乘用車下控制臂總成道路模擬試驗開發(fā)

申 娟，陳 宇，胡 宏，徐文雅，王萬英

（1.中國汽車工程研究院，重慶 401122； 2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶 401120）

乘用車下控制臂總成道路模擬試驗開發(fā)

申 娟1，陳 宇1，胡 宏1，徐文雅1，王萬英2

（1.中國汽車工程研究院，重慶 401122； 2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶 401120）

以乘用車下控制臂總成為研究對象，介紹其道路模擬試驗方案及開發(fā)流程，包括載荷譜采集、道路模擬試驗裝置開發(fā)、臺架迭代和耐久性試驗等，重點介紹了下控制臂總成道路模擬裝置的結(jié)構(gòu)及其解耦原理。迭代及耐久性試驗結(jié)果證明，下控制臂總成道路模擬試驗方案及開發(fā)流程是有效的，所開發(fā)的下控制臂總成道路模擬試驗裝置能夠成功模擬試驗場道路試驗。

下控制臂總成；道路模擬試驗；試驗臺；解耦；迭代

汽車零部件耐久性試驗是評估零部件可靠度的有效方法，一般有用戶道路試驗、試驗場道路試驗、室內(nèi)臺架試驗三種形式。前兩種為零部件真實受載，反映零部件真實壽命，但周期長、費用高、重復(fù)性不好。室內(nèi)臺架試驗周期短、費用低、重復(fù)性好、可控性高，已成為零部件耐久性驗證的主要手段。隨著技術(shù)的發(fā)展，臺架試驗也要求能適當?shù)胤从沉悴考趯嵻嚨缆吩囼炛械妮d荷工況，過于薄弱起不到驗證作用，而過于保守則會造成設(shè)計成本的增加以及試驗周期的延長[1]。于是，以道路模擬試驗驗證零部件耐久性已成為一種趨勢。

乘用車下控制臂總成作為汽車關(guān)鍵零部件，具有導(dǎo)向、承載等重要功能，其可靠度一般要求達到B10及以上。本研究基于乘用車試驗場道路試驗規(guī)范開發(fā)了下控制臂總成道路模擬臺架試驗，有效地考核了該零部件的耐久性。

1 道路模擬試驗原理

道路模擬試驗采用時間歷程再現(xiàn)模擬方法，在室內(nèi)臺架上模擬試件在道路上的實際工作載荷，達到與道路試驗等效的目的。該試驗技術(shù)涉及累積疲勞損傷理論、數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)、遠程參數(shù)控制RPC技術(shù)[2]。行業(yè)內(nèi)普遍采取的方案是先進行零部件實車載荷工況分析，確定疲勞損傷等效參數(shù)，然后按試驗場規(guī)范采集表征該參數(shù)的物理信號，再將該信號在臺架上復(fù)現(xiàn)，進行疲勞耐久性試驗。其開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 道路模擬試驗開發(fā)流程

2 下控制臂總成道路模擬試驗方案

道路模擬試驗方案里最關(guān)鍵的是確定模擬參數(shù)，有兩種方式：一是選取零部件危險點應(yīng)力作為模擬參數(shù)，有針對性地考核危險點疲勞壽命，使零部件上的缺陷在早期設(shè)計階段就能被診斷并加以改進和優(yōu)化；二是選取零部件所承受的載荷作為模擬參數(shù)，反映實車工況，考核零部件整體壽命[3]。

某車型麥弗遜式獨立前懸下控制臂總成如圖2所示，包括下控制臂金屬本體、襯套、球銷。本研究考核的主要對象是下控制臂金屬本體和球銷。選定下控制臂主要輸入載荷作為模擬參數(shù)，考核下控制臂總成金屬部分的壽命。

