基于 solidThinking Inspire 的推杆式悬架摇臂的设计

     摘要：利用 solidThinking Inspire 软件，对产品进行初期的概念设计，可有效减少整个设计流程的周期。本文介绍了该软件在推杆式悬架摇臂设计中的应用，通过拓扑优化原理，在保证一定强度的情况下，对其进行轻量化的优化设计。最后分析表明，其设计的减重效果明显，且具有较高刚度的结构。 

     关键词：solidThinking Inspire 概念设计 轻量化 摇臂

     1 引言  

     在设计初期若能充分考虑结构的受力情况，并进行能满足一定刚度或强度的结构设计， 这一方面将能减少在 CAD 设计和 CAE 分析之间反复进行的设计周期，另一方面也能在初期获得最佳的拓扑结构[1]。Altair 公司的 solidThinking Inspire 软件正是应用于初期的概念设 计，并利用 OptiStruct 求解器，以方便简易的操作方法受到广大设计师的认同。 

     本文以设计一辆中国大学生方程式赛车为例，运用 solidThinking Inspire 软件对其推杆 式悬架的摇臂（也有称之为摇杆或换向器的，本文为不引起误解，统一称摇臂）进行初期概 念设计，目的是获得最优的轻量化方案和良好的强度。摇臂有部分质量属于簧下质量，减轻簧下质量有利于改善赛车的动态响应，增加轮胎的接地性指数[2]，提高操纵稳定性，同时对于降低整车质量有一定的贡献，有利于提高赛车的加速性能。

     2 摇臂简介与初步模型建立  

     推杆式悬架一般用在赛车上，在一些超级跑车上也有应用到，其中的零件摇臂是一个改变机构受力方向的构件，将车轮上收到的垂直力通过推杆传递给减震器和弹簧，箭头为受力 传递路线。  

                                                                            图 1 摇臂的机构原理

     摇臂主要有四个安装孔，分别为与车架、减震器、推杆、横向稳定杆的铰接孔，而其铰 接孔和弹簧及推杆的角度决定了悬架的传递比，在已定的传递比情况下可确定其安装孔的几何关系，如图 2 所示。  

                                                                            图 2 安装孔几何关系 

                                                                            图 3 摇臂初始模型与受力图

     图 3 为摇臂初始的模型，开始在四个铰接孔连线之间填充满材料，减少形状上的限制， 这样可给予软件充分的优化空间，得到更佳的拓扑结构。同时其基本受力点和方向也在图中 标示，在摇臂的转动中会影响其受力方向，而摇臂转动角度并不大，这里以其静止时的角度 进行分析，对结果影响不大。

     3 工况分析  

     根据摇臂的受力特性，这里将赛车分为四类行驶工况，对其进行相应的受力分析，并设 减震器对摇臂的反力为 F1，推杆的反力为 F2，横向稳定杆反力为 P 。  

     （1）赛车在静止状态或匀速直线行驶，根据整车重量和摇臂的杠杆比可求的减震器反 力 F1=766N ， F2=755N 。  

     （2）在减速或者加速工况下，车子前后轴荷会发生转移，从而对摇臂的受力产生变化， 由于两种情况产生的影响类似，这里只对制动时进行分析，并设制动强度 Z=0.8。根据相关条件和公式[3]求的 F1=1057N ， F2=1042N 。  

     （3）在转弯工况下，左右轮的载荷也会发生转移[3]，同时横向稳定杆起作用了，进而 影响摇臂的受力。本设计拟定左转弯时对摇臂的受力进行分析，其中选定侧向加速度为 1.2g，横向稳定杆两端的位移为 62mm，最后得出 F1=1451N ，F2=1430N ，P=2177N [4]。 

     （4）在转弯和减速的联合工况下，在这两种情况下摇臂所受到的力将更加大，由于力 的可叠加性，可在前面已分析的基础上，叠加上各部分力即可。由于在制动和左转向时右前 轮所受到的力最大，则这里只分析右前轮。得出 F1=1755N ，F2=1730N ，P=2177N

     4 摇臂的优化设计  

     4.1 设置约束和载荷  

     在开始的初步建模中注意要给施加约束和载荷的安装孔建立独立的 part 部分，以区分后面定义的设计空间。如图 4 所示，在车架铰接孔处施加可转动的约束，在模拟摇臂在力的 作用下运动到极限位置时的平衡状态，这里给推杆铰接孔施加固定约束，同时这样才能给予模型充分约束。

                                                                            图 4 约束与载荷  

     根据对摇臂工况的分析，可分别加给摇臂施加减震器的反力和横向稳定杆的反力。  

     4.2 定义设计空间及模型材料  

     给模型定义设计空间的目的是指定模型需要优化的部位，在其中进行拓扑优化，去除材 料，同时给予施加约束和载荷的部分定义为非设计空间。如图 5 所示，紫色部分定义为设计空间。模型所使用的材料为中碳钢，所以可在模型的属性编辑栏上定义其材料为中碳钢。

                                                                            图 5 设计空间

     4.3 优化运算与设计  

     在定义好约束、载荷以及设计空间之后，可对模型进行优化的求解运算，定义模型的优 化目标为减重 20%，分别对四种工况进行运算，得到的优化结果是前三种去除的材料较多， 而第四种联合工况则更具有代表性，其大致能包括前三种的结果中所包含的材料，因此主要 对第四种工况进行优化结构设计，如下图 6 和图 7 所示。

                                                                            图 6 优化结果 

                                                                             图 7 最终设计结构

     在优化结果中虽然车架铰接孔和横向稳定杆铰接孔没有材料相连，但为了结构的平衡性 能，最终结果在他们之间增加了弧形的连接杆。

     5 分析与结论  

      通过建模软件获取模型的质量，得到优化前模型的质量为 0.625kg，优化后的最终结果为 0.113kg，也即是通过 solidThinking Inspire 进行初期的概念设计，可以直接对开始时初略的摇臂模型减重 85%以上，这样的设计方法可大大地加速和方便了设计者初期的结构设计。虽然摇臂的质量并不大，但是赛车需要的是对每个零件进行尽可能的减重，这样才能充分发挥轻量化设计的作用，而 solidThinking Inspire 不仅可以在本文例子中应用，更是可以 应用到更多的工程领域中并发挥重要作用。

---

    【想获得更多信息，请加技术邻微信客服 jishulink888。也可以申请试用、免费测算、报名培训、研发人员20人以上的企业可以申请免费上门内训】