CN118046707A - 一种控制臂、悬架系统及汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制臂、悬架系统及汽车，涉及控制臂技术领域；其中控制臂包括：主体，所述主体的外侧设有外连部、内侧设有内连部、中间设有中连部，所述外连部、中连部与内连部的中心位于同一直线上，所述中连部与外连部之间的距离小于中连部与内连部之间的距离；所述中连部与外连部之间设有第一镂空部，所述中连部与内连部之间设有第二镂空部。通过在主体中设有位于同一直线上的三个连接点，可以使得在悬架的设计姿态时，悬架与车上的重量不会对控制臂产生扭矩，进而影响衬套与球面销的寿命；同时，中连部距离内连部的距离更大，这样可以提高悬架的杠杆比；另外，本控制臂通过两个镂空结构，对控制臂的轻量化效果提供积极作用。

Description

一种控制臂、悬架系统及汽车

技术领域

本发明涉及悬架领域，特别涉及悬架中的控制臂。

背景技术

汽车悬挂系统是现代汽车上的重要总成之一，对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性有很大的影响。控制臂作为汽车悬挂系统的导向和传力元件，将作用在车轮上的各种力传递给车身，同时保证车轮按一定轨迹运动。现有的汽车的下控制臂总成通常连接于转向节和副车架之间，现有的汽车下控制臂总成通常能够用于支撑后螺旋弹簧，也有部分汽车下控制臂总成可以对后减振器、后稳定杆连接杆及后缓冲块中的一个或者两个进行支撑。这样就使得现有的汽车的下控制臂总成的结构不紧凑，同时，随着汽车轻量化观念和行业内竞争压力的与日俱增，传统的控制臂总成重量大、工艺成型复杂，制造成本高等缺点日益明显。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种控制臂，其通过优化控制臂的形状结构，使得该控制臂具备可打在悬架的功能，同时通过轻量化改造，在保持控制臂的受力条件不变的前提下，降低控制臂的重量。

本发明还提供一种具有上述控制臂的悬架系统以及汽车。

本发明第一方面实施例提供了一种控制臂，包括：主体，所述主体的外侧设有外连部、内侧设有内连部、中间设有中连部，所述外连部、中连部与内连部的中心位于同一直线上，所述中连部与外连部之间的距离小于中连部与内连部之间的距离；所述中连部与外连部之间设有第一镂空部，所述中连部与内连部之间设有第二镂空部。

根据本发明第一方面实施例的控制臂，至少具有如下的有益效果：通过在主体中设有位于同一直线上的三个连接点，可以使得在悬架的设计姿态时，悬架与车上的重量不会对控制臂产生扭矩，进而影响衬套与球面销的寿命；同时，中连部距离内连部的距离更大，这样可以提高悬架的杠杆比；另外，本控制臂通过两个镂空结构，对控制臂的轻量化效果提供积极作用。

在本发明的一些实施例中，所述外连部上设有第一通孔、所述内连部上设有第二通孔、所述中连部上设有第三通孔，所述第一通孔、第二通孔以及第三通孔的轴线互相平行。

在本发明的一些实施例中，所述第一通孔的上侧设有压装导入结构。

在本发明的一些实施例中，所述压装导入结构包括倒斜角部与倒圆角部，所述倒圆角部位于所述倒斜角部的下方。

在本发明的一些实施例中，所述外连部整体呈圆柱状，所述外连部的外轮廓的中心与所述第一通孔的中心离心设置，所述第一通孔的中心在所述外连部与内连部的中心连线上，且所述第一通孔210的中心位于所述外连部200的外轮廓的中心的外侧。

在本发明的一些实施例中，所述第一镂空部与第二镂空部整体呈等腰梯形，所述第一镂空部与第二镂空部的中心线位于所述外连部与内连部的中心连线上。

在本发明的一些实施例中，所述第一镂空部的长度与第二镂空部的长度的比例为A；所述外连部中心和中连部中心之间的距离与所述内连部中心和中连部中心之间的距离的比例为B，所述A:B 的范围是 0.9~1.1。

