析

約束：約束擺臂外側球頭銷Z向平動自由度、內側擺臂前襯套處XYZ平動自由度、內側擺臂后襯套處YZ平動自由度，如圖4所示。

圖4 麥弗遜獨立前懸架下擺臂

施加載荷：在擺臂外側球頭銷分別施加X、Y向15 mm強制位移。

對在試驗場采集的路譜數據進行分析，得到制動過凹坑工況下擺臂各硬點處的載荷情況見表1。

表1 制動過凹坑工況下擺臂各硬點處的載荷情況

3 擺臂屈曲載荷分析及優化方案

3.1 擺臂屈曲載荷分析

根據載荷情況，對原始方案前懸架下擺臂進行屈曲分析，如圖5和圖6所示。

圖5 原方案屈曲變形云圖

圖6 原方案X向屈曲載荷分析

由圖5和圖6可以看出，X向屈曲載荷21.6 kN時發生了塑性應變，達到12%，目標是塑性變形小于1.6%，不滿足要求；Y向屈曲載荷滿足要求，需要對下擺臂進行優化。

3.2 擺臂優化

擺臂優化要從多個方案中選取最優方案，全部新開模具因涉及的模具成本較高，一般很少考慮；針對薄弱點的精確補強，還要考慮新增材料的成本問題，故需要在材料增加及少量開發模具進行平衡，達到最優性價比。

為達到最優性價比且優化不影響周邊結構關系，需要在與周邊結構相對位置不變的情況下做最小的更改，邊界不變，從擺臂的內部結構上進行優化，根據分析擺臂彎曲弱點位置進行精確的屈曲優化。分析屈曲在擺臂長邊的中間位置(圖5)，需要對擺臂的該位置進行精確補強，厚度方向上屈曲靈敏度高[5]，增大受力零件截面空間是提高屈曲性能的有效設計手段。經過多次方案校核分析，上主板不做更改，只開發下板局部進行凸起優化增加空腔體積和加強材料的屈曲強度，就可以提高擺臂屈曲。擺臂屈曲優化前后結構對比如圖7所示，優化前后擺臂材料及性能對比見表2。

圖7 擺臂屈曲優化前后結構對比

表2 優化前后擺臂材料及性能對比

優化后X向載荷屈曲云圖如圖8所示，X向屈曲載荷優化前后分析對比如圖9所示。由圖8和圖9分析對比結果可以看出，前懸架下擺臂優化方案，X向屈曲載荷為30.5 kN時發生了塑性應變，達到11.8%；X向屈曲載荷為28.2 kN(目標值大于28.2 kN)時未發生塑性變形，滿足要求。

Y向屈曲載荷優化前后分析對比如圖10所示。由圖可以看出，Y橫向屈曲載荷在優化前后均滿足要求，同步優化后的強度和疲勞耐久也符合要求。

圖8 優化后X向載荷屈曲云圖

圖9 X向屈曲載荷優化前后分析對比

圖10 Y向屈曲載荷優化前后分析對比

4 臺架屈曲驗證及路試驗證

擺臂屈曲臺架試驗按照設計要求裝配力矩且符合量產要求的前下擺臂總成(帶襯套、球銷)固定在副車架上，副車架固定。加載方向為X向，加載點為擺臂球頭點，加載速度為60 mm/min，如圖11所示。驗證兩套左右擺臂共4個零件，結果見表3。由表可知，屈曲載荷滿足要求，擺臂未出現開裂問題。

圖11 擺臂臺架屈曲載荷試驗

表3 優化后擺臂臺架X向屈曲載荷結果 單位:kN

同樣方式驗證擺臂Y向屈曲載荷，結果見表4。由表可知，屈曲滿足設計目標要求，擺臂及球銷未開裂。

表4 優化后擺臂臺架Y向屈曲載荷結果 單位:kN

通過52 524 km營運車綜合耐久性試驗，該驗證結構損傷目標等效于嚴苛銷售區域90%用戶在5×105km條件下的使用強度，擺臂未出現彎曲及開裂情況，驗證合格。

5 結論

本文根據該營運新能源車相對基礎車型質量增加及使用過程中誤用工況概率較大的特點，對擺臂的屈曲進行了優化設計及驗證，規避了在誤用工況下擺臂彎曲開裂問題，得出如下結論：

(1)采集特定路況路譜提取擺臂的最大載荷，通過有限元分析找出擺臂屈曲的薄弱點，采用精確補強方式進行擺臂加強，總結出一種有效的優化方法，可縮短開發周期，降低開發及驗證成本，該方法也適用于底盤其他零部件的優化；

(2)本文優化擺臂時重點考慮了加強時的性價比，只對下板(加強板)進行新開發，結構局部優化及材料升級，并與上板的焊接工藝保持不變，降低了開發難度和費用。