汽车悬架下控制臂的有限元分析 １２５
文章编号：１００６—１３５５（２０１２）０４—０１２５—０４
汽车悬架下控制臂的有限元分析
何小静，上官文斌
（华南理工大学机械与汽车工程学院，广州５１０６４１）
摘要：以某一具体的悬架下控制臂为研究对象，建立悬架控制臂有限元仿真模型。在有限元静力分析过程中，引
入惯性释放原理，计算不平衡外力作用下结构的运动（ａｎ速度），通过惯性力构造一个平衡的力系，从而消除约束点反力 对控制臂结构强度计算造成的应力集中影响。分析汽车悬架控制臂的静刚度特性，对悬架控制臂分别在拉、压工况下 进行拉溃力和压溃力有限元分析。分析结果表明，此悬架控制臂满足静刚度特性和强度特性设计要求。 关键词：振动与波；悬架；下控制臂；惯性释放；有限元分析 中图分类号：Ｕ４６３．３３ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ编码：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００６—１３５５．２０１２．０３．０２９
Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｒｍ ｂｅｎｅａｔｈ
Ｖｅｈｉｃｌｅ’Ｓ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ
ＨＥ Ｘｉａｏｊｉｎｇ，ＳＨＡＮＧＧＵＡＮ Ｗｅｎ—ｂｉｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，５ １０６４１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｌｒｌ ｂｅｎｅａｔｈ ｖｅｈｉｃｌｅ’Ｓ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｎ ｓｔａｔｉｃ
ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ，ｉｎｅｒｔｉａ ｒｅｌｉｅｆ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｆｏｒｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｍ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ ｌｏａｄｓ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｒｎ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｌｏａｄ ａｎｄ ｂｕｃｋｌｉｎｇ ｌｏａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｌＴｌ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｎｌ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｗａｖｅ；ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ；ｌｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｍ；ｉｎｅｒｔｉａ ｒｅｌｉｅｆ；ＦＥＡ
汽车悬架控制臂作为汽车悬架系统的导向和传
力元件，其性能特性对汽车悬架系统的综合性能有
着至关重要的影响”］。因此，汽车悬架控制臂的设
计必须满足刚度和强度特性要求。
在强度分析中，悬架控制臂是一种比较特殊的
构件，在车辆行驶过程中，控制臂不仅绕着与副车架
连接的内侧铰点摆动，同时也随着车轮的跳动而平
动 。因此在对控制臂单独进行有限元分析时，若
按照静力分析的方法，一端约束，一端加载，约束５
个自由度，控制臂在载荷作用下会发生刚体转动。
如果约束６个自由度，则约束点反力对控制臂结构
强度计算会造成的应力集中影响，计算出的应力与
收稿日期：２０１１－０７—１３；修改日期：２０１１－０９．１３ 作者简介：何小静（１９８６一）女，湖北省武汉市人，硕士 目前从事汽车动力学方面研究。
Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｅｘｉａ０ｊｉｎｇｌ２３＠ｙａｈｏｏ．ｃｎ 实际情况不符合。因此，本文引入惯性释放原理，用
于运动件的不完全约束静态特性计算。
本文选取某一具体的悬架控制臂作为研究对
象，列出了此控制臂静刚度和强度的设计要求，建立
了包含橡胶衬套的悬架控制臂有限元模型，阐述了
在进行控制臂静刚度以及强度分析时，控制臂约束
条件的确定。对悬架控制臂进行静刚度、拉溃力和
压溃力计算。分析结果表明，此悬架控制臂满足静
刚度特性和强度特性设计要求。
１惯性释放原理
惯性释放的原理是先计算不平衡外力作用下结
构的运动（加速度），通过惯性力构造一个平衡的力
系，使得支座反力等于零，可以消除不适当约束对变
形和应力状态的影响，求解得到的节点位移其实是
描述所有节点相对于该支座的相对运动，从而消除
了因为直接对支座进行约束时所产生的约束端附近 ２０１２年６月 噪声与振动控制 第３期
的应力集中。它可以模拟非约束系统的静态响
应 。惯性释放典型用于模拟飞机的飞行、汽车在
实验场的行驶以及卫星在太空中的邀游等实际工程
应用。如果外力本身的平衡程度较高，则惯性力在
平衡力系中所占的份额较少，计算引起的误差较小，
得到的应力将比较符合实际情况。
