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汽車輕量化設(shè)計已在汽車研發(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)計的重要措施之一。鍛造鋁合金具有出色的機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動。由于擺臂的實際工況載荷比較復(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。本文針對某車型擺臂，對比分析鍛造鋁合金和剛結(jié)構(gòu)擺臂強度，以考察該擺臂材料使用鋁合金代替剛的可行性。
本次分析模擬臺架試驗：上下振動，轉(zhuǎn)向，前進制動，后退制動四種工況，通過多體動力學(xué)載荷分解得到相關(guān)硬點的載荷輸入，進行有限元強度分析。具體分析流程如圖所示。為了得到擺臂硬點位置各方向的載荷，首先需要計算得到輪胎接地點各方向載荷。以制動工況為例，圖為汽車在水平路面上制動時的受力情形，對后輪由此可以得到前后輪接地點的縱向和垂向載荷。其他工況載荷可以此類推，計算得到輪胎接地點的載荷，并通過多體動力學(xué)軟件分解出擺臂各硬點的載荷。本次分析采用慣性釋放方法。各硬點對應(yīng)的載荷如表所示。針對鋁合金前擺臂，采用四面體單元進行建模，共計100178個單元，25151個節(jié)點，單元基本尺寸3mm。有限元模型如圖所示。針對鋼結(jié)構(gòu)前擺臂，采用板殼單元進行建模，共計21835個單元，15727個節(jié)點，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，屈服強度為356MPa。
采用同樣的分析方法，分別對鋁合金前擺臂和鋼結(jié)構(gòu)前擺臂進行了強度分析，得到兩種材料擺臂的強度分析結(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降低重量，而且強度性能上也有一定提高。本文通過有限元方法，模擬臺架試驗工況，對鍛造鋁合金前擺臂進行了強度分析，并通過安全系數(shù)與鋼結(jié)構(gòu)前擺臂的強度結(jié)果進行了對比，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一步工作：1、對鍛造鋁合金前擺臂進行疲勞分析，對其疲勞耐久性能進行預(yù)測。2、通過試驗進一步驗證鍛造鋁合金前擺臂的強度、耐久性能，與有限元分析結(jié)果進行對比。
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