基于整軸結構模型的汽車懸架檢測影響因素分析

摘 要：諧振式懸架檢測臺是目前被廣泛使用的懸架檢測設備，現(xiàn)有關諧振式懸架檢測所建模型反映的檢測參數(shù)不夠全面，該文建立基于整軸結構的諧振式汽車懸架檢測模型，對諧振式懸架檢測模型進行Matlab/Simulink仿真分析和實驗研究，通過對檢測設備、仿真模型以及人為因素的角度分析懸架檢測過程中對懸架吸收率的影響。仿真分析及實驗研究表明：設計合理的諧振式懸架檢測設備對檢測結果影響不大，整軸結構模型中未被檢測側(cè)懸架減振器、彈簧發(fā)生故障時對檢測側(cè)的懸架吸收率“干涉”較小，人為因素中被檢測車輪與臺面中心線在y軸方向上的偏移量對檢測結果影響非常明顯。

關鍵詞：諧振式懸架檢測臺；車軸結構；影響因素；仿真模型

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）03-0126-04

Abstract： Resonant suspension test bed is currently widely used for suspension test. As existing model established for resonant suspension test does not have comprehensive testing parameters， this paper established a model for resonant suspension test based on whole shaft structure. The paper conducted Matlab/Simulink simulation analysis and experiment for the resonant suspension test model and analyzes the influences to suspension absorption rate in suspension test process from the aspects of testing equipment， simulation model and personnel. Simulation analysis and experiment results show that reasonably designed resonant suspension test device has little effect on the test results， and the suspension shock absorber and spring at the untested side of whole shaft structure model has small interference on the suspension absorption rate at the tested side in case of faults while the offset of the tested wheel and the offset of bed center line in y-axis direction have obvious influences on test results.

Keywords： resonant suspension test-bed； axle structure； influencing factor； simulation model

0 引 言

汽車懸架是車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間一切傳力連接裝置的總稱[1]。它的功用是把路面作用于車輪的垂直反力（支承力）、縱向反力（牽引力和制動力）和側(cè)向反力以及這些反力所造成的力矩都傳遞到車架（或承載式車身）上，同時，將作用于車架上的載荷傳遞給車輪，以保證汽車的正常行駛。

在目前評價汽車懸架性能的眾多方法中，歐洲減振器制造商協(xié)會（european shock absorber manufacturers association，EUSAMA）頒布的EUSAMA標準應用廣泛[2]。EUSAMA在制訂這個標準時，它使用接地性作為評判指標。以EUSAMA為基礎，我國交通主管部門頒布標準JT/T 448——2001《汽車懸架裝置檢測臺》[3]和GB 18565——2012《道路運輸車輛綜合性能要求和檢驗方法》[4]。JT/T 448——2001標準規(guī)定諧振式懸架檢測臺為我國專門檢測懸架裝置的設備，GB 18565——2012規(guī)定我國必須使用測力式檢測臺。這類檢測臺工作原理是檢測臺的激振系統(tǒng)產(chǎn)生一個和B級路面類似的掃頻信號，通過測量掃頻以后的衰減力信號得到吸收率A來判斷懸架性能，其計算公式為

A反映了懸架在最惡劣條件下保證與路面接觸的最小能力，其值越大，說明行駛附著情況越好，從而行車安全性越好。EUSAMA制定的接地性評判指標適用于吸收率這個評價指標。如表1所示，EUSAMA標準將接地性指數(shù)分為6級[5]。

目前有關諧振式懸架檢測臺的理論建模研究并不十分廣泛，現(xiàn)有的“車-臺”模型或過于簡單、或過于復雜，對于考慮設備結構、整車結構和檢測時人為因素導致的誤差探討還不夠深入[6-8]。因此，本文圍繞現(xiàn)有研究的不足，建立多因素理論模型、分析設備、車輛和檢測人員等因素對汽車懸架檢測的影響。

