艾涛,刘新,戴强,付涛,胡西

(宁波吉利汽车研究开发有限公司，浙江宁波 315336)

0 引言

汽车悬架控制臂通过衬套和球销连接车轮和车身，控制车轮按照一定的轨迹运动，承载簧上质量。控制臂是汽车悬架系统中的导向和传力元件[1]，对整车操控性和舒适性有重要的影响，其强度直接影响行车安全。

国内外学者对汽车控制臂做了大量研究，并取得显著的成果。陈静等人[2]对单片冲压式下控制臂进行拓扑分析和优化设计，达到了轻量化的目的；何小静，上官文斌[3]利用惯性释放法对锻造控制臂进行静刚度和拉、压溃分析；祝小元等[4]以多工况下的柔度和振动固有频率为目标函数，对控制臂进行多目标拓扑分析；王红民等[5]对悬架上控制臂进行强度分析，利用临界平面法对疲劳寿命进行分析和预测。

以上研究大多是针对麦弗逊悬架三点臂或多连杆悬架中的两点臂，工艺一般采用锻造和冲压，结构较为简单，减重效果不太明显。本文作者以集成连杆式独立悬架后下控制臂(以下简称“H臂”)为研究对象，H臂采用空心铸铝工艺，轻量化效果显著。在样件未出之前，以VPG(Virtual Proving Ground)虚拟载荷为载荷输入，利用HyperMesh软件进行前处理，Abaqus作为求解器求解，分析结果满足强度要求，并通过台架实验验证，缩短了开发周期，降低了开发风险。

1 模型建立

根据运动包络建立H臂三维模型(见图1)，H臂上点PT3、点PT4通过衬套连接副车架，点PT6通过球销衬套连接转向节，点PT18连接H臂连接杆，点PT63连接稳定杆拉杆，点PT59处安装弹簧。H臂连接车轮和副车架，承载簧上质量，提供悬架侧向和纵向刚度，控制车轮运动轨迹。

图1 H臂三维模型

2 H臂强度分析

2.1 有限元模型建立

把H臂三维数据导入前处理软件HyperMesh中，采用四面体单元对其进行网格划分[6]，单位类型是C3D10，H臂材料为A356-T6,材料属性如表1所示。在整车坐标系下，约束点PT3 的Y、Z2个平动自由度,约束点PT4X、Y、Z3个平动自由度，约束点PT6Z向平动自由度。点PT3、PT4和PT59采用Rb3柔性耦合，点PT6、PT18和PT63采用Rb2刚性耦合，用B31单元代替点PT6、PT18和PT63螺栓连接，力和力矩加载在各硬点处的节点上，H臂有限元模型如图2所示。

表1 A356-T6铝合金材料性能参数

图2 H臂有限元模型

2.2 强度载荷及分析要求

根据整车多体动力学模型及VPG强度工况提取虚拟强度载荷，取各点分别受最大或最小力时为一个强度工况，共10个强度工况(LC1-LC10)，如表2所示。对其中代号和单位进行说明，例如F3x代表点PT3沿整车X方向的力,N；M63y代表点PT63沿整车Y向的力矩，N·mm。强度要求是在各强度工况下等效塑性应变(PEEQ)不大于0.5%和硬点处永久变形不大于1 mm。

表2 各工况强度载荷

2.3 H臂强度有限元分析结果

利用建好的H臂有限元模型，设置载荷步和输出要求，对表2中LC1-LC10每个工况分别加载，利用Abaqus求解，结果如表3所示,图3为LC1和LC4两个最恶劣的工况云图。从有限元分析结果可以看出，H臂满足各工况强度要求。

表3 LC1-LC10强度工况最大应力、PEEQ及永久变形量

图3 强度工况应力云图

3 H臂台架强度实验

为了验证分析结果的准确性，搭建台架实验验证，对于每个点测试LC1-LC10中最大载荷，要求Level1载荷下永久变形小于1 mm。

点PT3、PT4按照整车装配方式固定在MTS实验台上，点PT18、PT59、PT63强度测试时约束点PT6Z向自由度，液压作动器分别加载在点PT18Y向和Z向，点PT59Z向，点PT63Z向。点PT6强度测试时约束点PT59Z向自由度，液压作动器加载在点PT6X、Y、Z向，如图4所示。

图4 强度测试

各点Level1载荷台架实验力和位移曲线如图5所示。

图5 强度测试力与位移曲线

点PT6X、Y、Z3个方向永久变形分别为0.4、0.05、0.15 mm,总永久变形为0.43 mm；点PT18Y、Z2个方向的永久变形分别为0.022、0.193 mm，总永久变形为0.195 mm；点PT59永久变形为0.16 mm；点PT63永久变形为0.02 mm，各点强度满足设计要求。

4 总结

针对某车型设计了空心铸铝控制臂，通过HyperMesh软件划分了控制臂的网格，根据整车多体动力学模型及强度工况提取虚拟强度载荷，利用Abaqus软件对LC1-LC10共10个工况载荷进行分析计算，并搭建台架实验验证强度。在整车强度实验和耐久实验中控制臂均未发生开裂和断裂情况，分析结果和实验结果表明控制臂满足强度要求，同时也验证了VPG虚拟载荷的准确性，为整车和零部件开发缩短了周期，降低了风险和成本。