董彥曉，王金剛

（河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300000）

輕型貨車懸架橫臂輕量化設(shè)計

董彥曉，王金剛

（河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300000）

根據(jù)經(jīng)驗對某款輕型貨車懸架橫臂進(jìn)行輕量化設(shè)計。基于Hyperwork建立了橫臂的有限元模型，通過有限元分析，對比不同橫臂材料和結(jié)構(gòu)在各工況下的最大應(yīng)力值，在滿足屈服強(qiáng)度的條件下，使零件達(dá)到輕量化的目的。對橫臂進(jìn)行模態(tài)分析，驗證了橫臂固有頻率大于其工作頻率，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。橫臂的臺架試驗和路試試驗結(jié)果證明了優(yōu)化設(shè)計的可行性，所采用的研究方法對懸架輕量化設(shè)計提供了一些思路和經(jīng)驗。

輕型貨車；橫臂；輕量化；有限元分析；試驗

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.013

CLC NO.: U463.33 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-38-03

引言

隨著國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的實施和汽車行業(yè)競爭日趨激烈，汽車輕量化已經(jīng)成為汽車行業(yè)中的一項關(guān)鍵性研究課題。輕量化設(shè)計是汽車降低油耗和提高性能的重要手段，同時，它也是降低產(chǎn)品成本的重要途徑。研究表明，汽車每減重10%，燃油消耗可減少6%以上。因此在汽車設(shè)計過程中，對汽車零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以達(dá)到節(jié)約資源和降低成本的雙重目的［1］。

本文基于CAE技術(shù)對某企業(yè)開發(fā)的輕型貨車前懸架橫臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，利用HyperWorks軟件，首先對橫臂進(jìn)行靜強(qiáng)度校核，在滿足動態(tài)性能和屈服強(qiáng)度的條件下，對橫臂材質(zhì)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，使零件達(dá)到輕量化的目的。其次，對橫臂進(jìn)行模態(tài)分析，確認(rèn)產(chǎn)品更改的可行性，避免共振和噪聲等不良現(xiàn)象的發(fā)生。最后通過臺架試驗和路試試驗對輕量化橫臂進(jìn)行試驗驗證，確定了優(yōu)化結(jié)果的合理性［2］。

1、橫臂的功能和作用

橫臂是懸架系統(tǒng)導(dǎo)向裝置的主要部件，一端通過橡膠軸套與轉(zhuǎn)向節(jié)連接，另一端與車架連接。通過橫臂本體、軸套等部件傳遞作用在車架和車輪之間的一切力和力矩，利用橫臂本身的剛度及軸套的特性緩和汽車駛過不平路面時產(chǎn)生的沖擊，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動，保證汽車正常行駛［3］。

2、橫臂的輕量化設(shè)計

橫臂的輕量化設(shè)計，主要考慮用薄板代替厚板，實現(xiàn)途徑有如下兩種：a)優(yōu)化橫臂結(jié)構(gòu)降低產(chǎn)品應(yīng)力，以降低材料厚度；b）使用低厚度高強(qiáng)度板材代替高厚度低強(qiáng)度板材，以降低產(chǎn)品重量。

該輕型貨車前懸架上橫臂結(jié)構(gòu)如圖1所示，橫臂成型工藝設(shè)計為焊接，橫壁主體中間設(shè)有兩連接管，以增加產(chǎn)品可靠性。通過對零件結(jié)構(gòu)的整體分析，將橫臂本體材料由35#無縫鋼管更改為QStE380TM的焊管，同時將長連接管變更為連接板，從而實現(xiàn)橫臂輕量化［4］，測量改后橫臂重量相比之前減輕了1.5Kg，更改后橫臂如圖2所示。

圖1 原橫臂

圖2 材料及結(jié)構(gòu)變更后橫臂

3、橫臂的有限元分析

35#無縫鋼管、QStE380TM焊管的力學(xué)性能見表1。

表1 力學(xué)性能

在UG中建立前懸架三維模型，將模型導(dǎo)入Hyperwork軟件中，利用HyperMesh模塊建立有限元模型，對懸架結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格。劃分完成后將模型導(dǎo)入Abaqus中進(jìn)行后處理，參照零部件材料參數(shù)定義材料屬性，35#和QStE380TM材料屬性（密度、彈性模量、泊松比）相同，密度為7.85×kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3［5］。