在本发明的一些实施例中，所述控制臂为铝合金材质经过锻造工艺一体成型。

本发明第二方面实施例提供了一种悬架系统，去包括上述的控制臂。

根据本发明第二方面实施例的悬架系统，至少具有如下的有益效果：利用上述的控制臂，可以使得悬架的结构更加紧凑，同时悬架的总体重量更轻。

本发明第三方面实施例提供了一种汽车，汽车包括上述的悬架系统。具体地，汽车可以为私家车，例如轿车、SUV、MPV或皮卡等。汽车也可以为运营车，例如面包车、公交车、小型货车或大型拖挂车等。汽车可以为油车也可以为新能源车。当汽车为新能源车时，其可以为混动车，也可以为纯电车。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的控制臂的立体示意图；

图2是根据本发明实施例提供的控制臂的正视图；

图3是图2中A-A方向的剖视图；

图4是图3中C-C 方向的剖视图；

图5是图3中的B处放大图；

图6是根据本发明实施例提供的悬架的局部结构示意图；

图7是根据本发明实施例提供的控制臂的受力拓扑分析图；

图8是根据本发明实施例提供的控制臂的CAE计算图。

附图标记：

主体100、外连部200、第一通孔210、 内连部300、第二通孔310、中连部400、第三通孔410、第一镂空部500、第二镂空部600、压装导入结构700、倒斜角部710、倒圆角部720 、转向节10、滑柱总成20、边轮结构30。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

悬架系统是车轮、车身和车架三者之间的连接系统，包括弹性元件、导向机构以及减震器等，控制臂就是其中的一种导向机构元件。在汽车行驶过程中，由于路面变化引起的振动和转向的需要，车轮必然会产生上下跳动和左右摆动，而车轮运动产生的力一部分会通过控制臂传递到车身，因此控制臂的性能将直接影响汽车的安全性、舒适性和操控稳定性，必须具有一定的刚度和可靠性。同时，由于控制臂在悬架系统中作为车轮与车身间的主要的传力部件，其受力工况是非常复杂的，因此其对强度、刚度和疲劳寿命的要求均极高，因为它对汽车的行驶安全性有着决定性作用。而且，现有的控制臂，除了连接转向节以及车身外，还肩负起搭载减震器或者滑柱的作用。为此，这些控制臂一般采用三端连接方式，球头端连接汽车转向节，另外两个衬套端连接车身或减震器。由于三端的连线基本呈三角形，从而导致控制臂的体积较大，更大的体积意味着使用更多的材料，重量也更大。同时，由于三个端点呈三角形布置，虽然使得控制臂的整体强度更高，但是中间节点在收到横向作用力时候，容易在中间节点上产生扭力，从而影响衬套与球面销的使用寿命。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种控制臂、悬架系统及汽车，其控制臂通过设置镂空设计，明显降低重量，同时通过优化控制臂的形状结构，从而提高控制臂的总体力学性能。

下面参考图1至图6描述根据本发明实施例的控制臂、悬架系统及汽车。

如图1至图5所示，根据本发明实施例的控制臂，其包括整体呈长条形的主体100，该主体100为一字型的臂体结构，该主体100在外侧设有外连部200，在主体100的内侧设有内连部300，而在主体100的中间设有中连部400。所述的外连部200与内连部300分别位于所述主体100的外端部与内端部，所述的中连部400位于主体100上。所述的外连部200与内连部300整体均呈圆柱状，本实施例中，所述外连部200的外径稍稍大于所述内连部300的外径。

所述的主体100呈不规则的长条形，所述主体100在所述中连部400处的外径最大，然后自中连部400处向内外两侧，外径逐渐减少。所述主体100在中连部400出的外径大于所述外连部200的外径。而主体100内外两侧的外径小于所述内连部300的外径。另外，所述外连部200与内连部300的高度基本与中连部400的高度相同，而主体100的高度是中间高，两边低，其中以中连部400处的高度最大。

且，所述外连部200与主体100之间采用圆弧过渡。同理，所述内连部300与主体100之间同样采用圆弧过渡。整个控制臂在过渡位置均采用圆弧过渡的方式，可以有效地避免应力集中，使得控制臂在工作的时候，载荷分布更加均匀，明显提高控制臂的使用寿命。

所述的中连部400整体设置在主体100中，且所述中连部400的中心位于外连部200的中心与内连部300的中心 之间的连线x上。同时，所述中连部400相对更靠近所述外连部200设置。即中连部400的中心距离外连部200的中心的距离为a，而中连部400的中心距离内连部300的中心的距离为b，则a<b。

