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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书履带车辆控制臂轻量化摘 要本篇设计利用Ansys软件建立了汽车悬架控制臂模型，提出了实用可靠地汽车悬架控制臂轻量化优化设计方案，我们主要运用的是拓扑优化技术。在Ansys软件强大的功能的基础上，我严谨的分析了履带车辆控制臂的工况、受力情况。并且对汽车控制臂的发展、履带车辆悬架系统以及应用软件Ansys都做了较为系统的介绍说明。在一系列细致的研究与计算之后，我得出的结论是：作为高强度工作车辆，配备本文轻量化设计之后的控制臂完全可以满足其各项要求，优化后的控制臂在履带车辆上具有较大的工程应用潜力。关键词： 履带车辆；悬架控制臂；拓扑优化；轻量化The design of
2、 a six-speed transmission for a passenger carAbstractIn this paper, the model of automobile suspension control arm is established by using ANSYS software, and a practical and reliable lightweight optimization design scheme of automobile suspension control arm is proposed. We mainly use topology opti
3、mization technology. On the basis of the powerful function of ANSYS software, I analyzed the working condition and stress of control arm of tracked vehicle. The development of control arm, suspension system of tracked vehicle and application software ANSYS are introduced systematically. After a seri
4、es of detailed research and calculation, I come to the conclusion that as a high-strength working vehicle, the control arm equipped with the lightweight design in this paper can fully meet its requirements, and the optimized control arm has great engineering application potential in tracked vehicles
5、.Key words: tracked vehicle; suspension control arm; topology optimization; lightweight28目录履带车辆控制臂轻量化I摘 要ILightweight design of control arm for tracked vehicle2Abstract2第一章 文献综述41.1 课题意义41.2 课题研究现状41.3 课题发展趋势51.4 本设计的主要工作内容5第二章 Ansys软件的介绍62.1 Ansys的发展历史62.2 Ansys的功能与应用6第三章 履带车辆控制臂轻量化的总体方案选择103.1控制臂1
6、03.2轻量化设计的主要依据16第四章 履带车辆控制臂主要参数的选择与计算174.1 履带车辆控制臂工况说明174.2 控制臂的受力情况19第五章 控制臂轻量化的设计215.1 控制臂模型的处理215.2 控制臂的网格划分225.3 控制臂的静力学分析225.4 拓扑优化伪密度图235.5 拓扑优化后模型处理24 5.6控制臂最终优化形状.25结 论26参考文献27致 谢30第一章 文献综述1.1 课题意义对汽车零件进行轻量化设计的意义极其重要，因为汽车的各大部件能降低的质量很少，所以只能从各个小零件进行优化，这可以降低整车重量，从而提高汽车的燃油经济性。在我国汽车产业发展比较晚，所以人才、技
7、术等方面都有很大的欠缺，很多方面的自主化研究设计还不能与发达国家相比。控制臂是汽车悬架的重要组成部分，悬架的主要作用就是连接车身与车轮，控制臂在其中起支撑作用，减振器和缓冲器安装在它和悬架上。因此，汽车行驶在路况不好的路面上时，不会感觉到过于颠簸。控制臂会吧车轮上的力合力矩传递给车身，保证车轮按照一定的轨迹行驶，减弱路面的冲击力。控制臂是车身上的非簧载质量，降低控制臂的质量可以增加车辆的承载性能，对提高汽车操纵稳定性有很积极的意义。所以，在汽车底盘的设计研发中，对控制臂的轻量化设计一直都是一个很重要的方面，各个汽车产业也从未停止对其的研发。1.2 课题研究现状汽车行业发展迅猛，人们对汽车性能也
8、提出了更高的要求，现在的汽车市场中运动型的车辆越来越多，而作为运动型汽车悬架的重要部分，诸多汽车厂都已经开始着重于汽车控制臂的研究。控制臂在车辆工作时会承受车身的振动和路面激励等很多冲击，这是因为它与车轮相连接。悬架连接着车身与车轮，控制臂是其中的主要受力部分，与它连接的有后副车架、转向节，二者通过衬套与控制臂相连接。汽车最重要的性能就是安全性与可靠性，我在进行履带车辆控制臂轻量化设计的时候，充分考虑到控制臂在工作中的各种受力、受载荷情况，在满足车辆正常行驶对其的各项要求的同时最大程度的降低控制臂质量，把生产成本降到最低，从而最大程度的提高燃油经济性。通过模态仿真分析和模态实验测试，陈东等1成
