汽车悬架下控制臂的有限元分析

Ｖｅ ｉｌ ’ ｕ ｐ ｎ ｉ ｎ ｈ ｃｅ ＳＳ ｓ ｅ ｓｏ
Ｈ ｉｏ ｎ Ｅ Ｘ ａｊ ｇ，Ｓ ＡＮ ＧＵ Ｎ ｅ —ｉ ｉ Ｈ Ｇ Ａ Ｗ ｎｂ ｎ
（ ｃ ｏ ｌ ｆ ｃ ａ ｉａ ａｄＡ ｔｍｏｉｅ ｎ ｉｅ ｒ ｇ ｏ ｔ Ｃ ｉａ ｎｖｒｉ ｆ ｅｈ ｏｏ ｙ Ｓ ｈ ｏ ｈ ｎｃｌ ｎ ｕｏ ｔ ｇｎ ｅｉ ，Ｓ ｕｈ ｈｎ ｉｅｓ ｙｏ ｃ ｎ ｌｇ ， ｏ Ｍｅ ｖＥ ｎ Ｕ ｔ Ｔ
的 ［ ４ 可 以通 过 静 、 力 平衡 的方 法构 造 一个 自 。但 动
平衡的 系。 毋为 节点（ ｍ， ： 力 设｛ 所有 ，，， ， ） ｍ ｍ
分量组成的节点外载荷向量， ｝ ｛ 为所有节点加速
度分量（， ， ， ， ， ）／『 ， ， 组 ／ （ ｛ ， ） ／ ／， ，
Ｋｅ ｒ ｓ： ｉ ｒ ｔ ｎ ａ ｄ ｗａ ｅ； ｕ ｐ ｎ ｉｎ； ｏ ｒｃ ｎ ｏ ｒ ；ｎ ｒｉ ｌ ｆ； Ｅ ｙ ｗｏ ｄ ｖ ｂ ａ ｉ ｎ ｖ ｓ ｓ ｅ ｓｏ ｌ ｗｅ ｏ ｔ ｌ ｍ ｉ ｅ ａｒ ｉ Ｆ Ａ ｏ ｒ ａ ｔ ｅｅ
汽 车悬 架控 制 臂作 为汽车 悬架 系统 的导 向和 传
元 节 点形 函数矩 阵 ，）单元 密度 ， 体积 函数 。 ｐ９ 纳
求解 上式 可得 到各 节 点上 为 了维 持平 衡所 需 的 节 点加速度 ， 而得 到 各节 点 的惯性 力 ， 节 点的惯 进 把
表 １悬架控制臂拉、 压工况下静刚度及强度要求
Ｔｂ １ ａ ． Ｒｅ ｕ ｒ ｍｅ ｔ ｆ ｔ ｔ ｔｆ ｅ ｓａ ｄｓｒ ｎ ｔ ｒ ｏ ｔｏ ｑ ｉｅ ｎ ｓ ａｉ ｓｉ ｎ ｓ ｎ ｔ ｇ ｈ ｆ ｎ ｒ ｌ ｏ ｓ ｃ ｅ ｏ ｃ
ｃ ｌｕ ａ ｅ ． ｅ ｓａｉ ｔ ｆ ｅ ｓ ｐ ｏ ｅ ｔ ｓ ｏ ｅ ｃ ｎ ｏ ｒ ｒ ｎ ｌｚ ｄ ｈ ｒ ａ ｉ ｇ ｌ ａ ｎ ｕ ｋ ｉ ｇ ｌ ａ ｆｔ ｅ ａｃ ｌｔ ｄ Ｔｈ ｔｔｃ ｓｉ ｎ ｓ ｒ ｐ ｒｉ ｆｔ ｏ ｔ ｌａ ｒ ｗｅ ｅ ａ ａｙ ｅ ．Ｔ ｅ ｂ ｅ ｋ ｎ ｏ ｄ ａ ｄ ｂ ｃ ｌ ｏ ｄ ｏ ｆ ｅ ｈ ｒ ｎ ｎ ｈ
描述 所 有 节 点相 对 于 该支 座 的 相对 运 动 ， 而 消 除 从
Ｅｍａ ： ｘａｊ ｇ ２ ＠ｙｈ ｏｃ — ｉｈ ｉ ｉ ｌ ３ ａｏ ． ｌｅ ０ ｎ ｎ
了因为直 接对 支座 进行 约 束 时所 产 生 的约束 端 附近
２１年 ６ ０２ 月
噪
声
与
振
动
控
制
第３ 期
的 应 力 集 中 。它 可 以 模 拟 非 约 束 系 统 的 静 态 响 应 。惯 性释 放 典 型 用 于模 拟 飞机 的飞 行 、 车 在 汽 实验 场 的行驶 以及 卫星 在太 空 中 的邀 游等 实 际工程 应 用 。如 果 外 力本 身 的平 衡 程度 较 高 ， 则惯 性 力在 平衡 力系 中所 占的份 额 较少 ， 计算 引起 的误 差较 小 ， 得 到的应力 将 比较符 合实 际情 况 。 对于汽车、 飞机 、 船 等 复杂 结 构 ， 轮 由于 受设 计 载荷 计 算 方法 的 限制 ， 有 数值 计 算 的 累计 误差 等 还