圖2 下控制臂總成

下控制臂總成在實車上的分布如圖3所示，其與轉(zhuǎn)向節(jié)和副車架分別相連，主要承受轉(zhuǎn)向節(jié)從球銷輸入的作用力，再通過兩個襯套傳遞給副車架。根據(jù)力的作用與反作用原理，可將兩個襯套連接點視為固定點，下控制臂總成承受轉(zhuǎn)向節(jié)從球銷處傳來的6個作用力Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz。運用MSC. ADAMAS進行軸頭載荷分解，F(xiàn)z、Mx、My、Mz均很小，對于考核控制臂總成金屬本體，由于損傷貢獻很小，可以忽略不計。所以該下控制臂總成模擬參數(shù)選定為Fx、Fy，具體開發(fā)流程如下：

（1）在試驗場采集標桿車下控制臂總成載荷譜。

（2）將載荷譜進行預(yù)處理，得到用于臺架迭代的載荷譜。

（3）搭建下控制臂總成道路模擬試驗臺。

（4）在臺架上進行載荷譜迭代，形成驅(qū)動載荷譜。

（5） 播放驅(qū)動載荷譜，進行下控制臂耐久性試驗。

圖3 下控制臂總成在實車上的分布

圖4 下控制臂道路模擬試驗原理

3 載荷譜采集及處理

3.1 確定采集信號

載荷譜采集關(guān)鍵是確定采集信號，以確保在道路模擬試驗時的迭代控制點以及試件關(guān)鍵點的損傷與在試驗場道路工況下保持一致[4]。

下控制臂球銷受力后產(chǎn)生彎曲變形，在球銷x向或y向?qū)ΨQ兩面貼單片（BE350-3AA），組成半橋測取彎曲變形。球銷受力應(yīng)與彎曲變形成線性關(guān)系，可通過標定試驗臺標定，如圖5所示。下控制臂襯套兩端固定，在球銷端用伺服缸沿x向或y向加載。測取加載力和彎曲應(yīng)變，標定曲線及系數(shù)如圖6和圖7所示。從標定結(jié)果可以看出，單方向作用力與彎曲變形線性關(guān)系很好。所以Fx、Fy可通過采集兩組應(yīng)變信號獲得，同時應(yīng)變信號也可以較好地反映結(jié)構(gòu)疲勞。

圖5 下控制臂標定試驗臺

圖6 下控制臂x向標定曲線

圖7 下控制臂y向標定曲線

為監(jiān)測對比下控制臂受力，通過CAE分析確定危險點，在下控制臂危險點上貼應(yīng)變花，如圖8所示。

圖8 下控制臂危險點貼片

3.2 載荷譜采集

道路模擬耐久性試驗一般模擬試驗場道路試驗，主機廠針對每個平臺車型都有完整的試驗場規(guī)范，與用戶路面有明確的關(guān)聯(lián)關(guān)系。試驗場底盤可靠性試驗主要是強化試驗路段，其強化系數(shù)高，從而試驗周期更短。下控制臂總成選定西部墊江試驗場進行載荷譜采集，其可靠性試驗路線如圖9所示。

圖9 試驗場路線

為消除偶然因素和駕駛習(xí)慣的影響，使采集的載荷譜具有典型的代表性，由3個駕駛員分別進行駕駛，每個駕駛員采集兩個樣本，總共6個樣本。

3.3 載荷譜處理

試驗室臺架試驗的優(yōu)點是速度快。道路模擬試驗精確模擬使用載荷，一般僅采用刪除“小量”法，因為這種方法獲得的濃縮信號有效地保持了原始信號的疲勞損傷特性[5-6]。

將每個樣本按工況截取，刪除對疲勞影響不大的連接路面，總計39個工況。截取后每個工況總共有6個樣本，挑選出每個工況的最優(yōu)樣本，最后得到39個最優(yōu)工況樣本。39個最優(yōu)工況樣本還可進行濾波、消除奇異點、消除趨勢項等處理。最后處理好的部分工況曲線如圖10所示。