对于汽车、飞机、轮船等复杂结构，由于受设计
载荷计算方法的限制，还有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是极其困难
的［４ 。但可以通过静、动力平衡的方法构造一个自
平衡的力系。设｛毋为所有节点（ ， ， ，ｍ ，ｍ ，ｍ：）
分量组成的节点外载荷向量，｛ ｝为所有节点加速
度分量（／／， ， ， ， ， ）（／／，｛『， ， ， ， ）组
成的节点加速度向量，用有限元方法构造的静动力
平衡方程为
㈣＋ ＝０
式中［Ｍ］＝ｆ ｐ［Ⅳ】Ｔ【Ⅳ］ｄ 为质量矩阵。［Ⅳ］为单
元节点形函数矩阵，ｐ）９单元密度，纳体积函数。
求解上式可得到各节点上为了维持平衡所需的
节点加速度，进而得到各节点的惯性力，把节点的惯
性力作为外力再加到有限元单元的节点上，则可以
构造一个自平衡力系，计算中不必太强调边界条件
的施加。这种方法叫做“惯性释放”［ｓｌ。
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，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，再反向施加
到每个节点上，由此构造一个平衡的力系 。求解
得到的位移描述所有节点相对于该支座的相对运
动。使用惯性释放的方法，惯性载荷由有限元程序
的惯性释放处理模块自动进行计算配平，只需一次
结构有限元求解计算 。
在悬架控制臂结构分析中引入惯性释放的方
法，最终可以消除约束点的反力对变形和应力状态
的影响，有助于我们得到更加合理和符合实际情况
的计算结果，有利于对悬架控制臂结构的强度进行
更加合理的分析与评估。
２控制臂有限元分析
２．１悬架控制臂设计要求
在对汽车悬架控制臂进行结构设计时，定义悬
架控制臂在分别受拉、压达到破坏时所能承受的最
大载荷为悬架控制臂的拉渍力和压溃力。一般在进 行悬架控制臂结构设计时，需要根据整车行驶工况，
对整车进行动力学分析或者试验测试，从而计算出
或试验测出控制臂所能承受的拉溃力和压溃力。图
１为某一具体悬架控制臂载荷工况示意图。此悬架
控制臂的拉溃力、压溃力和静刚度要求如表１所示。
图１控制臂载荷工况示意图
Ｆｉｇ．１ Ｌｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｎｌ
表１悬架控制臂拉、压工况下静刚度及强度要求
Ｔａｂ．１ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｎｌ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｅｔｃｈ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓ
载荷工况 静刚度（ＫＮ／ｍｍ）拉（压）溃力要求（ＫＮ）
２．２悬架控制臂有限元模型
控制臂的一端通过球铰与车轮轮毂相连，另一
端通过橡胶衬套与车身相连［６］。建立控制臂有限元
分析模型时，为了精确地反映球铰、衬套对控制臂计
算结果的影响，应真实的模拟球绞、衬套的联接和约
束状态。
控制臂球铰借助刚性单元（ＲＢＥ ２）模拟其运
动，见图２。球铰球头借助一个多点约束的刚性单
元，与控制臂单元采用共节点连接，为体现球铰和控
制臂相对运动特征，在球铰的球心处添加一个微小
距离的单点约束刚性单元，释放其三个转动自由度嘲。
橡胶衬套则按照实际结构进行有限元网格划分，衬
套与控制臂之问通过共节点联接。图３为包括球铰
和橡胶衬套的控制臂总成的有限元模型。其中橡胶
衬套材料为邵氏硬度为５０度的橡胶，球绞与控制臂
材料为６０８２一Ｔ６。
汽车用发电机ＮＶＨ性能测试声学实验室设计及鉴定 １５ｌ
环境修正量进行验收，表５为中国测试技术研究院
的检测结果 ，验收指标为各传声器位置Ａ计权及
各主要１／３倍频带（中心频率１６０ Ｈｚ至５ ０００ Ｈｚ）环
境修正量Ｋ２，由表５可见，各频带环境修正量 ＜２
ｄＢ。
表５环境修正量 （１．２５ ｍ）检测结果
Ｔｌａｂ．５ １ ｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ／Ｇ（１．２５ ｍ） 驱动电机＿Ｔ作背景噪声对比
转速／（ｒ／ｍｉｎ）
图３驱动电机工作背景噪声对比
Ｆｉｇ．３ Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｏｉｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｆ ｗｏｒｋｉｎｇ ｄｒｉｖｅ ｍｏｏｒ
５ 结语
本声学实验室经过科学设计和高质量工程施
工，充分考虑了隔声、隔振和吸声等要求，各项鉴定
测试结果均达到设计指标。在投入使用的一年多己
为西南地区多家电机企业、汽车企业等提供了发电
机声功率测试、降噪研究及相关科研和产品研发工
作。
４．２背景噪声 参考文献： 在正常工作日中，关闭所有门窗且驱动电机不
工作时，测试问内的背景噪声为２５￣２７ ｄＢＡ，小于
３０ｄＢＡ的限值。
４－３驱动电机噪声
对只有驱动电机工作和驱动电机带动发电机工
作两种工况进行噪声测试，测试结果如图３所示。
图中显示大部分工况（３ ０００ ｒ／ｍｉｎ以上转速）都满足
仅有驱动电机工作时的背景噪声比驱动电机带动发
电机工作时的噪声低２０ ｄＢＡ的要求，３ ０００ ｒ／ｍｉｎ以
下转速上速差值可能小于１５ ｄＢＡ，但仍大于１０
一ｄＢＡ，对于噪声测量结果影响很小。
（上接第１２８页）
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