張繼宏,王文志,鄭素云,王孔龍

(北京汽車工程研究院,北京 101300)

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車輛控制臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

張繼宏,王文志,鄭素云,王孔龍

(北京汽車工程研究院,北京 101300)

摘要:針對(duì)車輛控制臂的強(qiáng)度與疲勞耐久性能,分析了控制臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路,借助CAE對(duì)車輛控制臂進(jìn)行了分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),并采用CAE聯(lián)合工況疲勞耐久性分析方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,采用拓?fù)涞椒ㄟM(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后,控制臂性能得到較大提升,可供車輛懸架系統(tǒng)及其元件優(yōu)化設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞:汽車;控制臂;拓?fù)涞?剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

作為重要的承力部件,車輛懸架上的控制臂不僅承受著整車載荷和輪胎傳遞的路面沖擊載荷,更要保持車輛操控的準(zhǔn)確,這就要求控制臂具有足夠的剛度、強(qiáng)度和疲勞壽命。它不僅影響整車的使用壽命和駕乘人員的生命安全,而且作為簧下質(zhì)量,對(duì)車輛舒適性會(huì)產(chǎn)生很大影響;在嚴(yán)苛的路面條件下,甚至?xí)l(fā)生斷裂風(fēng)險(xiǎn)。因此,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一直是設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。該文通過對(duì)車輛控制臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)兼顧整車舒適性需求的輕量化情況下的強(qiáng)度和疲勞最優(yōu)化。

1 控制臂優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一門復(fù)雜的多標(biāo)準(zhǔn)、多學(xué)科優(yōu)化理論,按其構(gòu)造,結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型可分為尺寸優(yōu)化問題、形狀優(yōu)化問題及材料選擇、拓?fù)鋬?yōu)化問題三類。拓?fù)鋬?yōu)化又稱為布局優(yōu)化,在概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行適當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇非常重要。作為車輛懸架系統(tǒng)的重要零部件,控制臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)更是必備的,其流程如圖1所示。

運(yùn)用該設(shè)計(jì)方法,首先建立車輛懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并導(dǎo)入ADAMS/Car中,建立懸架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?。該模型?控制臂作為剛性體進(jìn)行約束。然后對(duì)該模型進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)分析,獲取懸架控制臂在制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、過減速帶和炮彈坑等極限工況時(shí)的載荷。將該載荷放入有限元中,采用慣性釋放的方法進(jìn)行強(qiáng)度分析,得到控制臂的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布,確定應(yīng)力集中的熱點(diǎn),再利用CAE迭代優(yōu)化結(jié)構(gòu),最終得到總體性能都較佳的控制臂模型。根據(jù)該模型進(jìn)行數(shù)據(jù)改進(jìn)優(yōu)化,利用CAE聯(lián)合工況疲勞耐久性分析方法進(jìn)行校核,確認(rèn)其耐久性能。

圖1 控制臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

2 某車輛控制臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在ADAMS/Car中建立該車輛懸架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?控制臂內(nèi)側(cè)兩點(diǎn)鉸接于副車架上,外側(cè)安裝點(diǎn)球接在轉(zhuǎn)向節(jié)下端,其承受軸頭處車輪傳來的側(cè)向力和縱向力;減振器下端同該控制臂采用球鉸接,承受垂向力;穩(wěn)定桿同該控制臂也采用球鉸接,同樣承受垂向力。同時(shí)輸入減振器和安裝襯套的柔性數(shù)據(jù)(如圖2所示)。

圖2 車輛懸架系統(tǒng)ADAMS剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)路譜采集數(shù)據(jù)的分析,確定控制臂的標(biāo)準(zhǔn)工況和載荷(如表1所示)。

表1 控制臂的標(biāo)準(zhǔn)工況和載荷

ADAMS依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工況提取控制臂載荷加載到控制臂上各個(gè)硬點(diǎn)(如圖3所示)。

圖3 控制臂的各個(gè)硬點(diǎn)

通過ADAMS仿真,獲得在垂直4g沖擊工況下控制臂各個(gè)硬點(diǎn)處的載荷情況(如表2所示)。

考慮到車輛承載能力和控制臂的受力情況,預(yù)期采用B510L高強(qiáng)度熱軋鋼板作為控制臂本體材料,采用沖壓焊接而成,材料厚度選用2.5 mm,其屈服強(qiáng)度可達(dá)到355 MPa,許用應(yīng)力能達(dá)到510 MPa?？刂票凵细靼惭b支架則選用SPAH440,材料厚度選用3.0 mm。預(yù)測(cè)總體重量能滿足整車重量控制要求。各材料的基本屬性如表3所示,應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示。

