误用工况下某新能源车型前悬架下控制臂的屈曲分析及优化

摘 要：前悬架下摆臂设计环节中至关重要的是基于误用工况下的屈曲分析。当车辆遭遇剧烈制动通过凹坑或过坎的非常规路况时，前下摆臂会承受超出过大的载荷，从而引发屈曲问题。文章针对某款新能源车型单板前下控制臂进行了有限元分析及优化，确保产品在承受极限负荷时，仍有足够的强度，避免出现塑性变形现象，进而提高车辆的安全性和耐用性。同时，此次分析优化过程也为后续单板控制臂方案屈曲提升提供了参考思路。

关键词：误用工况 新能源车型 前下控制臂 屈曲分析

0 引言

前悬架系统在汽车中发挥着多重作用：高效吸收并缓冲路面带来的冲击与振动；承受并传递车轮与副车架或车身之间的各种力与力矩；维持车轮在既定角度内活动。故而，前悬架系统的设计质量对整车的舒适性、操控性及安全性能影响重大[1-2]。

前悬架下控制臂作为连接副车架与轮端转向节的关键零部件，其负责将作用于车轮的各类力有效传递至车身，确保车轮依预设轨迹运动，支撑车身重量，并与减震器和弹簧协同工作，为车辆提供稳定性与行驶平顺性。同时，下控制臂的结构设计有助于维持车辆正确的车轮定位，对行车稳定性意义非凡。一旦前下控制臂出现故障或失效，将直接影响车辆的车轮定位，降低行车安全[3]。

本文就误用工况下前下控制臂产生屈曲变形的问题展开分析与优化，实现产品性能提升，从而提高车辆行驶安全性。

1 前下控制臂开发流程

通过分析及验证结果表明，车辆误用工况对零部件强度要求颇为严格，其中制动过坑工况（BIP）及侧向撞坎工况（SAC）是控制臂使用过程中的恶劣工况，此时控制臂会承受超出常规工况的 X 向及Y向冲击载荷。因此，本文基于某新能源车型针对这两个工况进行控制臂的 X/Y 向屈曲分析及优化[4]。

首先，绘制初版数据，然后根据提取的载荷信息锁定X向及Y向屈曲分析目标值，开展首轮CAE分析。通过提取的PT6点X/Y向的最大载荷，确定X向屈曲目标值不小于31kN，Y向屈曲目标值不小于49kN。具体分析及优化过程如下：

2 前下控制臂CAE分析及优化

2.1 构建约束并施加位移

约束条件：PT6约束Z方向平动自由度，3；PT3约束Y和Z个方向平动自由度，PT4约束X、Y和Z方向平动自由度。

载荷：在球销点施加X/Y向强制位移直至零件发生屈曲，从而获取结构在失稳前的最大屈曲力值并明确风险位置[5-6]。

2.2 初始数据方案绘制

依照当前的布置空间及硬点要求，初始方案设计为单板前下控制臂总成，选用高强钢FB780作为材料。

2.3 进行初版数据屈曲分析

依据上述约束方式进行约束后，对前下控制臂总成开展X/Y向屈曲分析。分析结果表明：

由相关图示可看出，初始控制臂方案在载荷为24.23kN时会发生X向屈曲，产生塑性变形，不满足当前设计目标要求，Y向屈曲能够满足。因此，需要对摆臂进行优化，重点提升X向受力时的强度。

2.4 前下摆臂方案优化

摆臂的优化可从材料、厚度、结构、尺寸等多方面着手，但需综合考虑悬架的布置空间、整车重量以及成本等诸多因素，选择性价比最优的方案。

首先，确保当前方案的边界条件不变，以避免对周边零件产生影响。其次，鉴于零件成本及模具费用较高，摆臂总成继续以单板状态进行优化，避免过多增加组件及模具。最后零件材料不作调整，仅从结构方面针对屈曲薄弱点来利用拓扑优化方式针对性的进行优化更改[7]。

根据上文图示可知，X 向屈曲点出现在外侧本体与球销座连接位置附近，此位置并非摆臂屈曲的理想发生区域。出于安全性考虑，建议屈曲发生区域如某图中圆圈所示位置。因此，将屈曲提升考虑为提升本体厚度，此方向需考量冲压的可行性。调整截面形状，具体情况如图所示。通过多次调整优化分析，针对该控制臂结构，加宽截面筋的宽度，降低界面筋高度并对局部细节进行调整后，可实现摆臂X向屈曲提升。优化前后对比情况如下图所示。

优化后摆臂的X向屈曲云图及曲线、Y向屈曲云图及曲线分别如图所示。从图中能够看出，优化后的控制臂分析结果中X向及Y向屈曲力值均满足设计要求，疲劳耐久及强度分析也均满足设计要求。

3 结论

本文通过对新能源车型载荷谱的提取，结合误用工况的使用场景，对前下控制臂总成进行屈曲分析及优化，提高产品安全系数，在一定程度上规避产品在特殊路况下失效的风险，得出以下结论。

当下新能源车型的轴荷相较于传统车型有较大幅度增加，产品在设计过程中可充分利用拓扑优化方式。

单板前下控制臂的屈曲值较难达到较高水平，针对此控制臂的硬点及空间布置，通过多次优化分析认为，增加筋的截面宽度、降低筋的界面高度、抬高中心下沉的尺寸使其接近硬点平面，同时优化其他细节，以上措施均可实现X向屈曲值的提升。

参考文献：

[1]宋冲冲.双横臂独立悬架的虚拟设计与仿真分析研究[D].武汉：武汉理工大学，2015.

[2]闵海涛，王建华.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2021：202-244.

[3]赵娟，付志辉.前下控制臂总成常见失效模式探析[J].中国科技纵横，2015：49-50，52.

[4]廖美颖，王小莉.汽车悬架误用工况下前下摆臂屈曲分析与优化[J].汽车零部件，2020（03）：5-8.

[5]阴雪莲.基于稳健性的乘用车前下控制臂设计优化[J].锻压装备与制造技术，2017，52（5）：73-76.

[6]徐荣峰，李献菁，张志远，等.某营运新能源车误用工况前悬架下摆臂的屈曲分优化及验证[J].汽车零部件，2023（04）：57-60.

[7]严君，杨世文，卢建志.某越野车悬架下摆臂的结构轻量化设计[J].河北农机，2011（5）：58-61，72.