某乘用車前懸擺臂多工況道路載荷譜采集技術(shù)研究

陳宇，申娟

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

?

某乘用車前懸擺臂多工況道路載荷譜采集技術(shù)研究

陳宇，申娟

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

以某乘用車麥弗遜式前懸擺臂為研究對象，采集整車在汽車試驗場強(qiáng)化道路各工況的應(yīng)變，通過臺架標(biāo)定的方法獲得擺臂載荷與應(yīng)變關(guān)系，計算出相應(yīng)工況下擺臂所受載荷。通過分析載荷譜時域和頻域，得到利于零部件設(shè)計的參數(shù)，同時為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員進(jìn)行CAE分析提供數(shù)據(jù)支持，為零部件疲勞壽命試驗提供試驗條件。

擺臂；載荷譜；數(shù)據(jù)采集技術(shù)

0　引言

麥弗遜式獨立懸掛是最為常見的一種懸掛，多應(yīng)用于家用轎車的前懸掛。如圖1所示，麥弗遜式獨立懸掛主要由擺臂和減振機(jī)構(gòu)組成。

圖1　麥弗遜式前懸架

其中擺臂發(fā)揮著重要作用，用于約束轉(zhuǎn)向節(jié)在側(cè)向(Y)的位移、在縱向(X)的位移。擺臂如有質(zhì)量問題，會導(dǎo)致車輛失控，會帶來致命安全事故。所以采集整車滿載情況下、在汽車試驗場強(qiáng)化耐久道路測試中各工況的載荷譜顯得尤為重要。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可以利用該載荷譜對擺臂、前副車架和轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行CAE分析。通過計算機(jī)仿真技術(shù)用載荷譜模擬和加載，預(yù)測壽命和反饋優(yōu)化。這可以把試驗時間壓縮到原來的1/10、1/100，大大降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。在產(chǎn)品開發(fā)驗證階段，通過制定載荷譜試驗規(guī)范，按照規(guī)范要求的載荷譜對擺臂、前副車架和轉(zhuǎn)向節(jié)施加載荷。與傳統(tǒng)的等幅譜加載相比，使用載荷譜加載可以更加真實地反映上述零部件在用戶道路中的疲勞壽命。

1　擺臂受力分析及應(yīng)變采集原理

如圖2所示，擺臂通過兩個襯套與副車架相連，通過一個球頭銷與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，共3個連接點。對于擺臂而言，兩個襯套與副車架相連的兩個點為固定約束點。外來載荷通過與轉(zhuǎn)向節(jié)相連的球頭銷傳遞給擺臂縱向力Fx、側(cè)向力Fy、垂向力Fz。由于擺臂受到的垂向力被擺臂上面的兩個襯套較大程度地釋放，導(dǎo)致擺臂在垂向上的疲勞損傷非常小。因此對擺臂的載荷譜采集只選擇采集與轉(zhuǎn)向節(jié)相連的球頭銷受到的縱向力Fx和側(cè)向力Fy。如圖3所示，選擇在球頭銷的X和Y方向貼應(yīng)變片。

圖2　擺臂

圖3　球頭銷貼片照片

將應(yīng)變片貼在球頭銷上，使應(yīng)變片隨球頭銷受力彎曲變形一起伸縮，促使應(yīng)變片的金屬合金因伸縮變形改變電阻，通過測量電阻的變化實現(xiàn)對應(yīng)變的測定。常見的應(yīng)變片敏感柵使用銅鉻合金，其電阻變化率為常數(shù)，與應(yīng)變呈正比例關(guān)系。即：

式中：R為應(yīng)變片的原電阻值；ΔR為伸縮引起的電阻變化；K為比例常數(shù)(應(yīng)變常數(shù))；ε為應(yīng)變。

由于應(yīng)變是相當(dāng)微小的變化，所以產(chǎn)生的電阻變化也極其微小。為了便于測量，需要使用惠斯通電橋?qū)?yīng)變的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，并放大電壓信號?？紤]球頭銷貼片的空間比較小，在同一測量方向貼裝兩個應(yīng)變片，組建具有溫度補(bǔ)償功能的半橋。半橋輸出電壓公式為：

式中：K為比例常數(shù)(應(yīng)變常數(shù))；ε為應(yīng)變；Vo為電橋輸出電壓；Vi為電橋輸入電壓。

2　試驗樣件標(biāo)定

模擬整車約束擺臂兩襯套安裝點，分別對擺臂X和Y向加載力，得到力和應(yīng)變的標(biāo)定曲線，由此得到標(biāo)定系數(shù)。圖4和圖5分別為擺臂X和Y方向力-應(yīng)變標(biāo)定曲線。從圖中可以看出線性回歸方程中R2都逼近于1，說明力-應(yīng)變關(guān)系線性度好，也說明了應(yīng)變片的貼裝良好。

