下擺臂作為懸架的重要部件，傳遞車輪到車身的力及力矩，其結(jié)構(gòu)性能至關(guān)重要，影響整車的安全性。本文通過(guò)對(duì)下擺臂在不同工況下進(jìn)行靜力分析，分析其受力和變形特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)下擺臂進(jìn)行靜力分析，了解其結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)性能，為后期擺臂輕量化提供分析條件。

建立仿真模型

圖1所示為某汽車懸架的A字下擺臂幾何模型，擺臂由上板、下板、襯套安裝底座組成。上下板的厚度分別為3.5mm、2mm，其尺寸遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度和寬度，所以劃分網(wǎng)格前抽取結(jié)構(gòu)的中面，在中面上劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元大小為3mm；上下板之間的焊接通過(guò)殼單元模擬；擺臂結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2所示。

圖1 擺臂CAD模型

圖2擺臂有限元模型

材料模型

下擺臂的上下板結(jié)構(gòu)需要擴(kuò)孔，本身須具有高強(qiáng)度力學(xué)性能。該下擺臂上下板采用漣鋼貝氏體雙相鋼（又名高擴(kuò)孔鋼），牌號(hào)為FB450，該材料具有較高的強(qiáng)度、延伸率、優(yōu)良的成形性和翻邊性能，能滿足成形性能要求很高的復(fù)雜形狀的汽車零部件的要求。FB450的具體材料性能如下表1所示。

表1FB450材料性能參數(shù)

邊界條件及載荷

本文選擇最大垂向力、最大側(cè)向力、最大制動(dòng)力三種典型極限工況對(duì)擺臂進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)擺臂進(jìn)行虛擬樣機(jī)分析，分析三種工況下擺臂的受載情況，并提取載荷數(shù)據(jù)作為結(jié)構(gòu)分析的輸入載荷。約束條件：三種工況下都約束前點(diǎn)X/Y/Z平動(dòng)自由度和Y/Z轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、約束后點(diǎn)X/Y/Z平動(dòng)自由度和X/Y轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。依據(jù)動(dòng)力學(xué)分析提取的載荷數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)工況在擺臂外點(diǎn)輸入載荷大小進(jìn)行分析。

圖3 擺臂邊界條件與載荷情況

分析結(jié)果

1）最大垂向力工況。圖4（a）所示為擺臂的變形云圖，最大變形值約3.3mm，位于擺臂外點(diǎn)附近區(qū)域；圖4（b）為擺臂的等效應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為232Mpa，位置位于擺臂后點(diǎn)圓孔邊緣處，其安全系數(shù)S=300/232=1.29。

圖4 最大垂向力工況擺臂位移與應(yīng)力云圖

2）最大側(cè)向力工況。圖5（a）所示為擺臂的變形云圖，最大變形值約1.4mm，位于擺臂外點(diǎn)附近區(qū)域；圖5（b）為擺臂的等效應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為99.8Mpa，位置位于擺臂外點(diǎn)圓孔邊緣處（高亮區(qū)域），其安全系數(shù)S=300/99.8=3。

圖5 最大側(cè)向力工況擺臂位移與應(yīng)力云圖

3）最大制動(dòng)力工況。圖6（a）所示為擺臂的變形云圖，最大變形值約5.3mm，位于擺臂外點(diǎn)附近區(qū)域；圖6（b）為擺臂的等效應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為284Mpa，位置位于擺臂下板中心圓孔圓弧邊緣處，其安全系數(shù)S=300/284=1.05。

圖6 最大制動(dòng)力工況擺臂位移與應(yīng)力云圖

結(jié)構(gòu)優(yōu)化

依據(jù)上述三種工況分分析結(jié)果可知：擺臂在最大制動(dòng)力工況下安全系數(shù)不高，可以考慮更換高強(qiáng)度材料，本文將擺臂材料FB450替換為漣鋼HR800CP材料，并進(jìn)行相應(yīng)輕量化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的擺臂上板厚度為3mm，下板結(jié)構(gòu)尺寸不變，HR800CP材料參數(shù)如下表所示。

表1 HR800CP材料性能參數(shù)

優(yōu)化完后結(jié)構(gòu)分析結(jié)果圖7-9所示。

1）最大垂向力工況。圖5（a）所示為擺臂的變形云圖，最大變形值約3.3mm；圖5（b）為擺臂的等效應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為287.6Mpa，位置位于擺臂后點(diǎn)圓孔邊緣處，其安全系數(shù)S=716/287.6=2.49。

圖5優(yōu)化結(jié)構(gòu)最大垂向力工況擺臂位移與應(yīng)力云圖

2）最大側(cè)向力工況。圖6（a）所示為擺臂的變形云圖，最大變形值約1.6mm；圖6（b）為擺臂的等效應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為18.3Mpa，其安全系數(shù)S=716/128.3=5.58。

圖6優(yōu)化結(jié)構(gòu)最大側(cè)向力工況擺臂位移與應(yīng)力云圖

3）最大制動(dòng)力工況。圖7（a）所示為擺臂的變形云圖，最大變形值約6.3mm；圖7（b）為擺臂的等效應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力為316Mpa，其安全系數(shù)S=716/316=2.27。

圖6 最大制動(dòng)力工況擺臂位移與應(yīng)力云圖

總結(jié)

擺臂采用漣鋼HR800CP材料后，三種典型工況下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)都有提高，其中最大垂向力工況安全系數(shù)由1.29提高到2.49；最大側(cè)向力工況安全系數(shù)由3提高到5.58；最大制動(dòng)力工況安全系數(shù)由1.05提高到2.27；并且擺臂上板由3.5mm減薄至3mm，減重0.28kg，占擺臂總重11.8%。