同时，在所述主体100上设有两个的镂空结构，分别是位于外连部200与中连部400之间的第一镂空部500，位于所述内连部300与中连部400之间的第二镂空部600。

可以理解的是，所述外连部200、中连部400、内连部300以及第一镂空部500、第二镂空部600均与所述的主体100一体成型。

本控制臂具体的，采用的是铝合金材质经过锻造工艺一体成型工艺加工而成。

现有汽车的控制臂的设计制造技术中，从材料和工艺上可以分为锻铝控制臂、锻钢控制臂、钢冲焊控制臂以及铸铁控制臂。

其中，锻铝控制臂：在汽车轻量化的趋势下，锻铝控制臂无疑是乘用车应用最为广泛的控制臂。锻造铝合金机械性能较铸造铝合金优异，因此其轻量化效果优于铸造铝合金控制臂。但是锻造工艺只能成型型面相对简单的造型，对于复杂型面或者带有耳片式的控制臂，将会产生较多的材料浪费或者无法成型。即便如此，锻铝控制臂也是应用最为广泛的种类。

而锻钢控制臂：同样广泛应用于乘用车领域，其优势在于材料成本低，空间占用较小，有利于悬架空间布置，在一些成本要求严格或重量要求宽松的车型，可以应用此类产品。其缺点是在相同条件下，重量比锻铝控制臂要高65%（例如某即将量产项目的车型中，同样形状结构的控制臂，锻铝的重量为1.28kg，而锻钢的重量为2.12kg），在当前轻量化趋势下，豪华车控制臂的钢材料应用将会越来越少。

而钢冲焊控制臂：多用于A、B级车。钢冲焊控制臂与锻钢控制臂区别在于工艺路线不同，前者为钢板冲压→焊接→机加，后者锻造→机加；空间占用不同，前者空间占用较大。此外，钢冲焊控制臂可以直接搭载弹簧，减振器，在弹减分离的悬架中应用较多。还有一种空心钢管→拼焊冲压钢板（冲压钢板为控制臂两端，用于压装衬套）的控制臂，本质也属于钢冲焊控制臂。

最后就是铸铁控制臂：优异的机械性能、成型能力、使其具有一席之地，用于重量要求不严格的商用车车型或者早期的乘用车，不过多讨论。

由此可知，当前以上四种不同的控制臂结构均具有一定的应用，并且以锻铝控制臂为代表的轻量化效果较为优秀。本发明在传统的锻铝控制臂结构的基础上，通过利用拓扑优化方法，创新工艺技术，在长条形的臂体中设置一条连线上的三个连接部，同时在两两相邻的连接部之间设置镂空结构，使得在保持原锻铝控制臂的功能基础上实现了10%的减重。

如前所述，本控制臂的外连部200用于与汽车悬架上的转向节连接，而控制臂的内连部300用于与汽车悬架上的副车架连接，而中连部400用于与汽车悬架上的主动悬架连接。因此，所述的外连部200、内连部300以及中连部400上均设有与外部结构连接的连接结构。具体到本实施例中，上述的连接结构均为安装孔结构。

参见图3，在一些具体示例中，所述的外连部200上设有上下贯通的第一通孔210，所述内连部300上设有上下贯通的第二通孔310，所述中连部400上设有上下贯通的第三通孔410；所述的第一通孔210、第二通孔310以及第三通孔410三者的轴线是相互平行的。每个安装通孔上均通过安装球面销实现与外部零件的固定安装。而在球面销与通孔之间还设有衬套，起到保护作用。

由于外连部200的中心、内连部300的中心以及中连部400的中心同时位于同一条连线x上，配合三个安装孔的轴线相互平衡，通过上述的设置，可以有效防止在悬架设计姿态时，主动悬架和车身的重量对第一通孔210与第二通孔310中的球面销和衬套产生轴向分力，进而对二者寿命产生不利影响。由于第三通孔410上安装了主动悬架，主动悬架的一端是与第三通孔410连接，另外一端是与车身连接。控制臂在工作状态下，主动悬架以及车身的合力会作用到第三通孔410上，若是三个安装通孔的轴线不相互平行，则该作用力会对第一通孔210以及第二通孔310产生轴向的分力，该分力会破坏两个安装孔中的球面销结构，降低产品的使用寿命；而当三者的轴线相互平行设置后，第三通孔410上的受力只会沿着连线x对第一通孔210以及第二通孔310产生扭力。该扭力一般不会对球面销产生不良的影响。

