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[分享] 铝合金分体式下摆臂可行性分析

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发表于 2020-8-28 10:56:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
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【汽车材料网】铝合金分体式下摆臂可行性分析
赵冠淇1,马丽春2,杨平1,崔学东1
(1.辽宁忠旺集团有限公司,辽宁 辽阳 111003;2.青岛大学 材料科学与工程学院,山东 青岛 266071)
摘 要:文章针对某跑车前麦弗逊悬架的整体式下摆臂在采用铝合金材料后出现的局部强度不足问题,提出了铝合金分体式下摆臂方案。但因为悬架结构形式的变化,并增加了新衬套,会对悬架K&C特性造成一定影响。为分析其影响,结合跑车自身的特点进行了初版硬点的布置并分析了该跑车前麦弗逊悬架在采用了分体式下摆臂后的K&C特性,验证了分体式下摆臂的可行性。
关键词:铝合金分体式下摆臂;K&C特性;跑车;麦弗逊悬架

引言
麦弗逊悬架以结构简单、成本低廉、舒适性尚可等优点被广泛地运用,从耳熟能详的微型代步工具奥托到追求速度和操控极限的宝马M3、保时捷911,其前悬架都无一例外地采用了这种结构简单、延伸性好的悬挂系统。只是为了适应各自不同的市场定位和产品诉求,在弹簧阻尼系数调校和结构匹配上各自有所不同。
麦弗逊式悬挂主要由螺旋弹簧、减振器、三角形下摆臂、横向稳定杆组成。目前大部分三角形下摆臂为整体式下摆臂,如图1所示。由于下摆臂在采用铝合金材料后,受三角形结构限制,导致局部强度不能满足要求,不利于结构的轻量化。同时,受衬套结构的影响,调试空间也受到一定的局限性[1]。
分体式下摆臂包含横臂和纵臂结构,并采用衬套进行连接,如图2所示。这种结构采用两个独立且结构相对简单的杆件代替之前的三角臂结构,从力学角度上更容易满足强度、刚度以及疲劳方面的要求。该结构不仅利于摆臂轻量化,而且前后悬架可以共用横臂,既降低了生产成本又增加了零件的通用性。但由于在摆臂中增加了一个衬套,使下摆臂的柔性增大,可能会对前麦弗逊悬架的K&C特性造成一定影响。因此有必要对该悬架在采用分体式下摆臂后的 K&C特性进行分析,确定其是否仍能满足设计要求。

图1 整体式三角臂

图2 分体式下摆臂

1 初始硬点布置
悬架的初始硬点应参考总布置空间进行布置,由于跑车的整车姿态较低,要求减震器上点布置较低,同时又必须满足悬架的行程要求。综合以上两点进行悬架的初始硬点布置并绘制初版模型,见图3和表1:

图3 前悬架布置图
表1 前悬架硬点坐标



2 悬架K&C特性
分析悬架 K&C特性是车辆开发流程中不可缺少的一部分工作,目前悬架的K&C特性仿真结果已经能够和试验结果较好地吻合。K代表Kinematics,在分析时不考虑质量和力以及弹性原件的变形特性,只跟悬架连杆的几何运动相关;C代表Compliance,在分析时要考虑在车轮施加力之后导致的悬架变形,跟悬架系统的弹簧、衬套以及零件变形有关[2]。下面使用多体动力学软件对章节1中悬架的K&C特性进行分析,验证其可行性。

2.1 模型建立
为了验证分体式摆臂设计的可行性,利用多体动力学分析软件建立了该悬架多体模型,如图4所示。该麦弗逊悬架多体模型与传统多体模型的不同之处在于下摆臂建模时也采用了分体式结构,将原三角臂分为纵臂和横臂并采用衬套进行连接,如图5所示。

图4 前悬架多体模型

图5 分体式下摆臂模型

2.2 参数输入
多体模型中需要输入的参数主要包括弹簧模型、下摆臂前衬套模型、下摆臂后衬套模型,纵臂和横臂连接衬套模型、减震器上衬套模型以及缓冲块模型,除连接纵臂和横臂的衬套外,相关数据均和参考车相同。

2.3 分析工况
悬架K&C特性分析中常采用的工况包括[3]:
(1)平行轮跳。双轮同时同向往复运动,主要监测量有:前束角变化、外倾角变化、后倾角变化、悬架刚度、车轮中心纵倾变形等。
(2)侧倾试验。通过给定的侧倾角驱动车轮接地面往复运动,并保持接地面水平以及车轮载荷不变。主要监测量有:侧倾角刚度、前束角变化、外倾角变化。
(3)侧向力试验:同时同向对两轮加载侧向力,主要监测量有:前束角变化、外倾角变化、轮距变化。
(4)回正力矩试验:回正力矩试验研究的是车轮在受到回正力矩时悬架系统的运动性能。主要监测量有:同向和反向前束角变化。
(5)纵向力试验:同时同向对两轮加载纵向力,主要测试悬架系统在受到纵向力之后的运动性能。主要监测变量有:前束角变化、外倾角变化、轴距变化。
(6)转向系统几何测试:转动方向盘,测量转向主销各参数。主要监测量有:左轮的阿克曼偏差。

2.4 分析结果
利用多体动力学软件按照上述分析工况进行分析,并利用后处理模块提取相关监测参数。分析结果及参考值见表2:
表2 多体动力学分析结果及参考值

通过与参考值的对比,发现采用分体式铝合金下摆臂后前麦弗逊悬架 K&C特性的各项指标均在合理范围,这种分体式结构在满足悬架K&C特性方面是可行的,可以作为一种铝合金下摆臂的轻量化结构方案来进行深入研究。

2.5 分体式下摆臂在轻量化方面的优势
分体式下摆臂的横臂和纵臂均为杆件,受力及变形情况相较之前的整体式三角臂要简单,特别是之前摆臂前点和后点中间部位应力较大的问题得以改善,同时给衬套提供了更多的布置空间。摆臂中间衬套的加入提高了摆臂的柔度,使得横臂和纵臂可以采用更加多样的结构,为摆臂的轻量化提供了更多的发挥空间。

3 结论
首先从某跑车的铝合金整体式下摆臂存在的结构复杂、局部强度不足、轻量化效果不明显等问题出发,提出了一种分体式铝合金下摆臂的解决方案。通过多体动力学仿真,证明采用这种分体式铝合金下摆臂的前麦弗逊悬架在 K&C特性方面可以满足要求。这种分体式铝合金下摆臂的结构方案在结构形式上更为简单,更容易满足强度、刚度以及疲劳寿命等方面的需求,为后续进一步提升铝合金下摆臂的轻量化效果创造了更多的可能性。
分析结果证明该下摆臂结构方案是一种可行并且有效的提升摆臂轻量化效果的途径,后续可以探寻更多的结构方案以解决铝合金下摆臂在轻量化和强度不足之间的矛盾。



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