基于结构可靠性的控制臂轻量化设计❋

高 翔，李 阳，赵清江

（1.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；2.重庆市汽车轻量化工程技术研究中心，重庆 401122）

0 引言

最大限度地减少材料的用量、节约能源、减少排放和控制尾气污染是汽车行业面临的主要任务。研究显示，汽车的质量每减少10%，燃油效率可提高6%～8%［1］。对于现有车型的轻量化，目前主要是从零部件轻量化做起，逐步实现整车轻量化的目标［2］。

控制臂（Control arm，也称摆臂）作为汽车悬架系统的导向和传力元件，对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性有重要的影响。它将作用在车轮上的各种载荷传递给车身，同时要保证车轮按一定轨迹运动［3］，这就使得控制臂需要满足结构可靠性的要求。

本文首先对某轿车控制臂的原模型结构刚度和强度进行有限元分析，验证其刚度和强度性能；再根据竞标车型性能数据确定轻量化目标，基于结构可靠性能的要求，以控制臂本体的截面尺寸为设计变量，以其总体积为优化目标函数，建立控制臂的轻量化设计数学模型。应用OptiStruct软件对其进行尺寸优化分析，并对轻量化后的控制臂结构进行分析验证。

1 有限元模型的建立

控制臂本体厚度为5mm，总重量为4.73kg。采用Shell壳单元对控制臂本体和焊接管进行离散；由四面体Solid实体单元对控制臂的球头处进行离散；缝焊和螺栓均采用刚性单元RBE2来模拟。模型单元总数为19 541，节点数为28 943，三角形单元所占比例为3.1%。钣金件材料为B380CL，弹性模量E＝206 000MPa，密度ρ＝7 830kg/m3，泊松比μ＝0.3。建立的控制臂有限元模型如图1所示。

2 原模型结构可靠性分析

2.1 刚度分析

2.1.1 载荷及约束定义

根据试验工况，在控制臂的球头点处分别沿X轴向、Y轴向施加10 000N的集中载荷，约束前点和后点的所有平动和转动自由度。控制臂载荷及约束位置如图2所示。

图1 控制臂有限元模型

图2 控制臂的载荷及约束

2.1.2 刚度分析结果

控制臂刚度计算公式为：

其中：F为载荷；d为位移。分析可得X向和Y向位移分别为0.553mm和0.097mm，即X向和Y向刚度分别为18 083N/mm和103 093N/mm。原模型控制臂的X向和Y向位移云图分别如图3和图4所示。

2.2 强度分析

2.2.1 载荷及约束定义

根据ADAMS建立的悬架系统多体模型，以轮胎接地点载荷为输入条件进行计算，提取出弯扭组合典型工况下的载荷，对控制臂的球头点、前点和后点分别加载；采用惯性释放的方法进行弯扭组合工况下的强度校核。

2.2.2 强度分析结果

分析可得控制臂最大应力值约122.5MPa其整体应力云图如图5所示。

图3 控制臂X向位移云图

图4 控制臂Y向位移云图

图5 控制臂整体应力分布云图

3 轻量化设计及其验证

轻量化设计性能目标参考竞标车型制定，刚度和强度性能指标如下：X向和Y向刚度分别不低于12 000N/mm和70 000N/mm，且控制臂最大应力不超过材料B380CL的屈服强度260MPa。

通过对控制臂的原模型进行分析，其X向和Y向刚度分别为18 083N/mm和103 093N/mm，相对参考车型高出51%和47%，且强度也满足材料强度要求。由此可知控制臂的结构尺寸的设计还有很大的裕量，有较大的轻量化设计空间。

本文主要针对控制臂本体进行壳单元厚度的尺寸优化分析，对其进行减重，并进行轻量化设计的验证。

3.1 尺寸优化分析

3.1.1 优化参数定义

（1）目标：体积最小化。

（2）性能约束：轻量化设计方案的控制臂X向和Y向刚度值不低于参考车型的12 000N/mm和70 000N/mm。即在X向和Y向分别加载10 000N的工况下，定义加载点位移分别小于0.833mm和0.143mm，且零件单元应力值小于260MPa。

（3）设计变量：控制臂本体上、下两钣金件的厚度尺寸。

3.1.2 尺寸优化结果

应用OptiStruct软件定义相应卡片和参数，提交优化分析后得到设计变量和优化目标与迭代次数的变化曲线，分别如图6和图7所示。

图6 尺寸设计变量的收敛情况

从优化结果可以看出，控制臂本体优化后的厚度为3.4mm，比原模型减薄1.6mm，并且达到了体积最小化的目标。

3.2 轻量化设计方案验证

在与原方案控制臂相同的分析工况下，通过分析得到X向和Y向加载点位移分别为0.833mm和0.127mm，未超过优化设计设定的性能约束边界；由刚度公式计算得到其X向和Y向刚度值分别为12 004 N/mm和78 740N/mm，且控制臂本体的应力最大值为122.5MPa，满足强度性能约束条件。轻量化控制臂设计方案验证对比见表1。

图7 体积目标函数的收敛情况

由表1对比可知：轻量化设计方案的控制臂在满足刚度和强度性能指标条件下，总重量减少了1.34kg，减重幅度达到了28%。取得了很好的优化效果。

表1 轻量化控制臂设计方案验证对比

4 结论

通过对控制臂的原模型刚度和强度校核，验证了其结构的可靠性以及轻量化设计的必要性。基于结构可靠性能要求，轻量化设计方案达到了预期目标，整个控制臂重量减少了28%，节省了材料，降低了生产成本，提高了汽车的燃油经济性。

［1］大须贺龙冶.自动车的燃费动向轻量化［J］.自动车技术，2001，55（4）：4-8.

［2］蔡锋，张亮亮.优化设计在汽车零部件轻量化中的应用［J］.汽车技术，2010（4）：25-28.

［3］蒋翠翠，上官文斌.汽车悬架控制臂［J］.现代零部件，2008（2）：90-92.