基于CAD/CAE技术的汽车拖曳臂优化设计

文/蔡其刚·合肥工业大学机械与汽车工程学院 奇瑞汽车股份有限公司

基于CAD/CAE技术的汽车拖曳臂优化设计

文/蔡其刚·合肥工业大学机械与汽车工程学院 奇瑞汽车股份有限公司

在汽车悬架结构件优化的设计阶段，为规避现产品结构的不足，常需要针对具体的问题点，在CAD软件中对产品3D数据进行局部结构调整，并将其导入CAE分析软件中进行仿真模拟、验证；本文以某汽车拖曳臂为例，通过CAD三维数据设计、CAE仿真模拟，重点分析了拖曳臂本体的优化设计过程。

拖曳臂（Trailing arm），也称纵臂，是汽车悬架系统中重要的安全件和功能件，在拖曳臂的优化设计过程中，其强度、刚度、疲劳耐久、模态及空间布置等要满足整车要求。文中通过对比分析了优化前后两种状态的各项指标，证明了优化后的改进效果，同时，实车路试也验证了这一结论。

某汽车拖曳臂的优化设计

优化前后结构概述

图1 优化前拖曳臂结构

某汽车拖曳臂优化前结构如图1所示，拖曳臂主体部分由上本体、下本体、弯形臂Ⅰ、弯形臂Ⅱ、加强板Ⅰ、加强板Ⅱ等6块冲压件焊合而成。零件数量多，制造加工繁琐，冲压焊接后累积公差大，尺寸精度难以保证，致使后轮参数调节困难。

优化后结构如图2所示，拖曳臂主体部分由上本体及下本体2块冲压件焊合而成，大大减少了生产工序，焊接变形小，尺寸精度容易控制，同时结构强度、刚度、可靠性等各项性能指标均有大幅提升。

优化过程

在明确了解导致原产品结构缺陷产生的原因后，对拖曳臂本体结构进行了改进构想。原结构主体为6块冲压件焊合而成，冲压回弹加上焊接变形累积后，尺寸精度难以保证；现构想简化成上、下本体2块冲压件焊合而成，并通过CATIA三维软件将该构想数字化，如图3、图4所示。

图2 优化后拖曳臂结构

图3 优化前拖曳臂主体结构

图4 优化后拖曳臂主体结构

■ 表1 拖曳臂材料力学性能参数

■ 表2 优化前后静强度对比分析 （单位：MPa）

3D数据完成后，需要分析零件的冲压成形性，总成的强度、刚度、疲劳耐久、模态及空间布置等。CAE分析为CAD数据修正提供了指导方向，这是一个反复交替的过程，详细细节本文从略。

拖曳臂上本体材料为SAPH440，厚度为3．5mm；拖曳臂下本体材料为SAPH440，厚度为3．0mm。材料力学性能参数见表1。判别零件成形性的依据为FLC曲线，分析结果显示，上、下本体的料厚变化率基本在±20%范围内，成形性满足要求。如图5所示。

优化结果

重建的CAD模型必须要经过CAE分析、软模件DV台架验证及工装件路试验证等方可正式冻结。将优化后的模型结构及CAE结果与原结构进行对比，显示优化后拖曳臂主体冲压件由原来的6件减少为2件，重量减轻0．17kg，成本降低1元。优化前后静强度对比、静刚度对比、模态对比结果如下。

静强度对比

静强度分析主要考查垂跳、制动、起动、倒车、转向等5个标准工况。分析结果见表2。

很显然，从表2可以看出，优化前，在垂跳、转向等两个工况的最大应力均超出了材料的屈服强度（350．1MPa）；而优化后，5个标准工况的最大应力均小于材料的屈服强度。

静刚度对比

静刚度分析主要考查上/下摆臂连接支架、减振器连接支架及车身连接点等部位的操稳响应特性。分析结果见表3。

由表3可见，除上摆臂连接支架Y向，减振器连接支架Z向刚度略有降低外，其余各刚度值均有提高，且更加接近目标值。

模态对比

模态分析主要考查拖曳臂对整车NVH的贡献。分析结果见表4。

从表4可以看出，优化后各连接支架的局部模态出现的频率或阶数均有不同程度改善，各阶频率满足设计要求。

■ 表3 优化前后静刚度对比分析 （单位：N/mm）

■ 表4 优化前、后自由模态对比分析

图5 优化后拖曳臂上、下本体成形性分析

结束语

本文以某汽车拖曳臂产品的结构优化为例，通过分析产生现产品结构缺陷的主要原因，并提出改进构想，然后通过CAD数据重建，最后通过CAE分析，指导并修正3D数据，最终实现了产品的结构优化，并得到了工程实际的验证，规避了原产品结构的缺陷。该方法能够有效减少台架及实车验证的周期及成本。

蔡其刚，工程师，主要从事汽车悬架结构件设计开发工作，曾参与乘用车副车架、控制臂、球头销及衬套等产品工程开发。