如前所述，在第一通孔210、第二通孔310以及第三通孔410中需要装入球面销。为了更加方便的将球面销装进三个通孔中，进一步的，在第一通孔210、第二通孔310以及第三通孔410的上端面均设有压装导入结构700。

所述的压装导入结构700通过巧妙的设置倒斜角或者倒圆角，可以方便球面销或者衬套的压装，减小对球面销外管或者衬套外管的磨损，同时也可以减少对控制臂的三个通孔内壁的磨损，从而保证合格的拔出力。具体的，参见图3、图5，本导入结构700同时包括倒斜角部710以及倒圆角部720，其中所述的倒斜角部710位于所述倒圆角部720的上方。即本压装导入结构700，首先在第一通孔210的外端面上设置了一个倒斜角结构，具体的，所述的倒斜角的角度可以是15~30°，高度可以是1-3mm，优选地，本实施例中，所述的倒斜角尺寸为2X20°。而在倒斜角部710的下端还设置了一个倒圆角部720，该倒圆角的尺寸可以是R1~R3，具体的， 本实施例中，采用的倒圆角为R2。

本实施例中，只在第一通孔210、第二通孔310与第三通孔410的上端面加工出对应的压装导入结构700，当然也可以在第一通孔210、第二通孔310与第三通孔410的下端面也加工出对应的压装导入结构700。只在单边加工出压装导入结构700不仅可以节省加工成本，同时可以起到辨别控制臂正反面的作用。

如前所述，所述的外连部200与内连部300整体呈圆柱状，而在外连部200与内连部300中分别设有第一通孔210以及第二通孔310。惯常设计中，圆柱状的外轮廓的中心与该圆柱状状中的通孔的中心会基本重合。但是，本实施例中，为了进一步降低控制臂的重量，减少不必要的浪费，所述外连部200的外轮廓的中心与第一通孔210的中心并不重合，即两者采用离心设置。

参见图2、图4，所述外连部200的外轮廓的中心以及内连部300的外轮廓的中心都在连线x上，而所述第一通孔210的中心也在该连线x上，但是第一通孔210的中心要相对所述外连部200的外轮廓的中心更靠近外侧。即所述第一通孔210的中心布置在远离外连部200以及内连部300的方向上。从而使得外连部200的外侧壁厚要低于外连部200的内侧壁厚。采用这种偏心的设置，可以对外连接部200的内侧起到补强作用，同时减薄外侧的壁厚，在保证足够的连接强度的前提下，又能达到优秀的轻量化效果。

对应的，所述内连部300的外轮廓的中心与第二通孔310的中心基本重合。根据控制臂的受力情况分析，由于内连部300上的受力情况要弱于外连部200，因此，只需对外连部200上的第一通孔210设置偏心设置即可。第二通孔310保持与内连部300的外轮廓同轴心设置，可以降低加工的复杂性，提高加工的效率。

如前所述，本实施例中的控制臂主要通过设置了两个镂空结构，从而起到轻量化的目的。但是，由于控制臂是悬架系统中的主要受力构件，在轻量化的同时，应当保证控制臂具有良好的载荷能力。为此，本实施例的控制臂通过拓扑优化设计，根据悬架的硬点布置以及应用过程中实际的受理情况进行分析，对两个镂空结构的形状做出了优化。

具体的，参见图4，本实施例中所述的第一镂空部500以及第二镂空部600整体均呈等腰梯形。所述第一镂空部500与第二镂空部600的中心线也基本位于所述外连部200与内连部300的中心连线x上。即第一镂空部500与第二镂空部600以中心连线x为中心对称线。

其中，所述第一镂空部500的高度为c，而第二镂空部600的高度为d，所述第一镂空部500的下底与第二镂空部600的下底基本相同。所述c:d的比例为A，而所述a:b的比例为B，一般上，所述A:B 的范围在0.9~1.1之间。即两个镂空结构的高度（或长度）比例近似于三个安装孔之间的比例。

而第一镂空部500的下底长与第二镂空部的下底长基本相同。因此，第一镂空部500的斜度g与第二镂空部的斜度h 的比例与它们两者的高度比是相反。

另外，为了进一步提高控制臂主体100的受力情况，第一镂空部500与第二镂空部600与主体100之间形成的壁厚是基本相同的。参见图4，假设第二镂空部600的前侧与主体100的前端面之间的距离是e，而第二镂空部600的后侧与主体100的后端面之间的距离是f，e基本与f相同。