圖10 下控制臂總成部分工況載荷譜

4 下控制臂總成道路模擬試驗臺

室內(nèi)零部件耐久性試驗的本質(zhì)是在室內(nèi)模擬零部件在道路行駛中所承受的載荷，其技術(shù)基礎(chǔ)是道路模擬試驗臺[7]。試驗臺模擬施加何種載荷取決于試驗對象在道路行駛中所承受的載荷。本研究所開發(fā)的下控制臂總成道路模擬試驗臺主要模擬下控制臂總成在實車上所承受的Fx、Fy載荷。試驗臺主要由MTS伺服加載系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、應(yīng)變采集器以及自行設(shè)計制造的多軸加載夾具系統(tǒng)組成，如圖4所示。伺服加載系統(tǒng)給下控制臂施加力，計算機控制系統(tǒng)控制加載力的大小。應(yīng)變采集器接入下控制臂上的應(yīng)變信號，并反饋給計算機控制系統(tǒng)。

多軸加載夾具系統(tǒng)包括反力架、副車架、復(fù)合夾具等，實現(xiàn)下控制臂的安裝固定以及與加載缸的連接，如圖11所示。多軸加載臺架里的復(fù)合夾具有效地實現(xiàn)了下控制臂加載力的解耦。復(fù)合夾具中間部分與下控制臂球銷相連，x向一側(cè)通過兩端鉸接的加載桿與伺服缸1相連，y向一側(cè)通過兩端鉸接的加載桿與伺服缸2相連，從而把下控制臂球銷所受的力分解成兩垂直方向力，實現(xiàn)了加載力在夾具上的解耦。

圖11 下控制臂道路模擬試驗臺

5 臺架迭代

臺架道路模擬試驗中迭代控制信號的選擇是道路模擬試驗成功與否的關(guān)鍵。迭代控制信號應(yīng)對加載輸入比較敏感，這樣有利于提高信號的信噪比，同時還應(yīng)靠近加載缸，有利于迭代收斂[8]。

下控制臂總成道路模擬試驗選擇球銷上應(yīng)變作為迭代控制信號。通過標定可以看出，x向應(yīng)變與x向加載力成線性關(guān)系，而與y向加載力成正交關(guān)系，并且離加載端近，對加載力比較敏感。y向同理。所示該迭代控制信號的選擇是比較理想的。

將臺架上的下控制臂應(yīng)變信號作為反饋信號接入計算機控制系統(tǒng)后，通過MTS RPC遠程參數(shù)控制軟件在臺架上進行迭代，已處理好的39個最優(yōu)工況樣本作為迭代目標。迭代步驟如下：

（1）將臺架上的下控制臂球銷兩方向?qū)崪y應(yīng)變響應(yīng)信號RSP通過HBM eDAQ采集器接入MTS RPC控制器。

（2）將在試驗場采集的、已處理好的每個方向39個最優(yōu)工況樣本輸入計算機，作為迭代目標信號DES。

（3）產(chǎn)生白噪聲信號，通過與采集的下控制臂球銷應(yīng)力信號進行對比計算，得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)H(f)。

（4）將傳遞函數(shù)求逆，得到 H-1( f )，與目標信號DES、GAIN 相乘，得到原始驅(qū)動信號DRV_0。

（5）將原始驅(qū)動信號DRV_0輸入系統(tǒng)進行迭代，系統(tǒng)響應(yīng)信號RSP_0與目標信號DES相減，得到迭代誤差信號ERR_0，計算迭代誤差RMS ERROR（時域內(nèi)目標信號與響應(yīng)信號之差的均方根與目標信號均方根比值）。

圖12 迭代流程圖

（6）經(jīng)一次迭代，迭代誤差RMS ERROR值一般比較大。將ERR_0與H-1(f )、GAIN相乘，得到修正信號COR_0。DRV_0與COR_0相加，得到第一次驅(qū)動信號DRV_1，再繼續(xù)進行下一次迭代。一般迭代次數(shù)n在10次以下。當?shù)`差RMS ERROR達到10%以下并不能繼續(xù)減小時，即迭代成功，如圖13所示。