3.1 橫臂的靜強(qiáng)度分析

圖3 更改前橫臂應(yīng)力云圖

對懸架有限元模型進(jìn)行整車四工況（制動工況、轉(zhuǎn)向工況、加速工況、顛簸工況）［6］分析。更改前、更改后橫臂應(yīng)力云圖見圖3、圖4，應(yīng)力數(shù)據(jù)對比見表2。

圖4 更改后橫臂應(yīng)力云圖

表2 更改前后應(yīng)力對比

由對比分析結(jié)果可知，橫臂更改前、更改后各焊接件，在各工況下最大應(yīng)力位置一致，更改后橫臂應(yīng)力增大，最大增幅為5.32%，由114.7Mpa增加至120.8Mpa，位于橫臂主體中端接近短連接管處。但各工況下橫臂應(yīng)力均小于零件屈服強(qiáng)度315Mpa，故有限元分析輕量化后的橫臂能夠滿足使用要求。

3.2 橫臂的模態(tài)分析

汽車在實際行駛的過程中，由于行駛路面的坑凹不平極易產(chǎn)生激振頻率，為避免零件產(chǎn)生共振，從而導(dǎo)致零件結(jié)構(gòu)損壞，同時保證行駛平順性和減小噪聲，需要對零件進(jìn)行模態(tài)分析，保證零件的固有頻率大于激振頻率［7］。

對懸架橫臂進(jìn)行模態(tài)分析，取前十二階自由模態(tài)，前六階模態(tài)為剛性模態(tài)，其頻率為0HZ，故從第七階模態(tài)開始算為第一階模態(tài)，得到如表3所示前六階自由模態(tài)下的固有頻率。

表3 橫臂1～6階振動固有頻率

汽車行駛在凹凸不平的路面，對汽車振動系統(tǒng)產(chǎn)生的激勵頻率通常在0.5～25HZ范圍內(nèi)，由表3可知，更改前/更改后的橫臂固有頻率均遠(yuǎn)大于激振頻率，因此橫臂不會發(fā)生共振現(xiàn)象［8］。

4、試驗驗證

4.1 臺架試驗

由于橫臂結(jié)構(gòu)變更，需進(jìn)行臺架試驗進(jìn)行可靠性分析。在進(jìn)行臺架試驗前，用靜力學(xué)方法計量作用在零件上的載荷?？紤]到汽車底盤的工作環(huán)境，對底盤分別按照三種典型的危險工況進(jìn)行靜力學(xué)分析三種典型的危險工況分別是：

（1）汽車越過不平路面時，受到來自地面的沖擊動載荷；

（2）汽車緊急制動時，受到地面縱向沖擊載荷和汽車的慣性力；

（3）汽車發(fā)生側(cè)滑時，受到地面的側(cè)向沖擊載荷。

表4 整車參數(shù)

試驗參數(shù)計算：

設(shè)地面對前懸左、右輪反力相等

（1）在不平路面沖擊動載荷作用下的強(qiáng)度計算

在通過不平路面時，前懸除了承受靜止載荷外，還要承受附加沖擊載荷，在這兩種載荷作用下：F垂=K×G1/2

（2）緊急制動時強(qiáng)度計算

不考慮側(cè)向力，汽車緊急制動時受力：

F前進(jìn)制動=（1-h×φ/S）G1/2

F后退制動=（1+h×φ/S）G1/2

（3）側(cè)向滑移時強(qiáng)度計算

當(dāng)汽車滿載高速轉(zhuǎn)彎時，會產(chǎn)生作用于汽車質(zhì)心處相當(dāng)大的離心力，汽車會承受側(cè)向力：F側(cè)=φ1×G1/2

