岳鹏飞 罗晓东 方川 唐北平 马东宇

（重庆长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院）

基于台架试验和CAE的铝合金控制臂开发研究

岳鹏飞 罗晓东 方川 唐北平 马东宇

（重庆长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院）

针对某车型设计了铝合金控制臂，对该控制臂进行了台架试验和CAE分析，并根据试验分析结果对该控制臂进行了结构优化，给出了安全试验系数。对优化后的铝合金控制臂进行了验证试验，结果表明，结构优化后的铝合金控制臂不仅完全能够满足耐久试验要求，而且达到了减重34.4%的效果。

1 前言

当前，由于资源与环境问题越来越突出，各国的汽车油耗和排放法规要求越来越严格，节能减排已成为汽车行业主要关注问题之一。汽车轻量化是实现节能减排的重要手段，采用轻量化技术可减轻整车质量，进而降低油耗，提高汽车经济性。

利用合金材料、复合材料代替传统汽车钢材可明显减轻整车质量。目前市场上大部分的发动机缸盖都采用铝合金材料，使用铝合金缸体的发动机比同等排量的铸铁发动机能减轻约20 kg的质量。但铝合金在底盘零部件上应用的相对较少。为此，本文研究了铝合金控制臂的开发方法，以达到减轻零件质量，实现汽车轻量化的目的。

2 控制臂模型的建立

2.1 建立CATIA数模

在保证安全性和强度要求的前提下，在CATIA环境中建立了铝合金控制臂模型，如图1所示。

2.2 建立有限元模型

将建立的铝合金控制臂数模导入HyperMesh软件中，采用四面体单元对其进行网格划分，单元尺寸为3 mm，单元数为116 218。对该模型赋予材料属性，定义边界条件、输出信息等，并直接在HyperMesh自带的求解器中进行仿真计算。铝合金控制臂材料参数如表1所列。

表1 铝合金控制臂材料参数

由于控制臂在汽车制动和转弯过程中作为主要承载部件，故本文只考虑这两种工况。两种工况下控制臂受到前轮制动力和前轮转向横向力的作用，两种力的计算如下。

制动时：

转弯时：

式中，Fb为控制臂所受前轮制动力；Fn为控制臂所受前轮转向横向力；φ为地面附着系数；G为汽车重力；Wf为前轮轴荷；b为汽车质心至后轴中心线的距离；FXb为总的制动力；hg为质心高度；L为前、后轴距；Lf为前轮轮距。

根据两种工况下铝合金控制臂受力情况，进行了CAE仿真分析，仿真分析时控制臂所受力与实车保持一致，分析结果如图2和表2所示。由图2和表2可知，在制动工况下，铝合金控制臂本体结构孔处和球销孔处出现应力集中；在转弯工况下，球销孔处出现应力集中，但均小于铝合金材料的屈服强度。

表2 两种工况下铝合金制动臂受力分析结果

3 铝合金控制臂台架试验

3.1 试验方案

为验证铝合金控制臂的可靠性，同时进行了单体和系统级试验。其中制动工况使用铝合金控制臂单体进行试验，转弯工况进行悬架系统级验证。

3.2 铝合金控制臂单体耐久试验

通过CAE分析，铝合金控制臂满足使用要求，为此在样件生产后搭建了试验台架（图3），以对其进行耐久试验。为与实车中控制臂的安装情况保持一致，选择副车架作为工装并将其固定在专用铁地板上；球销孔一端通过球头座总成与MTS伺服液压系统连接。通过MTS伺服液压系统在铝合金控制臂本体上施加载荷，载荷大小与CAE仿真分析中一致（3 985 N），载荷形式为等幅正弦波，加载频率为1.5 Hz。制动工况载荷谱如图4所示。

随机抽取3个样件（1#、2#、3#）进行模拟制动工况试验。试验结果表明，由于球销孔处的应力较大，最终1#、2#、3#样件在试验次数分别达到288 259、263 305和256 484时在此处发生断裂（图5），不能满足33万次的耐久试验要求。

但在此制动工况下，CAE仿真分析中的应力最大点处（铝合金控制臂本体）并未发生开裂，原因是台架试验时所用样件都安装有衬套，衬套的作用刚好使得铝合金控制臂本体结构孔处的应力降低，所以铝合金控制臂本体开裂风险较小，而CAE分析时没有考虑衬套的影响。

3.3 铝合金控制臂系统耐久试验

为使台架试验更接近实车转弯时的受力情况，通过系统级试验模拟车辆转弯工况。首先将副车架、转向节、前支柱总成、制动盘等按照设计要求与铝合金控制臂连接成前悬架系统并固定在试验台架（图6）上，同时保证悬架系统零部件无开裂、衬套老化等情况。在轮胎与地面接触位置施加3 750 N的侧向力，轮胎用专用工装代替，轮心到加载位置的距离与轮胎半径一致。通过MTS伺服液压系统施加载荷，载荷形式为等幅正弦波，加载频率为1 Hz。转弯工况载荷谱如图7所示。

