汽车维修技术车辆论文范文

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发布时间：2013-12-11 14:02:55  更新时间：2013-12-11 14:06:49

　　随着全球能源危机的不断扩大，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向，发展电动汽车将是解决这两个技术难点的最佳途径［1］。资料表明，每减轻45kg汽车自身质量，1L汽油能增加6km的行程［2］。在电动汽车的开发过程中，轻量化已成为一种势在必行的趋势。

　　摘要：对某电动汽车麦弗逊悬架下摆臂进行有限元分析。首先对悬架进行运动学分析，得出作用在下摆臂各点的载荷；其次对同等厚度的下摆臂分别赋予钢材料和铝材料，采用惯性释放的方法分别对其进行静力学分析；最后以下摆臂最大变形量为约束条件对采用铝材料的下摆臂进行尺寸优化。结果表明：采用铝材料的下摆臂可以在保证静、动态性能的前提下有效降低自身重量。

　　关键词：电动汽车,悬架,下摆臂,轻量化

　　文中依托国家863重大项目，对所设计的某款电动轿车前悬架进行轻量化分析，相关文献对电动轿车悬架进行了运动学分析［3］。在汽车轻量化研究中，轻金属铝的作用越来越明显［4，5］。文中采用铝材料对电动车悬架下摆臂进行轻量化。在保证下摆臂静动态性能的前提下，有效地降低了下摆臂的重量。

　　1麦弗逊悬架动力学分析

　　所设计的电动轿车为前置前驱布置，其前悬架为麦弗逊式独立悬架。该悬架主要由螺旋弹簧、减振器、下摆臂和转向节总成等组成。其中，下摆臂在车辆行驶过程中受力较为复杂。如行车紧急制动工况，下摆臂受到冲击载荷的作用，此时下摆臂受到最大的纵向力；在坑洼路段行驶，下摆臂受到最大的侧向力。对下摆臂进行强度分析非常必要。

　　利用ADAMS/CAR建立麦弗逊式前悬架运动学模型（见图1），所用到的硬点位置坐标由厂家提供。对悬架进行动力学分析，提取右侧悬架下摆臂的前、后支点及球铰处X、Y、Z三个方向的受力情况，其载荷情况见表1。

　　2下摆臂有限元模型的建立

　　2.1网格划分

　　将下摆臂的UG模型转化成STP格式导入hyperworks软件中，下摆臂由上下两块板组成。采用四边形壳单元对下摆臂进行网格划分。最终下摆臂有限元模型的节点数为29657，网格单元数为28842。其中三角形单元数87，占总网格单元数的0.3%，满足网格划分要求［6］。本文忽略衬套和球铰的影响，在摆臂上下支点及球铰处采用REB2单元连接，便于对有限元模型施加载荷。生成的有限元模型如图2所示。

　　2.2基于惯性释放的下摆臂静力学分析

　　惯性释放法是求解在平衡外力作用下（如行驶中的汽车，把惯性力考虑进去后外力是平衡的）但无约束或约束不足的结构静力或动力响应问题的一种处理方法，它可以避免不合理的人为约束［7］。采用惯性释放功能进行静力分析时，只需要对一个节点进行6个自由度的约束（虚支座）。针对该支座，程序首先计算在外力作用下每个节点在每个方向上的加速度，然后将加速度转化为惯性力反向施加到每个节点上，由此构造一个平衡的力系（支座反力等于零）。求解得到的位移描述所有节点相对于该支座的相对运动［8］。

　　由于设计载荷计算方法的限制和数值计算的累计误差等原因，要得到一个绝对自平衡的力系极其困难［9］。故文中采用惯性释放对下摆臂进行有限元分析，施加的载荷采用表1的悬架动力学分析结果。惯性释放在hyperworks软件中实现较为简单，只需将约束类型设置为SUPORT1即可。

