某營(yíng)運(yùn)新能源車誤用工況前懸架下擺臂的屈曲分析優(yōu)化及驗(yàn)證

徐榮峰，李獻(xiàn)菁，張志遠(yuǎn)，李龍剛，龐士偉，靳家偉

1.寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司，浙江寧波 315336；2.浙江聯(lián)控技術(shù)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(tǒng)是保證車輪與車身之間具有彈性聯(lián)系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動(dòng)以及調(diào)節(jié)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(tǒng)性能設(shè)計(jì)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(dǎo)向的重要零件，其一端通過兩個(gè)襯套與副車架連接，另一端則通過一個(gè)球頭銷球鉸與制動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)相連，將地面作用在車輪上的載荷傳遞給汽車車身，同時(shí)車輪能夠按照懸架約束的軌跡運(yùn)動(dòng)。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(jié)構(gòu)強(qiáng)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(duì)某乘用車前下擺臂的屈曲強(qiáng)度進(jìn)行CAE 分析與臺(tái)架驗(yàn)證，結(jié)果表明，球心位置受力對(duì)屈曲變形的影響較為敏感；廖美穎等[4]對(duì)汽車懸架誤用工況下前下擺臂進(jìn)行了屈曲分析、優(yōu)化及驗(yàn)證，但未充分從性價(jià)比及工藝考慮優(yōu)化方案。本文針對(duì)某新能源營(yíng)運(yùn)車時(shí)常行駛在坑洼路況上等誤用工況擺臂易發(fā)生屈曲變形的問題，通過建立車輛動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)誤用工況分析與載荷提取以及有限元屈曲分析與優(yōu)化，在充分考慮性價(jià)比及焊接工藝下提升擺臂的屈曲性能，從而保證了營(yíng)運(yùn)車誤用工況的行駛安全。

1 擺臂屈曲目標(biāo)定義及開發(fā)流程

該新能源車輛比傳統(tǒng)燃油車輛質(zhì)量大170 kg以上，同時(shí)作為營(yíng)運(yùn)車時(shí)常行駛在坑洼等惡劣的路況上，特別是制動(dòng)過凹坑和制動(dòng)過凸坎誤用工況[4]，擺臂直接承受來(lái)自地面的交變沖擊載荷，在此工況下擺臂易造成彎曲現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)造成斷軸事件，本文對(duì)某新能源營(yíng)運(yùn)車型誤用工況下擺臂進(jìn)行屈曲分析，以防止出現(xiàn)如圖1所示的擺臂縱向彎曲變形。

在誤用工況中，其中制動(dòng)過凹坑在擺臂使用時(shí)工況最惡劣，實(shí)際測(cè)試在一個(gè)深度為50 mm、長(zhǎng)度為1 200 mm的凹坑中制動(dòng)，車輪鎖定(ABS禁用)，只有車輛左側(cè)的車輪進(jìn)入凹坑。開始制動(dòng)時(shí)的車速應(yīng)為50 km/h，車輪進(jìn)入坑時(shí)應(yīng)同時(shí)急踩剎車，其工況示意如圖2所示。

圖2 制動(dòng)過凹坑工況示意

結(jié)合誤用工況及營(yíng)運(yùn)車路譜提取載荷情況分析，確定X向屈曲載荷目標(biāo)不小于28.2 kN，Y向屈曲載荷目標(biāo)不小于38.9 kN，滿足營(yíng)運(yùn)車的誤用工況目標(biāo)需求。擺臂作為車輛重要的零部件，其屈曲優(yōu)化流程如圖3所示。

圖3 擺臂屈曲優(yōu)化流程

2 擺臂屈曲分析

約束：約束擺臂外側(cè)球頭銷Z向平動(dòng)自由度、內(nèi)側(cè)擺臂前襯套處XYZ平動(dòng)自由度、內(nèi)側(cè)擺臂后襯套處YZ平動(dòng)自由度，如圖4所示。

圖4 麥弗遜獨(dú)立前懸架下擺臂

施加載荷：在擺臂外側(cè)球頭銷分別施加X、Y向15 mm強(qiáng)制位移。

對(duì)在試驗(yàn)場(chǎng)采集的路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到制動(dòng)過凹坑工況下擺臂各硬點(diǎn)處的載荷情況見表1。

表1 制動(dòng)過凹坑工況下擺臂各硬點(diǎn)處的載荷情況

3 擺臂屈曲載荷分析及優(yōu)化方案

3.1 擺臂屈曲載荷分析

根據(jù)載荷情況，對(duì)原始方案前懸架下擺臂進(jìn)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(shí)發(fā)生了塑性應(yīng)變，達(dá)到12%，目標(biāo)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(duì)下擺臂進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 擺臂優(yōu)化