將輕量化后的橫臂和減震器、穩(wěn)定桿、制動器等陪試件參照整車狀態(tài)裝配到車架和工裝件上，并按照整車安裝力矩擰緊各處連接螺栓。由于前懸受力點較多，故將車架進(jìn)行固定，在制動器上施加臺架試驗所需的垂向力、制動力和側(cè)向力，加載示意圖如圖5所示。

圖5 加載示意圖

試驗結(jié)果如表5所示，檢查試驗樣件：金屬無開裂、無明顯塑性變形，焊接處無開裂。臺架試驗表明，輕量化后的橫臂能夠滿足產(chǎn)品設(shè)計要求。

表5 試驗數(shù)據(jù)

4.2 整車路試試驗

將輕量化后的橫臂搭載到底盤耐久試驗車上，進(jìn)行路試試驗，試驗包括山路、急加速、緊急制動、高速環(huán)路等。

試驗完成后，拆解檢查橫臂：金屬部位無開裂、無塑性變形，焊接處無開裂。路試試驗表明，輕量化后的橫臂能夠滿足產(chǎn)品設(shè)計要求。

5、結(jié)論

通過靜強(qiáng)度分析，得到橫臂在載荷作用下的應(yīng)力分布特性，更改后的橫臂應(yīng)力在一定程度上有所增大，但仍遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，其結(jié)構(gòu)性能并沒有受到影響。同時，通過模態(tài)分析確定了橫臂在不平路面引起的激振范圍及對應(yīng)的模態(tài)，獲得了在外界頻率范圍內(nèi)橫臂的實際振動響應(yīng)。臺架試驗和路試試驗結(jié)果證明，優(yōu)化設(shè)計后的橫臂可以滿足使用要求。橫臂的輕量化設(shè)計使整車減重1.5Kg，在產(chǎn)品質(zhì)量降低的同時，有效降低了油耗，為企業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 魯春艷.汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其實施途徑[J].上海汽車,2007:28-31.

[2] JH Park, KJ Kim. Optimal design of camber link component for lightweight automobile using CAE (Computer Aided Engineering) [J] .International Journal of Precision Engineering & Manufacturing, 2013, 14(8):1433-1437.

[3] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:367.

[4] 王登峰.轎車懸架控制臂參數(shù)化建模及輕量化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計[J].汽車技術(shù),2015(3):1-4.

[5] 元博.基于材料和結(jié)構(gòu)的輕量化自卸車貨廂設(shè)計[J].汽車實用技術(shù),2015（7）:63.

[6] 蔡茂,高群.碳纖維麥弗遜懸架控制臂輕量化設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2015（7）:189-192.

[7] 劉為,薛克敏等.汽車驅(qū)動橋殼的有限元分析和優(yōu)化[J].汽車工程,2012,34（6）:523-527.

[8] 王樹英,鄭松林,馮金芝,劉新田.燃料電池轎車前副車架輕量化設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計,2013,30(02)41-44.

Lightweight Design of Light Trucks Suspension Wishbone

Dong Yanxiao, Wang Jingang
（Hebei university of technology institute of mechanical engineering, Tianjin 300000）

According to the experience of a kind of light truck suspension beam for lightweight design. Based on Hyperwork beam finite element model is established, through the finite element analysis, compare the different beam material and structure under various operating conditions on the maximum stress value, under the condition of meet the yield strength, make the parts to achieve the purpose of lightweight.Modal analysis was carried out on the cross arm, verified the crossarm inherent frequency is greater than its working frequency, avoid the happening of resonance phenomena.Cross arm bench test and road test results prove the feasibility of optimization design, the research method adopted by the lightweight design of suspension provides some ideas and experience.

light trucks; wishbone; lightweight; finite element analysis; tes

U463.33

A

1671-7988 (2016)12-38-03

董彥曉（1990-），女，就讀于河北工業(yè)大學(xué)，碩士，研究方向：車輛系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法研究。王金剛（1961-），男，博士，教授，就職于河北工業(yè)大學(xué)，研究方向：車輛系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法研究；新型汽車制動材料研究；專用汽車設(shè)計平臺開發(fā)研究。