陸潤(rùn)明，廖抒華，張旭，黎炯，覃紫瑩

(廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西柳州 545000)

0 引言

懸架是現(xiàn)代汽車上的一個(gè)重要總成，它把車架(或車身)與車軸(或車輪)彈性地連接起來。其主要任務(wù)是在車輪和車架(或車身)之間傳遞所有的力和力矩，緩和由路面不平傳給車架(或車身)的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，控制車輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以保證汽車具有需要的平順性和操縱穩(wěn)定性[1]。懸架的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)懸架的使用性能有一定的影響，在追求輕量化的同時(shí)應(yīng)該保證懸架結(jié)構(gòu)的可靠性。文中首先在ADAMS/Car中建立雙橫臂懸架的運(yùn)動(dòng)仿真模型，根據(jù)整車參數(shù)設(shè)定仿真環(huán)境，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，并從中提取懸架各鉸接點(diǎn)的載荷。在HyperMesh中建立雙橫臂懸架分析模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格優(yōu)化，在單側(cè)凸包、緊急制動(dòng)、極限轉(zhuǎn)向工況下對(duì)懸架做靜態(tài)強(qiáng)度分析[7]，研究應(yīng)力分布情況，為懸架后期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 雙橫臂懸架多體動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立與仿真分析

從UG三維模型中提取懸架各硬點(diǎn)的坐標(biāo)，利用各硬點(diǎn)坐標(biāo)在ADAMS/Car中建立多體動(dòng)力學(xué)仿真模型。輪轂與轉(zhuǎn)向節(jié)通過旋轉(zhuǎn)副連接，轉(zhuǎn)向節(jié)通過球鉸副與轉(zhuǎn)向橫拉桿連接，減振器下滑柱通過萬向副與懸架下擺臂連接，減振器上滑柱通過萬向副與車身子系統(tǒng)連接，轉(zhuǎn)向節(jié)通過軸套分別與上、下控制臂連接，上、下控制臂通過旋轉(zhuǎn)副與車架連接[2]，建立的多體動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 雙橫臂懸架多體動(dòng)力學(xué)模型

選擇單側(cè)凸包、緊急制動(dòng)、極限轉(zhuǎn)向這3種懸架承受載荷較大的工況，分別對(duì)雙橫臂懸架進(jìn)行特定工況下的仿真分析。根據(jù)整車質(zhì)量、質(zhì)心高度、側(cè)傾中心高度、軸距、制動(dòng)比例系數(shù)等整車參數(shù)，計(jì)算仿真時(shí)輪胎的邊界條件加載，計(jì)算結(jié)果如表1所示。在仿真模型的載荷提取位置點(diǎn)處建立Request點(diǎn)，進(jìn)行靜載仿真，提取出懸架各位置點(diǎn)的載荷，如表2所示。

表1 ADAMS仿真中前輪輪胎邊界條件加載

表2 各工況下前雙橫臂懸架各鉸接點(diǎn)的載荷 N

2 雙橫臂懸架有限元分析模型的建立

從UG軟件中完成三維建模后，將其導(dǎo)入到HyperMesh分析軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格優(yōu)化工作，建立有限元分析模型。正確選擇網(wǎng)格參數(shù)(包括單元格長(zhǎng)度、網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格疏密程度等)，把握好網(wǎng)格的幾何形狀的合理性，及時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，能保證較高的計(jì)算精度和計(jì)算效率[3]。單元格尺寸的選擇，考慮到其對(duì)網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格質(zhì)量的影響，尺寸不宜過大，也不應(yīng)該太小。尺寸過大會(huì)造成計(jì)算精度太低，從而忽略一些危險(xiǎn)點(diǎn)的計(jì)算。尺寸太小網(wǎng)格的數(shù)量就會(huì)很多，計(jì)算時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，降低了計(jì)算效率[9]。對(duì)網(wǎng)格數(shù)量的控制，確保在精度范圍內(nèi)，適當(dāng)減少網(wǎng)格數(shù)量以減少計(jì)算時(shí)間。處理網(wǎng)格密度時(shí)，在應(yīng)力集中的地方網(wǎng)格密度較大，如此求解精度高，同時(shí)還可提高計(jì)算結(jié)果的可信度[8]。綜合考慮以上網(wǎng)格劃分要素，并結(jié)合零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、零件形狀和求解精度要求，轉(zhuǎn)向節(jié)選擇用四面體單元?jiǎng)澐郑瑧壹苌?、下控制臂用殼單元?jiǎng)澐郑瑔卧叽鐬? mm。對(duì)倒角和曲率變化的地方進(jìn)行細(xì)化，提高有限元模型與幾何模型的一致性[6]。建成上、下控制臂和轉(zhuǎn)向節(jié)的有限元模型分別如圖2、圖3所示。上、下控制臂所用材料是4130鋼，材料抗拉強(qiáng)度為930 MPa，屈服強(qiáng)度為785 MPa。轉(zhuǎn)向節(jié)所用材料是7075Al，材料抗拉強(qiáng)度為542 MPa，屈服強(qiáng)度是455 MPa。

