全地形越野车悬架后摆臂结构设计与力学仿真验证

摘要：全地形越野车行驶工况极其复杂，悬架为底盘的主要部件，后摆臂为轮边系统与车体系统重要的连接部件，后摆臂的结构设计决定悬架系统的稳定性。基于此，以某款全地形越野车悬架系统为研究对象，运用三维软件对后摆臂进行结构设计，并分析后摆臂的使用工况，运用有限元分析摆臂结构强度，验证该设计是否满足复杂工况的使用要求，以保证该款越野车后摆臂结构稳定与安全。

关键词：全地形越野车；后摆臂；静力学分析

中图分类号：U462 收稿日期：2023-08-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.009

1 前言

随着人们生活水平的提高，人们对于汽车越野体验的要求也在不断提高。作为汽车底盘的重要组成部件，悬架和转向系统的性能直接决定着整车操纵稳定性和平顺性，在车辆设计开发中起着非常重要的作用［1］。后摆臂作为悬架的主要受力部件，既兼顾着轮边系统与车体总成的连接，又需要承受来自车体的重量，因此其结构强度在悬架设计中就显得非常重要。

根据某款全地形越野车的设计要求，本文对后摆臂主要部件进行三维建模与静力学分析，验证该设计是否满足复杂工况的使用要求，以保证该款越野车后摆臂结构稳定与安全。

2 汽车悬架系统研究现状

由于悬架的性能直接影响整车舒适性与安全性，近年来国内外众多学者对其进行了较为细致的研究。例如国外学者道格拉斯等，就悬架与车辆的其它部件之间的相互影响进行深入研究；美国的Olley等学者在20世纪30年代就开始对独立悬架的研究，通过数值分析推导得出车辆悬架系统的微分方程，在时域的基础上对线性化汽车模型进行频率响应分析［2］。通用公司为了解决悬架减震特性，提出了主动悬架的构思，随后有部分学者验证了通用公司的构思确实可以提高悬架的性能。由此可见，国外学者以及企业对于悬架的研究做了大量工作和深入研究。

我国对悬架的研究相比国外研究则起步较晚，绝大多数研究成果集中在高校及科研单位，且研究成果的水平依旧停留在理论研究与初步试验阶段。上海交通大学等为代表的科研院所在悬架方面开展了深入的研究，并取得了一些成果［3］。东风研究院以及国内众多学者分别从独立悬架、整车虚拟样机和动态模拟等方面也进行了深入的研究。

综上分析，国内外学者对于悬架研究的深入，极大地推动了汽车往前发展，空气悬架、半主动悬架、可变悬架等应运而生，悬架其他部件的创新设计也不断地达到新的高度。

3 全地形越野车后摆臂结构设计

3.1 悬架后摆臂性能要求

悬架后摆臂是轮边系统与车体总成的主要连接部件，为了使其结构设计满足复杂的工况，必须使其性能要求满足如下几点：

a.悬架后摆臂应具有足够的安全性、稳定性。

b.悬架后摆臂跳动时应不与其他部件干涉，具有可独立运动特性。

c.悬架后摆臂应具有较强的结构强度，悬架系统可以适应复杂多变的地形。

d.悬架后摆臂应具有足够的刚度，在避震器受力冲击时不容易弯曲变形。

e.悬架后摆臂结构应合理设计，要进行轻量化设计。

3.2 悬架后摆臂结构设计

根据后摆臂设计的性能要求，悬架后摆臂设计包含三个部分：a.与车体总成连接，该部分采用鱼眼杆端轴承配合车体的吊耳进行连接，此处关节可上下、左右旋转运动，使用双螺母的锁定方式进行防松设计；b.后摆臂尾端使用双结构固定的方式，该部分直接与悬架轮边系统的立柱进行结构固定连接，其本身不可活动，横臂的跳动随着立柱的主销倾角随之变化；c.后摆臂避震器连接部分，该部分采用吊耳连接式设计，根据悬架设计的参数，确定悬架的硬点，从而确定避震器与后摆臂的连接位置。运用三维设计的三维模型如图1所示。

为了使后摆臂获得足够的强度刚度，同时兼顾考虑后摆臂的轻量化设计，减轻整车重量以及簧下质量，满足复杂工况的需求，选择铝材作为后摆臂材料。根据某款越野车提供的悬架硬点设计参数，该位置设计与避震器匹配安装的吊耳，并且对该位置进行结构加强处理，安装有避震器的总装如图2所示。

4 悬架后摆臂结构强度分析

4.1 ANSYS有限元分析

ANSYS是一款有限元分析软件，在很多领域中都使用该软件进行结构静力学分析、结构动力学分析、流体力学分析等。有限元法求解是将一个复杂的实体经过离散化，形成有限个细小的单元，对各个单元进行分析的办法，即对模型细化然后进行数值运算的过程［4］。有限元分析方法一般包含前处理和后处理两个部分组成，前处理主要包括有限元几何模型的建立、网格划分、边界约束以及载荷处理等步骤，后处理主要包含求解各类应力、应变云图的查看与分析。