中图分类号： ６ ．３ Ｕ４ ３３
文献标识码 ： Ａ
Ｄ 编码 ：０３ ６￣ｉ ｎ１０ —３ ５２ １．３ ２ ＯＩ １ ． ９ ．ｓ． ６１５ ． ２０ ． ９ ９ ｓ ０ ０ ０
Ｆ ｎ ｔ ｅ ｅ ｔ ａｙ ｉ ｆ ｈ ｎ ｒ ｌ ｍ ｅ ｅ ｔ ｉ ｉ Ｅｌｍ ｎ ｅ Ａｎ ｌ ｓｓｏ ｅＣｏ ｔｏ ｔ Ａｒ ｂ ｎ ａｈ
目前 从 事 汽 车 动 力 学方 面 研 究 。
１ 惯 性释 放 原 理
惯 性释 放 的原 理是 先计 算不 平衡 外力 作用 下 结 构 的运 动 （ 速 度 ）通 过 惯 性 力 构 造 一 个 平 衡 的 力 加 ，
系， 使得支座反力等于零 ， 可以消除不适当约束对变 形和 应 力 状态 的影 响 ， 解 得 到 的节 点位 移 其 实 是 求
动 。 因此 在 对 控制 臂 单 独 进 行 有 限元 分 析 时 ， 若 按 照 静 力分 析 的方 法 ， 端约 束 ， 端 加 载 ， 束 ５ 一 一 约 个 自由度 ， 制 臂在 载 荷 作用 下会 发 生 刚 体 转 动 。 控
象 ， 出 了此控 制臂 静 刚度和 强度 的设 计要 求 ， 列 建立
ａ ｎ ｎ ｅ ｅｃ ｎ ｉ ｏ ｆ ｔｅｃ ｄｃ ｍｐ ｅ ｓ ｒ ｌ ｄ ｒ ｈ ｏ ｄ ｔ ｎ ｏ ｒ ｔｈ ａ ｏ ｒ ｓ ｕ ｔ ｉ ｓ ｎ
性 力作 为 外 力 再加 到有 限元 单 元 的节 点 上 ， 则可 以 构造 一 个 自平 衡 力 系 ， 算 中不 必 太 强调 边 界条 件 计
原 因， 要得 到 一 个 绝 对 自平 衡 的 力 系 是 极 其 困 难
行 悬架 控制 臂 结构 设计 时 ， 需要根 据整 车行 驶 工况 ，
对 整 车 进 行动 力 学 分析 或 者 试验 测 试 ， 而 计 算 出 从 或 试验 测 出控 制臂所 能承 受 的拉 溃力和 压 溃力 。图 １ 某 一具 体 悬架 控 制 臂载 荷 工况 示 意 图 。此 悬架 为 控 制臂 的拉溃 力 、 溃 力和静 刚度 要求 如表 １ 示 。 压 所
ａ ａ ｙ ｉ ｏ ｅ ｍｏ ｅ，ｉ ｅ ｔ ｅ ｉｆｐ ｉ ｃｐ ｅ ｗａ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｔ ｌ ｎ ｔ ｈ ｔｅ ｓ ｃ ｎ ｅ ｔａｉ ｎ ｅ ｅ ｔ ｏ ｅ ｃ ｎ ｔａｎ ｎ ｌ ｓｓ ｆｔ ｄ ｌ ｎ ｒ ａ ｒ ｌ ｒ ｉ ｌ ｓｉ ｔｏ ｕ ｅ ｏ ｅｉ ｈ ｉ ｅ ｎ ｍｉ ａｅ ｔ ｅ ｓｒ ｓ ｏ ｃ ｎ ｔ ｆ ｃ ｆ ｔ ｏ ｓｒ ｉ ｔ ｒ ｏ ｈ
成 的节 点加 速 度 向量 ， 有 限元 方法 构造 的静 动 力 用
