铝合金前摆臂强度分析_李冰

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1、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：轻量化；摆臂；强度StrengthAnalysisforAluminumAlloyControlArmLIBingLIQin-YingMAOXian-HongChanganAutoGlobalD&RCenterofChanganAutomobileCoLtd,ChongqingChin

2、aAbstract:Thisanalysisisastrengthanalysisforanaluminumalloycontrolarmwithfiniteelementmethod,muti-bodydynamicstoemulatebenchtestofcontrolarm.Theresultofaluminumalloymodeliscontrastedwithsteelmodel.Keywords:Light-weight;ControlArm;Strength1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

3、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，甚至影悬架多体模型响到整车的可靠性。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。动力学分析

4、提取硬点载荷2分析模型材料性能摆臂有限元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。具强度分析体分析流程如图1所示。2.1载荷提取为了得到摆臂硬点位置各方向的载荷，首先需要分析结果计算得到轮胎接地点各方向载荷。以制动工况为例，图1摆臂强度分析流程图2为汽车在水平路面上制动时的受力情形，对后轮接地点取力矩得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。FZ

5、1=Gb/L+muH/L（公式2）FX1=(u/g)(Gb/L+muH/L)（公式3）GH其中，FX1为地面对前轮的摩擦力；g为重力加速度。FX1FX2ab由此可以得到前后轮接地点的纵向和垂向载FZ1FZ2荷。其他工况载荷可以此类推，计算得到轮胎接地L点的载荷，并通过多体动力学软件分解出摆臂各硬图2制动时汽车受力情况点的载荷。2.2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1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-19569107-33210.5上下振动外球头处16

6、42-2292217000后衬套处-1448144-2316-350-1前衬套处-3700-837-702转向横向外球头处2141-624851000后衬套处-177313-4014-800前衬套处1530-5336-712前进制动外球头处-5356-622922000后衬套处5200132414-820前衬套处-11802112-702后退制动外球头处3002-63129000后衬套处-288614-2242-8-102.3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

7、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。后衬套前衬套球头图图3铝合金前摆臂模型5工况示意图图4刚结构摆臂模型2.4属性参数3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/m，屈服强度为380MPa。3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/m，屈服强度为356MPa。3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2铝合金模型

8、与钢结构模型强度分析结果