黄 纬， 廖美颖， 郭绍良， 罗谢盼

(广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院， 广州 511434)

四连杆独立悬架具有良好的操纵稳定性和舒适性，是目前国内外主流中高级乘用车后悬架的常用形式。其中，后悬架下摆臂的合理设计对该类悬架的整体性能和操纵稳定性至关重要，尤其是在加速、制动和不同轮跳车况下，对于车身姿态和行驶稳定性控制起到关键作用[1]。

在设计汽车后悬架下摆臂时，需要兼顾强度、轻量化及成本要求。本文以某汽车四连杆后悬架下摆臂为设计对象，应用有限元分析与尺寸优化设计方法，综合应用截面优化和厚度优化的尺寸优化技术，开展下摆臂尺寸优化设计[2-7]。

1 原下摆臂强度分析

1.1 悬架形式与摆臂结构

图1 多连杆后悬架系统装配示意图

某汽车后悬架采用带纵臂四连杆独立悬架，其中与下摆臂关联的悬架周边件包括后轴节、后纵臂、后上臂、后前束臂等结构件，也包括减振器、缓冲块、螺旋弹簧和稳定杆拉杆等弹性件，悬架系统装配示意图如图1所示。

1.2 材料定义与网格划分

后下摆臂主体采用钢板冲焊制作，材料屈服强度为500 MPa，抗拉强度为650 MPa，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。结构上分为主体下板、加强上板和弹簧座板三部分，在CATIA软件中将这三部分分别抽取中面，并以STEP格式导入HyperWorks软件中开展有限元仿真。

采用2D壳单元CQUAD4进行模拟，并通过Cweld单元和Slide单元分别模拟焊接和接触关系。综合考虑模型最小特征尺寸和计算效率，网格单元的最小尺寸设置为5 mm，网格划分得到的模型含单元总数为15 655个，节点总数为14 967个[8]。

1.3 载荷边界条件定义

下摆臂内外点分别与车架和后轴节(连接车轮)衬套连接，根据四连杆悬架的载荷形式和力传递特点，其本体中间不仅承受螺旋弹簧和缓冲块的作用力，也同时承受稳定杆拉杆的垂向载荷，模型载荷边界条件设置如图2所示。

图2 模型载荷边界条件设置

其中，与车架连接的内点衬套约束1到6向自由度，与后轴节连接的外点约束1和3向自由度，与弹簧座连接处承受弹簧和缓冲块的垂直载荷，与稳定杆拉杆连接处主要承受反向轮跳中的垂向载荷。

1.4 分析工况与载荷确定

根据整车行驶常见路况和耐久试验路面特点，选择4种典型工况开展后下摆臂的强度校核，包括转向、起步加速、前进制动和单轮冲击4种工况。利用ADAMS/Car动力学分析软件建立后悬架的动力学模型，如图3所示，获得典型工况中后下摆臂各节点载荷见表1。

图3 多连杆后悬架动力学模型

1.5 结构强度分析

将以上动力学模型中获得的下摆臂载荷输入到有限元模型中进行求解，得到各典型工况后下摆臂最大应力，见表2。结构最大应力(645 MPa)出现在单轮冲击工况，已超过材料屈服强度(500 MPa)。

表2 典型工况后下摆臂最大应力 MPa

单轮冲击工况结构应力云图如图4所示，进一步分析发现，后下摆臂在加强上板翻边区域出现较大应力集中，且存在高应力分布区域，结构尺寸需要进一步加强和优化。

图4 单轮冲击工况后下摆臂应力云图

2 下摆臂尺寸优化方案及验证

根据尺寸优化的定义，可以从截面优化和厚度优化两个方面来对下摆臂进行尺寸优化[9-10]。

2.1 截面优化

原方案截面形状如图5(a)所示，保持重量不变，将原方案加强上板翻边与弹簧座搭接，增加弹簧、缓冲块承载区域截面面积，提高结构整体的抗弯刚度。同时，将原加强上板拓展至弹簧座外边缘，通过上板开孔的方式实现稳定杆拉杆的运动空间避让，优化结构方案示意如图5(b)所示。

(a) 原方案

(b) 优化方案

图5 优化前后截面形状

2.2 厚度优化

对2.1截面优化方案进行厚度优化，设置主体下板、加强上板和弹簧座板的厚度作为厚度优化设计变量，并分别设置厚度约束变量，以优化结果强度不超过材料屈服强度(500 MPa)为目标函数，迭代求解得到优化方案的厚度优化结果见表3，即获得了满足强度要求下后下摆臂的最终方案。结果表明，优化方案相比于原方案，重量从6.84 kg变为5.33 kg，重量减少23%。

表3 厚度优化结果

注：在OptiStruct软件中设置离散化参数选项，保证设计变量变化步长为0.5 mm

2.3 优化方案强度校核

如表4所示，对比原方案和优化方案在典型行车工况下的强度校核结果可以看到：各典型工况后下摆臂优化方案均满足材料屈服极限要求(单轮冲击工况最大应力为484 MPa，降低25%，其他工况最大应力数值均低于400 MPa)，并且结构材料冗余(低应力区域)显著减少，整体上满足结构减重优化的要求。

表4 典型工况强度校核结果对比

2.4 优化方案验证

2.4.1 疲劳耐久仿真验证

采用准静态法对优化方案后下摆臂进行疲劳耐久仿真验证，仿真所使用的软件为nCode软件，仿真分析流程如下：

1) 根据实车试验采集到的轮心六分力，解算出疲劳耐久的载荷谱。

2) 按照整车开发设计要求，将所获得的载荷谱导入nCode软件中，组合成单个完整的耐久验证循环，进行求解计算。

如图6所示，根据仿真分析结果，下控制臂综合耐久工况下寿命为6.1次，高强耐久工况下寿命为3.2次，满足大于1的设计要求。

图6 综合耐久工况疲劳计算结果

2.4.2 疲劳耐久台架验证

为了进一步验证后下摆臂的疲劳耐久性能，按照优化设计方案制成样件并开展台架试验验证。其中后下摆臂内外安装点分别固定于试验台架，在弹簧座和稳定杆拉杆处对应施加典型工况极限载荷。试验结果：后下摆臂本体经过10万次疲劳耐久试验未出现结构开裂或失效；结构强度和疲劳耐久性满足设计要求。

3 结束语

本文将四连杆后悬架下摆臂的设计与尺寸优化技术进行融合，应用有限元强度分析与尺寸优化设计方法，获得了后下摆臂的优化方案，重量减少23%，最大应力减小25%，实现了下摆臂的轻量化设计，并通过仿真与试验验证了方案的可行性与可靠性。