平 衡 方程 为
㈣ ＋
＝ ０
图 １控 制 臂 载 荷 工 况 示 意 图
Ｆ ｇ １ Ｌｏ ｄｃ ｎ ｉ ｏ ｓｏ ｎ ｒ ｌ ｒ ｌ ｉ ． ａ ｏ ｄ ｔ ｎ ｆ ｏ ｔｏ ｎ ｉ ｃ ａ
式中 ［］ ｆ ［】Ⅳｄ Ｍ ＝ ｐⅣＴ ］ 为质量矩阵。 ［］ 【 Ⅳ 为单
了包 含 橡胶 衬 套 的 悬架 控 制 臂有 限元模 型 ， 阐述 了
在 进 行 控 制臂 静 刚 度 以及 强度 分析 时 ， 制 臂 约束 控 条件 的确 定 。对 悬 架控 制 臂 进 行静 刚度 、 溃 力和 拉 压 溃 力 计 算 。分 析 结 果表 明， 悬 架 控制 臂 满足 静 此
力 元 件Βιβλιοθήκη Baidu， 性 能特 性 对 汽车 悬 架 系 统 的综 合 性 能有 其
实 际情 况不 符合 。因此 ， 本文 引入 惯性 释放 原理 ， 用 于 运动 件 的不完全 约束 静态特 性 计算 。 本 文 选 取 某 一 具 体 的悬 架 控 制 臂 作 为 研 究 对
着至关重要的影响 ” ］ 此 ， 车 悬 架 控 制 臂 的设 。因 汽 计 必须 满足 刚度和 强度 特性 要求 。 在强度分析中， 悬架 控 制 臂 是 一种 比较特 殊 的 构件 ， 在车 辆行 驶过 程 中 ， 制臂 不仅 绕着 与副 车架 控 连接 的 内侧铰 点摆 动 ， 同时 也 随着 车轮 的跳 动 而平
刚度特 性和 强度 特性 设计 要求 。
如 果 约束 ６ 自由度 ， 约束 点反 力 对 控 制 臂 结构 个 则 强度 计 算 会造 成 的应 力集 中影 响 ， 算 出 的应 力 与 计
收稿 日期：０ １ ７１ ； ２ １－ —３ 修改 日期： ０ １０ ．３ ０ ２ １－９１ 作者简介： 小静 （９ ６ 女 ， 北省 武汉 市 人 ， 士 何 １ ８一） 湖 硕
Ｇｕ ｎ ｚ ｏ ，５ ０ ４ ，Ｃｈｎ ａ ｇｈ ｕ ６ １ １ ｉ ａ）
Ａｂ ｔａ ｔ：Ｔ ｅ ｆ ｉ ｌｍｅ ｔ ｍｏ ｅ ｆ ｌ ｗｅ ｏ ｔｏ ｒ ｌｂ ｎ ａｈ ｖ ｈ ｃ ｅ Ｓ ｓ ｓ ｅ ｓｏ ｓ ｅ ｔ ｂ ｉｈ ｄ ｎ ｓａ ｉ ｓｒ ｃ ｈ ｎ ｔ ｅｅ ｎ ｄ ｌ ｏ ｏ ｒ ｃ ｎ ｒ ｌ ａ ｌ ｅ ｅ ｔ ｅ ｉｌ ’ ｕ ｐ ｎ ｉｎ ｗａ ｓａ ｌ ｅ ．Ｉ ｔ ｔ ｉ ｅ ｒ ｓ ｃ
的加 速度 ， 后将 加速 度转 化为 惯性 力 ， 然 再反 向施 加 到 每 个节 点上 ， 由此 构造 一 个 平 衡 的力 系 。求解 ２２ 悬架控 制臂 有 限元模型 ． 控 制 臂 的一 端 通 过 球 铰 与 车 轮 轮 毂 相 连 ， 一 另
的施 加 。这种方 法 叫做“ 性释 放”［ 惯 ｓ ｌ 。
载荷工况
静刚度（ Ｎ／ Ｋ ｍｍ）拉（ 溃力要求（ Ｎ） 压） Ｋ
采 用 惯 性 释 放 功 能进 行静 力 分 析 时 ， 需要 对 只