全地形越野车行驶的工况较为复杂，为了能够使设计的悬架后摆臂满足各个工况的要求，需要对后摆臂的结构设计进行设计验证，此处我们使用ANSYS有限元仿真分析软件进行结构力学验证。

4.2 后摆臂有限元模型

有限元模型的建立通常有两种形式，一种是在ANSYS中的DM直接建立模型，另一种是在三维设计软件中设计并按照分析的要求处理好后导入有限元分析软件中。ANSYS建模功能不是很强大，所以想要创建一个复杂的模型比较困难［5］。该软件主要以分析为主，而三维软件则主要是设计为主，在DM中设计有限元模型比较麻烦，因此本文使用三维设计软件SolidWorks对后摆臂进行结构设计，然后转换成step格式并导入ANSYS中，如图3所示，导入模型后观察模型是否存在模型损坏、点线面重合或者离散等现象，如果存在则进一步处理模型。

4.3 后摆臂前处理

本文采用ANSYS 2020R2版本的有限元分析软件，使用Workbench中的Static Structural静力学分析模块，将模型导入软件中，然后需要对有限元模型进行网格划分、定义材料属性以及载荷处理。由于后摆臂属于较为方正的实体，没有曲面构造，因此不需要对模型进一步处理。

将模型导入后，对模型定义材料属性，此处选择7075-T6作为后摆臂材料，点击Engineering Data 定义材料属性，相关材料属性如表1所示。在分析中，网格的数量直接影响计算结果的精准度，网格划分得越细，分析结果就越精准，但考虑到分析设备以及越野车的使用工况，综合考虑本次后摆臂的网格划分将控制在中等网格数量，首先使用几何体尺寸控制，设置单元尺寸为10 mm，因考虑到后摆臂与其他部件接触，在连接件部分使用加密处理，使分析更加准确。划分好的网格如图4所示。根据网格结果显示，后摆臂总共有77 043个节点，45 581个单元。网格总体质量分布均匀，网格质量较好，满足后续结构力学分析的要求。

4.4 后摆臂强度分析

后摆臂的强度分析是基于线性结构力学下进行的响应分析，利用求解场的数值模拟，将复杂的仿真实体进行有限单元物体的离散化，因此对此处的结构强度分析将采用此方法，相关理论计算公式如下：

[MUt+CUt+KUt=Ft] （1）

式中，[M]为系统质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度矩阵;[Ut]为位移矢量;[Ut]为速度矢量;[Ut]为加速度矢量;[Ft]为总载荷矢量。

越野车的后摆臂所承受的载荷主要来自避震器、车体和轮边系统。本文在后摆臂分析时，为了更真实地模拟悬架系统的受力工况，全地形越野车都用高强度工况形式，所以需要乘以动载系数，因为是全地形越野车，因此采用动载系数为4，这样载荷施加才更加精准。后摆臂与轮边系统连接端采用固定约束的方式，与车体总成连接端也采用固定的方式连接，避震器处则采用基本载荷乘以动载系数，按照整车满载重量以及前后载荷分配比计算。根据某款越野车的设计数据，最终施加在后摆臂避震器点上的力F为8 000 N，惯性力施加为标准地球重力，将与车体连接的孔以及轮边系统连接的孔进行固定约束。由施加的载荷和约束，可以分析求解得出后摆臂的位移云图、应力云图以及应力安全系数分别如图5、图6、图7所示。

由以上云图分析可知：越野车的后摆臂最大变形量为0.317 mm，最大变形发生在后摆臂与避震器连接的吊耳上；最大等效应力值为52.241 MPa，最大应力发生在避震器吊耳位置，但远小于屈服强度455 MPa，在安全范围之内；应力安全系数为8.6267。以上三个数据表明，该款越野车设计的后摆臂满足各个工况下使用，各项指数均在安全范围之内，可以保证悬架系统正常使用。

5 结语

本文对某款越野车进行了结构设计，并进行了验证，可以得出，后摆臂的结构设计满足设计要求，满足后摆臂的性能要求，符合越野车在复杂的工况下行驶。通过本次结构设计与力学验证，保证了该款越野车悬架后摆臂结构稳定与安全。

参考文献：

[1]石剑英.大学生方程式赛车悬架和转向系统优化设计与仿真分析[D].锦州：辽宁工业大学.2019.

[2]邵鹏生.双横臂式扭杆弹簧独立悬架的参数优化[D].沈阳：沈阳工业大学，2017.

[3]裴倩倩.主动/半主动振动控制及在汽车悬架系统中的应用研究[D].昆明：昆明理工大学，2017.

[4]徐芝纶.弹性力学简明教程[M].北京：高等教育出版社，2013.

[5]魏东来.FSC赛车悬架系统优化设计[D].锦州：辽宁工业大学，2016.

作者简介：

陈桁烽，男，1985年生，工程师，研究方向为汽车技术。