前悬架控制臂CAE分析及结构优化

彭 湃，胡春波，吴世彪，郝俊锋，刘维子 Peng Pai，Hu Chunbo，Wu Shibiao，Hao Junfeng，Liu Weizi

前悬架控制臂CAE分析及结构优化

彭 湃，胡春波，吴世彪，郝俊锋，刘维子
Peng Pai，Hu Chunbo，Wu Shibiao，Hao Junfeng，Liu Weizi

（众泰控股集团汽车工程研究院 底盘部，浙江 杭州 310018）

对某SUV车型前悬架控制臂进行分析，通过ADAMS软件提取载荷和通过HyperWorks软件进行有限元分析，典型工况满足设计要求，冲击工况的控制臂弯曲研究较少，通过结构优化，解决了该问题，建立了相关CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）分析标准，提高了整车安全性。

悬架；控制臂；CAE；工况；结构优化

0 引 言

悬架最主要的功能是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩，并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性[1]。麦弗逊式独立悬架具有结构简单、紧凑、占用空间小等特点，是汽车上广泛采用的一种悬架结构形式。运动特性关系到汽车操纵稳定性、舒适性、转向轻便性等性能[2]。控制臂作为悬架系统中的关键零件，是悬架传力与导向的核心部件，将作用在车轮上的各种力及力矩传递到车身上，保证车轮沿一定的轨迹运动。

随着汽车工业水平的不断发展，我国的汽车技术取得了长足进步，但与欧美发达国家相比，还存在一定差距，表现在某些核心零部件开发、关键系统匹配与调校、工艺技术能力开发、数据库建立等方面。对于前悬架控制臂，已经建立了一套完整的正向开发流程，能确保在加速、制动、转向、垂跳等工况下稳定工作，但对于车辆冲击路缘石或者深坑这种非常规的滥用工况研究较少。

1 样车及控制臂参数

某SUV车型轴距为2 807 mm，满载质量为2 270 kg。前悬架采用麦弗逊式独立悬架，控制臂呈三角状，如图1所示。一端为球头销，与控制臂一体式设计，省去传统球头销的底座及与三角臂固定的螺栓、螺母，可以减轻质量，球头销和转向节相连，支撑车轮、减振器和车身；另外两端为前、后衬套，与副车架相连，吸收部分冲击和振动，为汽车操纵稳定性和舒适性提供支持。

该控制臂本体采用锻造工艺，材料为6082铝合金，密度为2 700 kg/m3，屈服强度为290 MPa，延伸率为13%。铸铝材料屈服强度为220 MPa，延伸率为7%。传统铁控制臂密度为7 850 kg/m3，锻铝控制臂相对传统铁控制臂减重35%以上，相对铸铝控制臂减重10%，提高了整车燃油经济性。目前市场上出现过某些车型断轴（铸铝控制臂断裂）的问题，锻铝控制臂强度高、延伸率大，能提高整车安全性能。

图1 控制臂结构图

2 控制臂CAE分析

2.1 典型工况CAE分析及验证

目前整车开发过程中，为模拟汽车在各种路况和正常驾驶条件下的运动情况，建立了启动、制动、转向、颠簸等典型工况。在ADAMS/Car的悬架系统运动模型中提取各工况下的控制臂载荷数据，在HyperWorks中对控制臂进行有限元建模及强度分析，各工况CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）统计见表1；最大应力为238.9 MPa，如图2所示；颠簸路垂跳，塑性应变如图3所示，控制臂结构强度满足设计要求。在后续整车综合耐久试验中，控制臂也顺利通过路试，与CAE分析结果一致。

表1 典型工况CAE统计

图2 前进制动工况最大应力

图3 颠簸路垂跳工况塑性应变

2.2 冲击工况CAE分析及验证

汽车在行驶过程中，误操作不可预见地通过大冲击坑和坎的情况，称为冲击工况，具体工况条件见表2。冲击工况属于滥用工况，各品牌研究较少，CAE分析缺乏加载标准。

表2 冲击工况条件

该控制臂数据冻结阶段未进行冲击工况分析，采用实车冲击试验进行验证，在冲击工况1和3下，控制臂无异常；在冲击工况2和4下，控制臂出现弯曲，未开裂，冲击前、后对比如图4所示。经CAE分析，控制臂屈服应力曲线如图5所示，最大应力值为25 217 N。

图4 冲击试验前、后控制臂

图5 未优化控制臂的屈服应力曲线

2.3 冲击工况CAE分析标准初步建立

参考某北欧汽车品牌，在控制臂冲击工况中，对前轴施加纵向6载荷。在某SUV车型冲击试验过程中，通过六分力采集系统，获取轮心及控制臂等零件的受力，经过数据处理并考虑轴荷转移，初步建立冲击工况CAE分析标准，即单轮施加1.4倍整车满载载荷，不得出现弯曲、断裂等现象，此时该SUV对应的前轴纵向载荷约为5.5。

2.4 控制臂结构优化与验证

冲击工况属于滥用工况，正常驾驶情况下不会发生，但为提高整车安全和底盘强度，避免客户与4 S店的纠纷与抱怨，决定对控制臂结构进行优化。对原控制臂弯曲区域增加加强筋及填补材料，优化数据如图6所示，经CAE分析，优化控制臂屈服应力曲线如图7所示，最大应力值为32 866 N。在表2冲击工况分析标准下，优化控制臂未屈服。

图6 优化后的控制臂

优化控制臂在原控制臂基础上修模，通过锻造、机加工、装配达到设计状，安装到整车上后进行实车冲击试验，4种冲击工况均通过试验，与CAE分析结果一致，验证了试验冲击工况CAE分析标准的可行性。

图7 优化控制臂的屈服应力曲线

3 结束语

对某SUV车型前悬架控制臂进行研究，CAE典型工况和整车综合耐久试验均满足要求。冲击工况方面，控制臂未进行相关CAE分析，实车冲击试验中，控制臂出现弯曲现象。参考某汽车品牌相关标准，通过实车数据采集及处理，建立了冲击试验CAE分析标准，同时优化控制臂结构，再次进行实车冲击试验，控制臂合格，验证了该标准的可行性。这为控制臂开发积累了经验，建立了冲击工况CAE分析标准，同时加强了底盘强度并提高了整车安全性能。

[1]刘惟信. 汽车设计[M]. 北京：清华大学出版社，2006.

[2]时培成，陈黎卿，韦山，等. 麦弗逊式独立悬架运动分析[J].机械传动. 2008，32（1）:84-87，112.

2019-05-10

U463.33.03

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.05.003

1002-4581（2019）05-0011-03