擺臂優(yōu)化要從多個(gè)方案中選取最優(yōu)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(duì)薄弱點(diǎn)的精確補(bǔ)強(qiáng)，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(fā)模具進(jìn)行平衡，達(dá)到最優(yōu)性價(jià)比。

為達(dá)到最優(yōu)性價(jià)比且優(yōu)化不影響周邊結(jié)構(gòu)關(guān)系，需要在與周邊結(jié)構(gòu)相對(duì)位置不變的情況下做最小的更改，邊界不變，從擺臂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)分析擺臂彎曲弱點(diǎn)位置進(jìn)行精確的屈曲優(yōu)化。分析屈曲在擺臂長(zhǎng)邊的中間位置(圖5)，需要對(duì)擺臂的該位置進(jìn)行精確補(bǔ)強(qiáng)，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(shè)計(jì)手段。經(jīng)過多次方案校核分析，上主板不做更改，只開發(fā)下板局部進(jìn)行凸起優(yōu)化增加空腔體積和加強(qiáng)材料的屈曲強(qiáng)度，就可以提高擺臂屈曲。擺臂屈曲優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖7所示，優(yōu)化前后擺臂材料及性能對(duì)比見表2。

圖7 擺臂屈曲優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比

表2 優(yōu)化前后擺臂材料及性能對(duì)比

優(yōu)化后X向載荷屈曲云圖如圖8所示，X向屈曲載荷優(yōu)化前后分析對(duì)比如圖9所示。由圖8和圖9分析對(duì)比結(jié)果可以看出，前懸架下擺臂優(yōu)化方案，X向屈曲載荷為30.5 kN時(shí)發(fā)生了塑性應(yīng)變，達(dá)到11.8%；X向屈曲載荷為28.2 kN(目標(biāo)值大于28.2 kN)時(shí)未發(fā)生塑性變形，滿足要求。

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

圖8 優(yōu)化后X向載荷屈曲云圖

圖9 X向屈曲載荷優(yōu)化前后分析對(duì)比

圖10 Y向屈曲載荷優(yōu)化前后分析對(duì)比

4 臺(tái)架屈曲驗(yàn)證及路試驗(yàn)證

擺臂屈曲臺(tái)架試驗(yàn)按照設(shè)計(jì)要求裝配力矩且符合量產(chǎn)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?yàn)閄向，加載點(diǎn)為擺臂球頭點(diǎn)，加載速度為60 mm/min，如圖11所示。驗(yàn)證兩套左右擺臂共4個(gè)零件，結(jié)果見表3。由表可知，屈曲載荷滿足要求，擺臂未出現(xiàn)開裂問題。

圖11 擺臂臺(tái)架屈曲載荷試驗(yàn)

表3 優(yōu)化后擺臂臺(tái)架X向屈曲載荷結(jié)果 單位:kN

同樣方式驗(yàn)證擺臂Y向屈曲載荷，結(jié)果見表4。由表可知，屈曲滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，擺臂及球銷未開裂。

表4 優(yōu)化后擺臂臺(tái)架Y向屈曲載荷結(jié)果 單位:kN

通過52 524 km營(yíng)運(yùn)車綜合耐久性試驗(yàn)，該驗(yàn)證結(jié)構(gòu)損傷目標(biāo)等效于嚴(yán)苛銷售區(qū)域90%用戶在5×105km條件下的使用強(qiáng)度，擺臂未出現(xiàn)彎曲及開裂情況，驗(yàn)證合格。

5 結(jié)論

本文根據(jù)該營(yíng)運(yùn)新能源車相對(duì)基礎(chǔ)車型質(zhì)量增加及使用過程中誤用工況概率較大的特點(diǎn)，對(duì)擺臂的屈曲進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，規(guī)避了在誤用工況下擺臂彎曲開裂問題，得出如下結(jié)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(diǎn)，采用精確補(bǔ)強(qiáng)方式進(jìn)行擺臂加強(qiáng)，總結(jié)出一種有效的優(yōu)化方法，可縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)及驗(yàn)證成本，該方法也適用于底盤其他零部件的優(yōu)化；

(2)本文優(yōu)化擺臂時(shí)重點(diǎn)考慮了加強(qiáng)時(shí)的性價(jià)比，只對(duì)下板(加強(qiáng)板)進(jìn)行新開發(fā)，結(jié)構(gòu)局部?jī)?yōu)化及材料升級(jí)，并與上板的焊接工藝保持不變，降低了開發(fā)難度和費(fèi)用。