圖2 上、下控制臂有限元模型

圖3 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元模型

3 雙橫臂懸架強(qiáng)度分析

雙橫臂懸架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。轉(zhuǎn)向節(jié)球頭分別與上、下控制臂連接，減振器下滑柱與下控制臂連接。利用OptiStruct模塊對(duì)雙橫臂懸架轉(zhuǎn)向節(jié)和上、下控制臂進(jìn)行強(qiáng)度分析。采用“慣性釋放法”進(jìn)行有限元分析，這樣避免了邊界條件對(duì)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的影響，不會(huì)出現(xiàn)普通計(jì)算方法中約束點(diǎn)的反力引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這對(duì)車輛結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析是比較合理的[5]。

3.1 轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度分析

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要零件，傳遞并承受汽車前部載荷，支承并帶動(dòng)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車轉(zhuǎn)向。在汽車行駛狀態(tài)下，它承受著來自路面的多變沖擊載荷和力矩，轉(zhuǎn)向節(jié)是確保汽車安全行駛的重要零件之一[4]。因此，要求它具有很高的強(qiáng)度，保證工作可靠性。轉(zhuǎn)向節(jié)在單側(cè)凸包、緊急制動(dòng)、極限轉(zhuǎn)向3種工況下的應(yīng)力云圖分別如圖5—圖7所示。

圖4 雙橫臂懸架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖5 單側(cè)凸包工況轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

圖6 緊急制動(dòng)工況轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

圖7 極限轉(zhuǎn)向工況轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力云圖

3.2 懸架上、下控制臂強(qiáng)度分析

懸架控制臂是懸架的導(dǎo)向和支撐[10]，在懸架運(yùn)動(dòng)過程中，隨車輪一起上下擺動(dòng)。懸架上控制臂的受力主要是由于車輪跳動(dòng)、汽車制動(dòng)、轉(zhuǎn)向工況下帶來的縱向力、側(cè)向力和力矩。懸架下控制臂除了承受上述的力和力矩之外，還有減振器的下壓力。懸架控制臂對(duì)車輪定位參數(shù)有直接的影響，對(duì)懸架控制臂做強(qiáng)度校核，既保證懸架控制臂工作穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)也保證汽車具有良好的行駛穩(wěn)定性。懸架上、下控制臂在單側(cè)凸包、緊急制動(dòng)、極限轉(zhuǎn)向3種工況下的應(yīng)力云圖如圖8—圖13所示。

圖8 單側(cè)凸包工況上控制臂應(yīng)力云圖

圖9 單側(cè)凸包工況下控制臂應(yīng)力云圖

圖10 緊急制動(dòng)工況上控制臂應(yīng)力云圖

圖11 緊急制動(dòng)工況下控制臂應(yīng)力云圖

圖12 極限轉(zhuǎn)向工況上控制臂應(yīng)力云圖

圖13 極限轉(zhuǎn)向工況下控制臂應(yīng)力云圖

通過以上分析結(jié)果可知：轉(zhuǎn)向節(jié)最大應(yīng)力為78.59 MPa，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于其制造材料(7075Al)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，最大應(yīng)力出現(xiàn)在輪芯附近，不會(huì)出現(xiàn)零件變形情況，滿足設(shè)計(jì)要求；懸架上控制臂最大應(yīng)力為164.4 MPa，懸架下控制臂最大應(yīng)力為638.7 MPa，最大應(yīng)力也遠(yuǎn)小于其制造材料(4130鋼)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，上、下控制臂的最大應(yīng)力出現(xiàn)在減振器與下控制臂的連接處，出現(xiàn)應(yīng)力集中且應(yīng)力數(shù)值較大，后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)該對(duì)下控制臂的薄弱處進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，保證懸架的工作可靠性。

4 結(jié)束語

雙橫臂懸架通過在ADAMS/Car中進(jìn)行不同工況下的運(yùn)動(dòng)仿真，得出各鉸接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)載荷，再由HyperMesh分析軟件對(duì)雙橫臂懸架轉(zhuǎn)向節(jié)、上下控制臂的強(qiáng)度分析，獲得各工況下強(qiáng)度校核情況和零件結(jié)構(gòu)的薄弱處，從而為結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作提供參考依據(jù)。同時(shí)可根據(jù)各部件的應(yīng)力分布情況，對(duì)各部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，提高零部件設(shè)計(jì)的合理性。