圖13 迭代誤差曲線

通過迭代，39個最優(yōu)工況樣本迭代精度均達到5%以下，部分工況迭代結(jié)果見表1。迭代結(jié)果說明所研究的下控制臂總成道路模擬試驗臺是成功的。在迭代過程中，還監(jiān)測了下控制臂危險點的應(yīng)變信號，并與試驗場采集的目標信號進行對比，對比曲線如圖14所示。兩信號的一致性進一步說明了本研究中的乘用車下控制臂總成道路模擬試驗原理的正確性。

表1 部分工況迭代精度

彈跳坑 1 . 5 1 . 6（路緣）沖擊路 0 . 9 1 . 5路障 1 . 9 2 . 0井蓋 0 . 9 1 . 7 8字區(qū) 0 . 5 1 . 0鐵軌路 1 . 3 2 . 5倒車 0 . 4 1 . 6極限轉(zhuǎn)向 0 . 7 0 . 8

圖14 危險點目標信號與迭代監(jiān)測信號對比

6 臺架耐久性試驗

將臺架迭代生成的39個最優(yōu)工況驅(qū)動載荷譜按試驗場規(guī)范進行組合，得到試驗程序譜，等效整車道路試驗24萬公里。將試驗程序譜在計算機上播放，進行下控制臂總成臺架耐久性試驗。共試驗了3個下控制臂總成樣品，均未失效，與試驗場道路試驗結(jié)果一致。繼續(xù)試驗，直至破壞，均在球銷處發(fā)生斷裂，與虛擬疲勞壽命[9-10]分析斷裂位置一致，如圖15所示。更換1件的球銷，繼續(xù)試驗，直至下控制臂失效，失效位置與虛擬疲勞壽命分析結(jié)果仍一致。

圖15 虛擬疲勞與臺架試驗結(jié)果對比

7 結(jié)論

迭代結(jié)果和耐久性試驗結(jié)果說明，整個下控制臂總成道路模擬試驗開發(fā)流程是有效的，所開發(fā)的下控制臂總成道路模擬試驗臺能夠成功模擬試驗場道路試驗。并且由于道路模擬試驗臺可以連續(xù)運轉(zhuǎn)，試驗程序譜還可等效加速，所以道路模擬試驗還可提高效率，從而達到快速、有效地驗證下控制臂總成耐久性的目的，也提高了整車的開發(fā)效率。

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作者介紹

Development of Road Simulation Test for Lower Control Arm on Passenger Cars

SHEN Juan1，CHEN Yu1，HU Hong1，XU Wenya1，WANG Wanying2
（1. China Automotive Engineering Research Institute，Chongqing 401122，China；2. Chongqing Chang'an Automobile Co., Ltd，Chongqing 401120，China）

Road simulation test is an advanced assessment method for component durability. Taking the lower control arm on a passenger car as the research object, the road simulation test plan and development process were introduced in this paper, including the load spectrum acquisition, equipment development, bench test and durability test, etc. The structure of road simulation test bench and its decoupling principle were mainly introduced. The results prove the effectiveness of the test plan and development process.

lower control arm; road simulation test; test bench; decoupling; iteration

申娟（1985-），女，湖北浠水人。碩士，工程師，主要研究方向為汽車結(jié)構(gòu)疲勞耐久性。Tel：023-63411359E-mail：shenjuan@caeri.com.cn

U467.3

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.01.10

2016-06-19 改稿日期：2016-07-11

用格式：

申娟，陳宇，胡宏，等. 乘用車下控制臂總成道路模擬試驗開發(fā)[J]. 汽車工程學(xué)報，2017，7(1)：066-071.

SHEN Juan，CHEN Yu，HU Hong，et al. Development of Road Simulation Test for Lower Control Arm on Passenger Cars [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(1)：066-071. (in Chinese)