随机抽取3个样件（1#、2#、3#）进行模拟转弯工况试验。试验结果表明，1#、2#、3#样件在试验次数分别达到203 362、221 250和192 384时同样在球销孔附近发生断裂（图8），均不能满足30万次的耐久试验要求。3个样件的断裂面都位于主要承载部位，为CAE分析中最大力应力处。3个样件的断口形态相似，为一次性脆性断裂的断口特征。这是因为断口上端承受应力较大，导致局部应力大于合金脆性粒子自身的抗拉强度，最终导致自上而下发生脆性断裂。

4 铝合金控制臂结构优化及验证

4.1 结构优化

由上述分析可知，导致耐久试验失败的主要原因是铝合金控制臂在球销孔处应力较大，因此需要对球销孔结构进行优化。首先，在满足总布置要求的前提下对球销孔周围结构进行强度加强，即取消缩颈结构，增加该处的宽度和厚度，使铝合金控制臂本体与球销孔之间的过渡尽量平滑无突变。结构优化后的铝合金控制臂CAE模型如图9所示。

结构优化后的铝合金控制臂CAE模型仍采用四面体单元划分网格，单元尺寸为3 mm，单元数为117 037，材料属性、边界条件、输出信息等与结构优化前模型保持一致，结构优化后两种工况下应力云图和受力分析结果如图10和表3所示。

表3 结构优化后铝合金控制臂受力分析结果

由图10可看出，结构优化后，在制动工况下铝合金控制臂本体处应力比优化前降低了37.6 MPa，球销孔处应力降低了56.7 MPa；在转弯工况下球销孔处应力降低了21.6 MPa，优化效果较明显。由表3可知，结构优化后的受力情况与结构优化前一致。图11为优化前、后几处最大应力的对比结果。

4.2 试验验证

首先按照优化后的控制臂结构对模具进行修改并制造试验样件，然后随意抽取6个样件，分别按照前述试验要求对样件进行单体试验验证和系统级试验验证。结果表明，结构优化后的控制臂满足制动工况33万次，以及转弯工况30万次的耐久试验要求。

5 减重效果及安全试验系数

在结构上，钢控制臂本体主要为腔体，球销安装部位为铸件，两部分通过焊接连接，2个衬套也是通过金属背板与控制臂本体焊接连接；而铝合金控制臂是整体铸造，在衬套安装位置机械加工后将衬套压入，球销孔也是直接机械加工。两种材料控制臂实物对比如图12所示。在质量上，铝合金控制臂的质量为2.8 kg，比钢控制臂减轻1.47 kg，左、右2个控制臂共减轻2.94 kg，减重34.4%，减重效果明显。

经CAE分析，结构优化后铝合金控制臂球销孔处应力为260 MPa，铝合金材料的理论屈服强度为380 MPa，二者比值为0.68，该值可作为安全试验系数，在其它车型的铝合金控制臂开发中可参考该值进行优化，以此作为CAE优化目标，达到目标后再进行验证工作。这样，可降低试验验证次数，从而减少试验样件数量及轮次，缩短开发周期，降低开发成本。

6 结束语

针对某车型设计了铝合金控制臂，对该控制臂进行了台架试验和CAE分析，并进行了结构优化，给出了安全试验系数。通过试验表明，结构优化后的铝合金控制臂不仅能满足单体试验和系统级试验的要求，而且达到减重34.4%的效果。

1 余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社，1981.

2 李楚琳，张胜兰，冯樱，等.Hyperworks分析应用示例.北京：机械工业出版社，2008.

3 朱浩，朱亮，陈剑虹.铝合金在三种应力状态下的力学性能研究及断口分析.兰州理工大学学报，2006.

4 刘永臣，王国林，孙丽.车辆控制臂疲劳损伤分析与寿命预测.农业工程学报，2013，29（16）：83～91.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2015年7月17日。

Design and Research on Aluminum Alloy Control Arm Based on Bench Test and CAE

Yue Pengfei,Luo Xiaodong,Fang Chuan,Tang Beiping,Ma Dongyu
（Chongqing Changan Auto R＆D Center,Changan Automobile Co.,Ltd）

Aluminum control arm has been developed for a vehicle model,on which bench test and CAE analysis are carried out,and structural optimization is made to this control arm according to test and analysis,and safety test coefficient is given.The optimized aluminum control arm has been verified and test,the results show that the aluminum control arm with structural optimization not only meet the requirement of durability test,but also reduce weight of 34.4%.

Aluminum alloy control arm，CAE Analysis，Bench test，Structural optimization

铝合金控制臂 CAE分析 台架试验 结构优化

U463.33+5

A

1000-3703（2015）09-0026-04