田國富, 高志彤
(沈陽工業大學, 遼寧 沈陽 110870)
下支臂作為汽車懸架的重要組成部分,其振動頻率若與來自路面的激勵相近,會發生共振作用而變形,影響其壽命,因此研究下支臂的固有頻率十分重要。在汽車運行過程中,下支臂不僅要承受車輪的上下跳動,還要承受極限情況下的沖擊,面對如此復雜的受力情況,研究其強度和抗沖擊性能是極其重要的[1]。
整車的基本參數情況如表1 所示。
表1 整車基本參數
根據整車參數建立麥弗遜前獨立懸架,主要部件包含前副車架總成,左、右前控制臂,左、右前滑柱,橫向穩定桿,左、右穩定桿連桿及轉向橫拉桿。在Catia 中建立的懸架三維模型如圖1 所示。
圖1 懸架模型
將下支臂幾何模型導入Hyper Mesh 中進行前處理[2],因下支臂由單沖壓板組成,采用殼單元進行劃分,而襯套因外形較為簡單規則,采用實體單元進行劃分[3],下支臂與其他零部件的連接關系采用RBE2 進行模擬連接,共11 196 個節點,11 124 個單元,建立的下支臂有限元模型如圖2 所示。下支臂所選用材料為QSTE500,其泊松比為0.33,彈性模量為2.1×105MPa,密度為7.85×106kg/m3,屈服強度和抗拉強度分別為504 MPa 和689 MPa。
圖2 下支臂模型
當下支臂頻率與外界激勵接近時,下支臂會因劇烈共振而產生變形,影響行駛的安全性,因而需研究其固有頻率范圍。
將定義后的下支臂提交到Optistruct 求解器進行計算,得到的固有頻率如下頁表2 所示,振型云圖如下頁圖3 所示。
圖3 模態振型云圖
表2 下支臂模態分析結果
根據分析結果可以看出,下支臂第七階固有頻率為235.2 Hz,而汽車因路面不平度引起的激勵頻率小于22 Hz,車輪不平衡造成的激勵頻率為0~15 Hz,直列四缸發動機頻率一般為10~30 Hz[6],這三方面激勵作為影響下支臂的主要激勵,都遠遠小于第七階故有頻率,故下支臂不會與車輛發生共振現象。
將整車參數及懸架三維模型中的有關結構硬點數據輸入到Adams car 懸架模型,結合懸架彈簧剛度和減震器阻尼的性能參數編寫相應的屬性文件,在Adams car 標準模式中建立懸架系統的動力學模型如圖4 所示[5]。
圖4 前懸架多體動力學模型
汽車在行駛過程中,下支臂會受到來自路面不平度產生的載荷作用,尤其是在極限工況下承受的載荷,因此可以將其作為強度分析的條件。但是由于在汽車研發階段的條件有限,不能進行臺架試驗,于是本文通過動載系數計算各工況下的輪胎反作用力,再導入Adams car 中進行準靜載分析。選取的典型工況包括:前行制動、彎道制動、無定向路牙沖擊。
3.2.1 前行制動
在前行制動情況下,軸荷前移,制動加速度為1.1g、垂向加速度為g 時,地面對前軸單個車輪垂直方向的反作用力為:
縱向力和側向力可以通過乘以相應的附著系數比值得到。
3.2.2 轉彎制動
在轉彎制動情況下,整個汽車不僅發生輪荷的轉移,同時也發生軸荷的轉移,制動加速為0.32g,垂向加速度為3g,側向加速度為0.58g 時地面對前軸左、右輪的垂直方向的反作用力分別為:
同理,縱向力和側向力可以通過相應的附著系數比值得到。
3.2.3 無定向路牙沖擊
在無定向路牙沖擊工況下,汽車會受到多方向力的作用,發生輪荷和軸荷的轉移。本文選取汽車在制動方向加速度為2g,縱向加速度為1.5g,垂向加速度為g 時進行受力分析,此時地面對前軸車輪的垂向反作用力分別如下:
同上,縱向力和側向力可依據計算所得的垂向力及地面附著系數計算得出。
本文在Adams car 軟件中進行準靜載仿真分析,為靜強度分析提供邊界條件。將前文計算得到的作用力輸入到靜態載荷參數操作界面,通過懸架試驗臺對車輪進行加載,提取下支臂在典型極限工況下各個連接點處的靜態載荷數據,具體如下頁表3 所示。其中FX、FY、FZ表示各連接點沿X、Y、Z 方向上的力,TX、TY、TZ為各連接點繞X、Y、Z 軸的力矩。
表3 下支臂各連接點處載荷
通過Adams car 提取各連接點載荷作用力,采用慣性釋放原理,在Hyper Mesh 中對下支臂定義約束,最后基于第四強度理論對其強度進行分析計算,得到各工況應力云圖如下頁圖5 所示。
圖5 下支臂各工況下應力(MPa)云圖
從有限元分析結果來看,各工況下應力主要集中在沖壓板內側及與襯套焊接處,其中最大應力出現在無定向路牙沖擊這極其惡劣的情況下,應力值達到了494.4 MPa,根據企業相關評價標準要求:在極限工況下最大應力應小于抗拉強度689 MPa,因此,下支臂強度滿足要求。
1)根據汽車懸架的三維模型,建立下支臂的有限元模型,并對下支臂進行模態分析,分析其固有頻率。
2)通過準靜載仿真分析,提取汽車下支臂在三種極限工況下的受力載荷,將載荷加載到下支臂有限元模型各連接硬點,求解計算得到下支臂在各個工況下的應力分布云圖。
3)分析結果表明,選用材料的抗拉強度大于下支臂在三個工況下承受的最大應力,滿足要求,可為后續優化分析提供參考。