一
个 节 点进 行 ６ 自 由度 的约束 （ 个 虚支座 ）针对 该 支 ，
座 ， 先 计算 在 外 力作 用 下 每个 节 点 在每 个 方 向上 首
ｒ ａ ｔ ｎ ｆ ｒ ｅ ｏ ｅ ｓｒ ｃ ｕ ａ ｔ ｎ ｔ ｆｔ ｅ ｃ ｎ ｏ ｒ ． ｎ ｔ ｉ ｍｅ ｈ ｄ ｔ ｅ ａ ｃ ｌｒ ｔ ｎ ｄ ｅｔ ｅｕ ｂ ｌｎ ｅ ｏ ｄ ｓ ｅ ｃ ｉ ｏ ｃ ｎ ｔ ｔｕ ｔ ｒ ｌ ｒ ｇｈ ｏ ｏ ｔ ｌａｍ Ｉ ｓ ｏ ｈ ｓｅ ｈ ｒ ｈ ｔ ｏ ，ｈ ｃ ｅｅ ａ ｉ ｕ ｏ ｔ ｎ ａａ ｃ ｄ ｌ ａ ｓ ｏ ｈ ｗａ
ｓ ｓ ｅ ｓｏ ｃ ｎ ｏ ａｌ ｕ ｄ ｒ ｈ ｅ ｃ ｎ ｉ ｏ ｓ ｆ ｔｎ ｉｎ ｎ ｃ ｍｐ ｅ ｓ ｎ ｕ ｐ ｎ ｉ ｎ ｏ ｔ ｌ ｒ ｌ ｎ ｅ ｔ ｏ ｄ ｔ ｎ ｏ ｅ ｓｏ ａ ｄ ｏ ｒ ｓ ｉ ｗｅ ｅ ａｃ ｌｔｄ ｒ ｓ ｅ ｔ ｅｙ ｒ Ｔ ｉ ｏ ｒ ｃ ｌｕ ａ ｅ ｅ ｐ ｃ ｉ ｌ ．Ｔ ｅ ｅ ｕ ｔ ｖ ｈ ｒ ｓ ｌ ｓ ｄ ｍ ｏ ｓ ａｅｔ ａ ｅｓ ｔ ｔｆ ｅ ｓａ ｄｓ ｅ ｇｈ ｃ ａ ａ ｔｒｓｉｓｏ ｅｃ ｎ ｏ ｒ ｌ ａ ｅ ｅｄ ｓ ｎｒ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ． ｅ ｎ ｔ ｔ ｔ ｈ ｔ ｉ ｓｉ ｎ ｓ ｎ ｎ ｔ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｆ ｈ ｏ ｔ ｌ ｎ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｅ ｉ ｅ ｕ ｒ ｒ ｈ ｔ ａ ｃ ｒ ｔ ｃ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｇ ｅ ｎｓ
汽车 悬架 下控 制臂 的有 限元 分析
１５ ２
文章 编号 ：０ ６ １ ５ （０ ２０ — １ ５０ １０ —３ ５２ １）４０ ２ —４
汽 车悬架下控制臂 的有限元分析
何 小静 ，上官文斌
（ 南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 ５０ ４ ） 华 １６ １
摘 要： 以某一具体的悬架下控制臂为研究对象 ， 建立悬架控制臂有 限元仿真模型 。在有 限元静 力分析过程中， 引 入惯性释放原理 ， 计算不平衡外力作用下结构 的运动（ｎ ａ 速度）通过惯性力构造一个平衡的力系， ， 从而 消除约束 点反力 对控制臂结构强度计算造成的应力集 中影响 。分析汽车悬架控制 臂的静 刚度特性 ， 对悬架控制 臂分别在拉、 压工况下 进行拉溃力和压溃 力有 限元分析 。分析结果表 明， 此悬架控制臂满足静刚度特性和强度特性设计要求。 关键词： 振动与波 ； 悬架 ；下控制臂 ； 惯性释放； 限元分析 有