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汽車輕量化設(shè)計(jì)已在汽車研發(fā)過程中占有重要地位。鋁合金材料憑借其良好的性能，已經(jīng)成為汽車輕量化設(shè)計(jì)的重要措施之一。鍛造鋁合金具有出色的機(jī)械性能和良好的耐蝕性，既可用于形狀復(fù)雜、厚薄不均勻的托架、車輪等重要零部件，又是理想的汽車輕量化材料。擺臂作為汽車懸架系統(tǒng)中傳力和導(dǎo)向的重要部件，其一端通過橡膠襯套與副車架連接，另一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)連接，將作用在車輪上的各種力傳遞給車身，并保證車輪按照一定軌跡運(yùn)動(dòng)。由于擺臂的實(shí)際工況載荷比較復(fù)雜，有限元分析在其所受的應(yīng)力達(dá)到材料許用應(yīng)力的情況下，局部位置可能產(chǎn)生開裂，影響正常使用，甚至影響到整車的可靠性。本文針對(duì)某車型擺臂，對(duì)比分析鍛造鋁合金和剛結(jié)構(gòu)擺臂強(qiáng)度，以考察該擺臂材料使用鋁合金代替剛的可行性。
本次分析模擬臺(tái)架試驗(yàn)：上下振動(dòng)，轉(zhuǎn)向，前進(jìn)制動(dòng)，后退制動(dòng)四種工況，通過多體動(dòng)力學(xué)載荷分解得到相關(guān)硬點(diǎn)的載荷輸入，進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。具體分析流程如圖所示。為了得到擺臂硬點(diǎn)位置各方向的載荷，首先需要計(jì)算得到輪胎接地點(diǎn)各方向載荷。以制動(dòng)工況為例，圖為汽車在水平路面上制動(dòng)時(shí)的受力情形，對(duì)后輪由此可以得到前后輪接地點(diǎn)的縱向和垂向載荷。其他工況載荷可以此類推，計(jì)算得到輪胎接地點(diǎn)的載荷，并通過多體動(dòng)力學(xué)軟件分解出擺臂各硬點(diǎn)的載荷。本次分析采用慣性釋放方法。各硬點(diǎn)對(duì)應(yīng)的載荷如表所示。針對(duì)鋁合金前擺臂，采用四面體單元進(jìn)行建模，共計(jì)100178個(gè)單元，25151個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元基本尺寸3mm。有限元模型如圖所示。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)前擺臂，采用板殼單元進(jìn)行建模，共計(jì)21835個(gè)單元，15727個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元基本尺寸3mm。有限元模型如圖所示。鋁合金擺臂的材料參數(shù)：彈性模量為70GPa，泊松比為0.33380MPa。密度為2700kg/m3，屈服強(qiáng)度為剛結(jié)構(gòu)擺臂本體的材料參數(shù)：彈性模量為200GPa，泊松比為0.28，密度為7900kg/m3，屈服強(qiáng)度為356MPa。
采用同樣的分析方法，分別對(duì)鋁合金前擺臂和鋼結(jié)構(gòu)前擺臂進(jìn)行了強(qiáng)度分析，得到兩種材料擺臂的強(qiáng)度分析結(jié)果，如表所示。鋁合金擺臂總重量為2.06Kg，鋼結(jié)構(gòu)擺臂總重量為3.26Kg，輕量化效果為36.8%，鋁合金擺臂模型重量較剛結(jié)構(gòu)模型有明顯降低。由安全系數(shù)結(jié)果可知，說明鍛造鋁合金輕量化擺臂不僅能夠切實(shí)降低重量，而且強(qiáng)度性能上也有一定提高。本文通過有限元方法，模擬臺(tái)架試驗(yàn)工況，對(duì)鍛造鋁合金前擺臂進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并通過安全系數(shù)與鋼結(jié)構(gòu)前擺臂的強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，說明鍛造鋁合金前擺臂不僅能夠起到輕量化效果，而且可以使強(qiáng)度性能得到一定提升。但為全面說明鍛造鋁合金擺臂的結(jié)構(gòu)性能，需要在以下兩方面做進(jìn)一步工作：1、對(duì)鍛造鋁合金前擺臂進(jìn)行疲勞分析，對(duì)其疲勞耐久性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。2、通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證鍛造鋁合金前擺臂的強(qiáng)度、耐久性能，與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
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