表2 垂直4g沖擊工況下控制臂各硬點(diǎn)處載荷情況

表3 控制臂各材料的基本屬性

將以上數(shù)據(jù)代入有限元進(jìn)行CAE強(qiáng)度分析,對(duì)模型不進(jìn)行約束,采用慣性釋放法進(jìn)行分析,垂向4g工況下的分析結(jié)果如圖5所示。

圖4 控制臂各材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 控制臂CAE有限元強(qiáng)度分析結(jié)果(單位:MPa)

從圖5可見:其應(yīng)力超標(biāo)較多,而且大部分處于焊接位置。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接易發(fā)生脆性斷裂,脆性斷裂時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服極限,因焊縫易產(chǎn)生微細(xì)裂痕,在一定載荷作用下,裂紋急劇擴(kuò)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件脆性斷裂。球頭附近應(yīng)力集中,應(yīng)是板材變形較為復(fù)雜,沖壓成型困難,出現(xiàn)沖壓撕裂等缺陷的可能性大,需作進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

采用CAE拓?fù)涞鷥?yōu)化結(jié)構(gòu),進(jìn)行壁厚和形狀拓?fù)鋬?yōu)化,使局部應(yīng)力和焊縫應(yīng)力大幅降低,滿足材料許用強(qiáng)度要求。拓?fù)鋬?yōu)化后結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下:1)結(jié)構(gòu)由原上片U形、下片平板改進(jìn)為上、下片均采用U形結(jié)構(gòu),焊縫由底邊改到側(cè)面中部,避開受力應(yīng)力集中部位,提高焊縫的疲勞壽命。2)球頭部位簡(jiǎn)化復(fù)雜形狀為兩體焊接,減少?zèng)_壓撕裂風(fēng)險(xiǎn)。3)鋼材的使用厚度由2.5 mm增加到3.0 mm,以提高整體剛度。優(yōu)化后的強(qiáng)度分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后的控制臂CAE有限元強(qiáng)度分析結(jié)果(單位:MPa)

從圖6可見優(yōu)化后應(yīng)力已降低到389 MPa,但B510L仍不能滿足使用要求。考慮到Qste420高強(qiáng)度熱軋鋼板能滿足該性能要求,其屈服強(qiáng)度能達(dá)到420 MPa,最大許用應(yīng)力達(dá)到620 MPa,材料由預(yù)期的B510L高強(qiáng)度熱軋鋼板更改為Qste420高強(qiáng)度熱軋鋼板。根據(jù)該受力分析優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖7所示。

對(duì)控制臂優(yōu)化后的數(shù)據(jù)采用CAE聯(lián)合工況疲勞耐久性分析方法,運(yùn)用nCode疲勞分析軟件進(jìn)行校核,控制臂本體及其焊點(diǎn)的疲勞耐久受力分布如圖8和圖9所示,疲勞聯(lián)合工況(如表4所示)下的計(jì)算結(jié)果如表5所示。

圖7 優(yōu)化后的控制臂數(shù)據(jù)

圖8 控制臂本體在加載循環(huán)次數(shù)＞52萬次時(shí)的疲勞壽命(單位:次)

圖9 控制臂上焊點(diǎn)在最小加載循環(huán)次數(shù)＞100萬次時(shí)的疲勞壽命(單位:次)

表4 疲勞聯(lián)合工況設(shè)置

表5 控制臂本體及其焊點(diǎn)的疲勞聯(lián)合工況分析結(jié)果　萬次

校核結(jié)果顯示,經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化后的控制臂數(shù)據(jù)在疲勞耐久性方面滿足理論設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的焊縫位置選擇對(duì)控制臂的性能至關(guān)重要,焊縫微細(xì)裂紋在一定條件下易引起脆性斷裂,故焊縫位置應(yīng)避開應(yīng)力較大的部位。

(2)采用多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)合有限元分析進(jìn)行車輛控制臂優(yōu)化設(shè)計(jì),為懸架系統(tǒng)的優(yōu)化提供了一種有效方法,可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低試驗(yàn)成本。該方法也適用于其他復(fù)雜的懸架元件優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3)車輛極限仿真分析工況和控制臂本體CAE疲勞耐久性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為＞20萬次。對(duì)于縫焊與焊點(diǎn)的疲勞分析,由于目前理論和CAE建模規(guī)范的局限性,很難準(zhǔn)確模擬出真實(shí)的壽命及安全因子,分析結(jié)果僅供參考。

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收稿日期:2015-12-18

中圖分類號(hào):U463.33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1671-2668(2016)02-0007-04