9、功将其前副车架能够减轻2.3 kg，他们把优化目标确定在汽车悬架的材料上，优化后的汽车悬架表现十分出色，完全达到了预期效果，但唯一不足的是在强度性方没有进行校核验证。有限元方法在汽车的制造领域被广泛应用，于用军2等人就是应用了有限元方法，通过有限元分析，得到了最优的控制臂零件构型，这种新的控制臂可以使其自身质量至少降低19%。而采用拓扑优化技术与单一目标的方法李成3则使某车麦弗逊悬架下控制臂重量降低了1.1 kg，轻量化设计后的控制臂的模态性能有明显的提升，但是它的方案存在较大的局限性，他在优化时只考虑单一的目标，没有同时兼顾模态性能、强度性能和重量性能。而黄河4等人的轻量化设计方案虽然没有对
10、其进行实验测试，可行性低，但是这个方案优化后的控制臂质量可以减少32.2%，而且优化后控制臂的各项性能也都能满足车辆的需要，这都要依靠有限元方法中的强度与模态仿真分析。在结构优化和工程应用领域很多国家的著名汽车制造商都加大了研究力度和钻项资金，因为各个制造商都在想尽一切办法来把汽车制造成本控制到最低，以期获得最大的盈利，这也从侧面大大的推动了汽车行业的良性竞争与自我革新。结构优化设计最早来自马克思威尔理论与米歇尔桁架的研究5，现代人在购买车辆时对于汽车的平顺行驶能力和稳定操控能力非常注重，而众所周知，决定汽车行驶平顺性和操控稳定性的汽车系统就是悬架，而控制臂又是汽车悬架系统重要的传递力导向部件
11、，所以对汽车控制臂做出既能保证其不影响正常使用又能极大地降低质量节省空间的设计是十分重要的，保证车辆的正常行驶能力就要考虑到车轮接触到的各种不同路况和受到的各种载荷，与此同时达到增强动力、稳定操控、减少轮胎磨损、节能减排的目标6。由于汽车制造源于国外，所以国外对汽车各个系统及零部件的研究历史更加悠久，作为汽车重要的组成悬架系统自然也是他们的主要研究目标。在汽车行驶性能7一书中德国工程师阿达姆.措莫拖系统的介绍了悬架运动学特性，其中包括了其对汽车行驶性能的影响以及它对于汽车的操纵稳定性的影响。美国工程师托马斯.圣吉列斯比所写的汽车动力学基础8书中对汽车的舒适性、稳态转向特性以及加速性能、制动性能
12、和悬架系统等方面详细介绍了动力学方面的问题，并对一般悬架 K&C 所注重的性能产开了研究，根据理论解释了其变化规律对于底盘运动性能的影响，这也是汽车系统动力学学者的必备研究资料。德国工程师哈斯.皮特维拉麦特所写的汽车动力学模拟及其方法9、德国工程师沃尔夫冈.马特车斯基所写的汽车悬架10以及日本学者安部正人所写的汽车的运动与操纵11等书中都对汽车悬架K&C 特性以及其对车辆操纵稳定性的影响等都进行了系统深入的探讨分析。德国雷根斯堡大学的吉格.瑞尔博士所写的汽车系统动力学12、美国曼哈顿大学的学者雷纳.贾森所写的汽车系统动力学之理论与应用13对悬架系统和底盘都做了全面系统的论述，这在汽车系统动力学
13、领域的探索非常深入，同时也对国内的悬架系统研究很有帮助。1.3 课题发展趋势绿色环保，节能减排已经成为当今时代的主流，各大汽车制造商也在极尽所能的在车身上做文章，以期夺取更大的市场份额，赢得更多消费者的青睐。几乎所有的汽车厂商对于控制臂的轻量化设计都集中在材料、结构和工艺三个方面上14。在国内控制轻量化方面做得比较出色是吉林大学的乐天聪。他对下控制臂先后进行了拓扑优化及形状优化以及相应的改进设计，最为重要的是他在降低了控制臂质量的同时还没有影响到控制臂各项性能15。同样，为了降低控制臂的质量， Soo-lyong Leea 将铝合金材料运用到控制臂的结构设计中，他的这种设计也是轻量化设计中的一
14、个重要手段16。而Hannes Fuchs 则选择了从工艺方面着手，他首先找到所有不同制作工艺的控制臂，并对于不同工艺下的控制臂性能做了对比分析，得出结论：在控制成本和降低质量方面冲压成型的控制臂有着明显的优势和更佳的性能17。人们对于控制臂的研究始于对汽车悬架的研究，由于控制臂是悬架的一个重要组成部分，所以优化汽车控制臂是提高悬架优化设计水平的必不可少的一步。而且在现如今的社会中履带类型的车辆由于其强大的通过能力、承载能力与抗击能力，在军事、工程用车、特种用车等诸多方面越来越显现出更加重要的地位。因此，对于控制臂的研发具有极其重要的意义，我们既要保证优化后的控制臂能最大程度的减少质量，也要保
15、证其原本性能不受影响，甚至是改善性能。控制臂的材料、制造工艺、结构都能影响控制最后的优化结果，其中最重要的就是结构形状的优化，科学的结构不仅能节省材料、降低重量，还能节省很多空间，因此对控制臂的结构优化研发已成为提高控制臂轻量化水准的主要途径18。目前，只有较少的汽车制造厂把结构优化技术应用到控制臂的轻量化设计中，所以在本研究中我们主要目标就是优化控制臂的结构，优化其尺寸，从而达到轻量化的目的。1.4 本设计的主要工作内容使用ANSYS软件对某车辆悬架控制臂进行轻量化设计。包括以下研究内容：（1） 分析控制臂的受力情况。（2） 在ANSYS软件中，对控制臂进行形状优化，优化目标是重量不超过45KG。（3） 对优化后控制臂进行强度计算和模态分析，检查优化方案的可行性。研究方案：使用三维模型设计软件或者直接在ANSYS软件中直接建立一控制臂的初始模型如图所示，再在ANSYS中为控制臂模型加上根据设计任务书给定的边界条件：（1） 球铰处受力：动载状态下Fz=-0.96kN、Fx=-18.24kN、Fy=-1.57kN；（2） 减振器处受