　　3钢铝材料下摆臂静动态性能对比

　　3.1应力、应变分析

　　将有限元模型厚度设置成3mm，分别对模型赋予钢材料和铝材料进行静态分析。其中钢材料弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比NU=0.3，密度RHO=7900kg/m3，铝材料弹性模量E=7.9×104MPa，泊松比NU=0.33，密度RHO=2800kg/m3，由计算结果可以看出，采用钢材料和铝材料的下摆臂对比，最大应力相差无几，均出现在下摆臂前支点处。最大变形位于下摆臂后支点处，采用铝材料的下摆臂是采用钢材料的2.6倍，如图3～图6及表2所示。

　　3.2模态分析

　　采用自由模态对两种材料的下摆臂进行模态分析，取前12阶模态，其中前6阶为刚体模态，后6阶为弹性变形模态。两种材料的下摆臂弹性变形模态固有频率计算结果如表3所示。由此可以看出，同等厚度尺寸的钢材料和铝材料下摆臂，铝材料下摆臂的各阶固有频率要略微高于钢材料下摆臂。

　　4基于刚度约束的下摆臂尺寸优化

　　由以上分析可知，采用同等厚度钢材料和铝材料的下摆臂，其最大应力及固有频率相差无几。在承受同等载荷条件下，差别在于下摆臂的最大变形。文中针对采用铝材料的下摆臂，以最大形变量作为约束条件，下摆臂板块的厚度作为设计变量，以总体积最小作为优化目标进行尺寸优化。

　　4.1尺寸优化

　　根据有限元静态分析可得，采用钢材料3mm厚的下摆臂的最大形变出现在后支点处（见图3），文中尺寸优化的约束条件设置成下摆臂后支点最大位移不超过0.136mm，设计变量下摆臂的厚度变化范围为2～8mm，以下摆臂的总体积最小作为优化目标进行尺寸优化。

　　经过3步迭代，下摆臂后支点最大位移0.135mm，最大应力59.7MPa，此时铝材料下摆臂的厚度为5.2mm。圆整为5mm。迭代过程如表4所示。

　　4.2优化前后性能对比

　　将采用钢材料的3mm板厚的下摆臂与采用铝材料的5mm板厚的下摆臂进行有限元静、动态对比，结果如表5～6所示。由此可以得出，5mm厚的铝材料下摆臂较之3mm厚的钢材料下摆臂，在受到特定载荷条件下最大变形量保持一致，固有频率得到显著提升，下摆臂最大应力及质量都有明显的减少。5结论

　　文中主要是针对某款电动轿车麦弗逊悬架下摆臂进行动、静态强度分析和轻量化设计。首先运用惯性释放的方法对钢材料、铝材料的下摆臂进行静力学分析，并进行模态分析。得出同等厚度的麦弗逊悬架下摆臂，分别采用钢材料、铝材料，其最大应力及固有频率基本一致，最大变形量铝合金材料是钢材料的两倍以上。

　　其次运用尺寸优化的方法，在保证麦弗逊下摆臂最大变形量一致的条件下对摆臂板件厚度进行分析，最后用5mm厚的铝合金板块替换原有的3mm厚钢板，在保证最大变形量不变的前提下，下摆臂的刚度、模态性能有很大程度的提升，并且重量减少了43%，从而为电动汽车部件的轻量化设计提供借鉴与参考。

　　参考文献：

　　［1］杨孝纶.电动汽车技术发展趋势及前景（上）［J］.汽车科技，2007（06）：10-13.

　　［2］王柏龄.全铝车身的研究及发展［J］.汽车工业研究，2000，（6）：31-33.

　　［3］陆建辉，周孔亢，郭立娜，等.电动汽车麦弗逊前悬架设计及参数优化［J］.机械工程学报，2012，（04）：98-103.

　　［4］G.S.Cole，A.M.Sherman.Lightweightmaterialsforautomotiveapplications［J］MaterialsCharacterization，1995，（7）：3-7.