同时，为了更进一步的优化控制臂主体100的受力情况，所述b:a 的取值范围是1.75~1.80。

参见图7可知，由本实施例提供的控制臂，由于其悬架的硬点布置以及实际的受力分析情况下，其拓扑优化结果明显。在第一通孔210与第二通孔之间310由于设置了镂空设置，而且该镂空结构的形状得到有优化，使得零件的各个方向的力和力矩的传递只需由两个镂空结构上下的主体完成。

另外，参见图8可知，根据拓扑结构结合工艺分析进行设计的本控制臂结构，对该控制臂进行CAE计算，计算结果显示并无不合格项，性能接近应力边界。同时，由于存在了镂空结构，使得本控制臂具有优秀的轻量化效果。

参见图6，在第二方面，根据本发明实施例的悬架系统，包括有上述实施例的控制臂。

可以理解的是，悬架系统的结构还包括转向节10、滑柱总成20以及边轮结构30，当然还包括其他控制臂、稳定杆组件等其他组成部分。本控制臂作为悬架系统中的下方控制臂，其外连部200与所述转向节10连接，而滑柱总成20则安装在所述中连部400上，边轮结构30安装在所述转向节10上。

本悬架系统采用上述结构的控制臂后，由于该控制臂具有优异的力学性能，其能保证悬架系统的整体刚性以及综合性能，同时该控制臂的重量更轻。

此外，本实施例第三方面实施例还提供了一种汽车，汽车包括上述任一项的悬架系统。具体地，汽车可以为私家车，例如轿车、SUV、MPV或皮卡等。汽车也可以为运营车，例如面包车、公交车、小型货车或大型拖挂车等。汽车可以为油车也可以为新能源车。当汽车为新能源车时，其可以为混动车，也可以为纯电车。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种控制臂，其特征在于，包括：主体（100），所述主体（100）的外侧设有外连部（200）、内侧设有内连部（300）、中间设有中连部（400），所述外连部（200）、中连部（400）与内连部（300）的中心位于同一直线上，所述中连部（400）与外连部（200）之间的距离小于中连部（400）与内连部（300）之间的距离；所述中连部（400）与外连部（200）之间设有第一镂空部（500），所述中连部（400）与内连部（300）之间设有第二镂空部（600）。

2.根据权利要求1所述的控制臂，其特征在于，所述外连部（200）上设有第一通孔（210）、所述内连部（300）上设有第二通孔（310）、所述中连部（400）上设有第三通孔（410），所述第一通孔（210）、第二通孔（310）以及第三通孔（410）的轴线互相平行。

3.根据权利要求2所述的控制臂，其特征在于，所述第一通孔（210）的上侧设有压装导入结构（700）。

4.根据权利要求3所述的控制臂，其特征在于，所述压装导入结构（700）包括倒斜角部（710）与倒圆角部（720），所述倒圆角部（720）位于所述倒斜角部（710）的下方。

5.根据权利要求4所述的控制臂，其特征在于，所述外连部（200）整体呈圆柱状，所述外连部（200）的外轮廓的中心与所述第一通孔（210）的中心离心设置，所述第一通孔（210）的中心在所述外连部（200）与内连部（300）的中心连线上，且所述第一通孔（210）的中心位于所述外连部（200）的外轮廓的中心的外侧。

6.根据权利要求1所述的控制臂，其特征在于，所述第一镂空部（500）与第二镂空部（600）整体呈等腰梯形，所述第一镂空部（500）与第二镂空部（600）的中心线位于所述外连部（200）与内连部（300）的中心连线上。

7.根据权利要求1所述的控制臂，其特征在于，所述第一镂空部（500）的长度与第二镂空部（600）的长度的比例为A；所述外连部（200）中心和中连部（400）中心之间的距离与所述内连部（300）中心和中连部（400）中心之间的距离的比例为B，所述A:B 的范围是 0.9~1.1。

8.根据权利要求1所述的控制臂，其特征在于，所述控制臂为铝合金材质经过锻造工艺一体成型。

9.一种悬架系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任一所述的控制臂。

10.一种汽车，其特征在于，包括如权利要求9所述的悬架系统。