铝合金前摆臂强度分析_李冰.pdf

铝合金前摆臂强度分析 李冰， 李芹英， 毛显红 重庆长安汽车股份有限公司、汽车工程研究总院 摘摘 要要：基于某车型前摆臂模型，以底盘多体动力学模型模拟摆臂台架试验输出的摆臂受力状况为加载条 件，进行摆臂强度分析，通过对比铝合金模型和钢结构模型的分析结果，评估该摆臂使用锻造铝合金材料 的可行性 关键词关键词：轻量化；摆臂；强度 Strength Analysis for Aluminum Alloy Control Arm LI Bing LI Qin-Ying MAO Xian-Hong Changan Auto Global D Control Arm; Strength 1 引言引言 汽车轻量化设计已在汽车研发过程中占有重要地位铝合金材料凭借其良好的性能，已经成为 汽车轻量化设计的重要措施之一锻造铝合金具有出色的机械性能和良好的耐蚀性，既可用于形状 复杂、厚薄不均匀的托架、车轮等重要零部件，又是理想的汽车轻量化材料摆臂作为汽车悬架系 统中传力和导向的重要部件，其一端通过橡胶衬套与副车架连接，另一端通过球铰与转向节连接， 将作用在车轮上的各种力传递给车身，并保证车轮按照一定轨迹运动。

由于摆臂的实际工况载荷比 较复杂，在其所受的应力达到材料许用应力的情况 下，局部位置可能产生开裂，影响正常使用，甚至影 响到整车的可靠性 本文针对某车型摆臂， 对比分析 锻造铝合金和刚结构摆臂强度， 以考察该摆臂材料使 用铝合金代替刚的可行性 2 分析模型分析模型 本次分析模拟台架试验：上下振动，转向，前进 制动， 后退制动四种工况， 通过多体动力学载荷分解 得到相关硬点的载荷输入， 进行有限元强度分析 具 体分析流程如图 1 所示 2.1 载荷提取载荷提取 为了得到摆臂硬点位置各方向的载荷， 首先需要 计算得到轮胎接地点各方向载荷以制动工况为例， 图 2 为汽车在水平路面上制动时的受力情形， 对后轮 悬架多体模型 动力学分析提取硬点载荷 摆臂有限元模型材料性能 强度分析 分析结果 图图 1 摆臂强度分析流程摆臂强度分析流程 接地点取力矩得 FZ1L=Gb+muH （公式 1） 其中，FZ1为地面对前轮的法向反作用力；G 为汽车重力；b 为汽车质心到后轴中心线的距离； m 为汽车质量；H 为汽车质心高度，u 为汽车减速 度 FZ1= Gb/L+muH/L （公式 2） FX1= (u/g)(Gb/L+muH/L) （公式 3） 其中，FX1为地面对前轮的摩擦力；g 为重力加 速度。

由此可以得到前后轮接地点的纵向和垂向载 荷其他工况载荷可以此类推，计算得到轮胎接地 点的载荷，并通过多体动力学软件分解出摆臂各硬 点的载荷 2.2 边界条件边界条件 本次分析采用惯性释放方法各硬点对应的载荷如表 1 所示 表表 1 摆臂各硬点的载荷信息摆臂各硬点的载荷信息 工况 位置 Fx(N) Fy(N)Fz(N)Tx(N.mm)Ty(N.mm) Tz(N.mm) 前衬套处 -195 69107 -332 10.5 外球头处 1642 -2292217 00 0 上下振动 后衬套处 -1448 144-2316 -350 -1 前衬套处 -370 0-837 -70 2 外球头处 2141 -624851 00 0 转向横向 后衬套处 -1773 13-4014 -80 0 前衬套处 153 0-5336 -71 2 外球头处 -5356 -622922 00 0 前进制动 后衬套处 5200 132414 -82 0 前衬套处 -118 02112 -70 2 外球头处 3002 -63129 00 0 后退制动 后衬套处 -2886 14-2242 -8-1 0 2.3 有限元模型有限元模型 针对铝合金前摆臂，采用四面体单元进行建模，共计 100178 个单元，25151 个节点，单元基本 尺寸 3mm。

有限元模型如图 3 所示 针对钢结构前摆臂，采用板壳单元进行建模，共计 21835 个单元，15727 个节点，单元基本尺 寸 3mm有限元模型如图 4 所示 FZ1FZ2 FX1FX2 L H ab G 图图 2 制动时汽车受力情况制动时汽车受力情况 2.4 属性参数属性参数 铝合金摆臂的材料参数：弹性模量为 70GPa，泊松比为 0.33，密度为 2700kg/m3，屈服强度为 380MPa 刚结构摆臂本体的材料参数：弹性模量为 200GPa，泊松比为 0.28，密度为 7900kg/m3，屈服强 度为 356MPa 3 分析结果分析结果 采用同样的分析方法，分别对铝合金前摆臂和钢结构前摆臂进行了强度分析，得到两种材料摆 臂的强度分析结果，如表 2 所示 表表 2 铝合金模型与钢结构模型强度分析结果对比铝合金模型与钢结构模型强度分析结果对比 最大应力（MPa） 安全系数 工况 钢结构模型 铝合金模型 钢结构模型 铝合金模型 上下振动 118.8 46.1 2.15 2.26 转向横向 207.4 66.9 1.23 1.56 前进制动 309.0 122.6 0.83 0.85 后退制动 153.4 63.2 1.64 1.65 铝合金前摆臂在不同工况下的应力分布如图 5-8 所示。

图图 6 转向横向工况分析结果转向横向工况分析结果 66.9 MPa 图图 5 上下振动工况分析结果上下振动工况分析结果 46.1 MPa 图图 5 工况示意图工况示意图 图图 3 铝合金前摆臂模型铝合金前摆臂模型 球头 后衬套 前衬套 图图 4 刚结构摆臂模型刚结构摆臂模型 4 结论结论 铝合金摆臂总重量为 2.06Kg，钢结构摆臂总重量为 3.26Kg，轻量化效果为 36.8%，铝合金摆臂 模型重量较刚结构模型有明显降低由安全系数结果可知，说明锻造铝合金轻量化摆臂不仅能够切 实降低重量，而且强度性能上也有一定提高 5 展望展望 本文通过有限元方法，模拟台架试验工况，对锻造铝合金前摆臂进行了强度分析，并通过安全 系数与钢结构前摆臂的强度结果进行了对比，说明锻造铝合金前摆臂不仅能够起到轻量化效果，而 且可以使强度性能得到一定提升但为全面说明锻造铝合金摆臂的结构性能，需要在以下两方面做 进一步工作： 1、对锻造铝合金前摆臂进行疲劳分析，对其疲劳耐久性能进行预测 2、通过试验进一步验证锻造铝合金前摆臂的强度、耐久性能，与有限元分析结果进行对比 参考文献： 参考文献： [1] 何京. 应用在汽车上的铝合金[J]，汽车运用，2007(3). 图图 8 后退制动工况分析结果后退制动工况分析结果 63.2 MPa 图图 7 前进制动工况分析结果前进制动工况分析结果 122.6 MPa 。