圖4　擺臂X方向力-應(yīng)變曲線圖

圖5　球頭銷Y方向力-應(yīng)變曲線

3　試驗場工況選擇

文中主要研究擺臂在典型路況中的載荷，所以選擇重慶西部汽車試驗場的耐久強(qiáng)化路及綜合評價路中28個典型工況進(jìn)行載荷采集。具體路況見表1。

表1　耐久路及綜合評價路典型工況明細(xì)

4　多工況載荷譜采集

采用HBM公司的Somat eDAQ移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。如圖6所示，采集到擺臂X和Y方向的多工況載荷譜，可以獲得：X方向的峰值載荷為(10.41 kN,-6.524 kN)，Y方向的峰值載荷為(9.848 kN,-9.769 kN)。圖7所示為擺臂載荷譜頻域，可以得知X和Y方向能量主要集中在頻段0.5～2.5 Hz和15～25 Hz。

圖6　擺臂X和Y方向在多工況載荷譜

圖7　擺臂載荷譜頻域

5　載荷譜的應(yīng)用

相比仿真或其他理論計算方式得到的擺臂載荷譜，通過試驗采集的擺臂載荷譜更能反映車輛在實際工況運行中擺臂的受力情況，為擺臂的設(shè)計和臺架試驗提供更為真實可靠的載荷輸入?；趯嶋H工況采集到的擺臂受力載荷譜，為擺臂的設(shè)計和

臺架試驗提供以下幾個方面的支持：

(1)采集的擺臂載荷譜可以直接反映擺臂在實際工況下的受力情況，可以計算出襯套在各工況下的受力情況，方便襯套的優(yōu)化設(shè)計；

(2)CAE分析時導(dǎo)入擺臂載荷譜，校驗擺臂、球頭銷和前副車架出現(xiàn)的最大應(yīng)力小于所采用材料的最大允許應(yīng)力，為擺臂、球頭銷和前副車架強(qiáng)度設(shè)計提供判定條件；

(3)CAE分析時導(dǎo)入擺臂載荷譜，對擺臂、球頭銷和前副車架進(jìn)行疲勞壽命仿真計算，以滿足整車開發(fā)設(shè)計目標(biāo)，大大減少了產(chǎn)品開發(fā)周期和成本；

(4)為模態(tài)分析提供載荷輸入，通過分析擺臂載荷譜的頻域，擺臂和前副車架的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)離功率譜中能量較大的頻率段，防止零部件在行駛中因出現(xiàn)嚴(yán)重共振帶來的過早失效；

(5)在臺架驗證試驗中，擺臂載荷譜為擺臂、球頭銷和前副車架進(jìn)行載荷譜、八級譜、等幅譜加載試驗提供試驗條件和轉(zhuǎn)換依據(jù)。

6　結(jié)論

針對某乘用車麥弗遜式前懸架的擺臂，采集汽車試驗場強(qiáng)化耐久道路測試中的載荷譜，并對載荷譜時域和頻域進(jìn)行了分析，獲取了擺臂在實際工況下的受力情況，為該乘用車的擺臂、副車架、襯套、球頭銷機(jī)構(gòu)設(shè)計和改進(jìn)、強(qiáng)度及CAE分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來源，為后期的相應(yīng)零部件試驗室臺架試驗提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

【1】余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

【2】王霄鋒.汽車可靠性工程基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

【3】趙少汴.抗疲勞設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

Study on Load Spectrum Acquisition Technology for a Passenger Vehicle Front Suspension Sway Arm

CHEN Yu, SHEN Juan

(China Automotive Engineering Research Institute Co.,Ltd., Chongqing 401122, China)

Taking the MacPherson suspension sway arm of a passenger car as the research objective, the strains of the vehicle under different road conditions in a proving ground were collected. By bench calibration method, the relations between sway arm load and strain were obtained, the loads suffered by the sway arm under the corresponding conditions were calculated. The optimal parameters for parts design could be gotten by analyzing the load spectrum time domain and frequency domain. It provides data support for structure design personnel in CAE analysis, and provides test conditions for component fatigue life test.

Sway arm; Load spectrum; Data acquisition technology

2016-05-17

陳宇(1987—)，男，學(xué)士，助理工程師,主要研究方向為結(jié)構(gòu)疲勞耐久。E-mail:chenyu@caeri.com.cn。

申娟(1985—)，E-mail:shenjuan@caeri.com.cn。

U463.33

B

1674-1986(2016)08-007-03