1 汽車懸架檢測模型的建立

如圖1所示，為目前國內(nèi)常用的懸架檢測臺結構。汽車懸架檢測時，前軸（或后軸）停駐在測試臺臺面上，當試驗臺進行掃頻激振時，檢測臺與汽車組成一個相互耦合的“車-臺”振動系統(tǒng)[9-11]。當“車-臺”系統(tǒng)的振動頻率達到懸掛質(zhì)量固有頻率時，系統(tǒng)發(fā)生共振。

試驗臺的工作原理：電動機帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，同時也驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)動，只能上下活動的支承車輪的振動臺板緊壓在凸輪外緣上，隨凸輪的轉(zhuǎn)動而上下振動，裝在凸輪與振動臺板之間的側(cè)力傳感器可以測得車輪與振動臺板之間的垂直壓力。

在建立“車-臺”系統(tǒng)的力學模型時，原則上為提高模型精度，應該盡量增加模型的自由度數(shù)目[12]。但所建立模型自由度越多，對計算的要求也就越高，所需參數(shù)也就越多，其中許多參數(shù)往往難以得到，而且可能會出現(xiàn)病態(tài)方程，導致無法求解。然而模型的自由度數(shù)目過少，就可能掩蓋某些因素對檢測精度的影響，以至不能反映系統(tǒng)的真實情況。因此在建模時，在保證必要精度下自由度越少越好[13]。

綜上考慮，將“車-臺”系統(tǒng)簡化為圖2所示的七由度多體振動系統(tǒng)模型[14-15]，模型的自由度包括汽車任一整軸懸架質(zhì)心的垂直自由度z1、轉(zhuǎn)動自由度θ1，激振系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動自由度θ、臺面繞x軸的轉(zhuǎn)動自由度β和檢測臺臺面的垂直自由度z3，整軸懸架左右兩側(cè)非簧載質(zhì)量的垂直自由度z2l和z2r。模型中未考慮輪胎阻尼，由于目前常用合成橡膠充氣輪胎，其阻尼遠小于懸架減振器阻尼，在本模型中可以忽略。其中z2，z4分別為左右兩側(cè)懸架的簧載質(zhì)量的垂直位移。

2 “車-臺”模型的驗證

針對所建模型，在Matlab/Simulink中編制的“車-臺”系統(tǒng)仿真模型如圖3所示，輸入?yún)?shù)即可仿真得到懸架吸收率A。

以某車型為例，將仿真計算結果與實際檢測結果進行對比驗證。圖4為左后懸架動載荷與靜載荷比值的時間歷程曲線（即吸收率A的時間曲線）。從圖可看出，在激振系統(tǒng)的掃頻激勵作用下，在6～12 s時間段，出現(xiàn)車輪與臺面之間的動靜載荷比值的最小值，即懸架吸收率出現(xiàn)在這個時間間隔之內(nèi)。諧振式懸架檢測臺（測力式）正是通過測力式傳感器測量力值變化（見圖5），從而獲得輪胎與臺面的動靜載荷的百分比，并記錄動靜載荷百分比最小值（JT/T 448——2001推薦評價汽車懸架的指標）-懸架吸收率。

實際檢測的左后懸架吸收率是71.3%，建模仿真計算的結果為66.65%，仿真與實檢吸收率的誤差在5%之內(nèi)。這個誤差是可以接受的，因為仿真時一些參數(shù)并沒有確切取值，比如懸架彈簧的剛度，其精確值不易獲得，本文采用人工測量的方法獲得取值，存在一定誤差。因此，通過仿真與實測對比，驗證了所建模型的可行性，可用于影響因素的分析。

3 影響因素分析

3.1 檢測臺結構的影響分析

3.1.1 鎖緊彈簧的影響

左右兩側(cè)的鎖緊彈簧可保持檢測臺臺面與兩個偏心之間的接觸，保證臺面不會離開偏心輪。圖6為通過仿真計算得到的取不同鎖緊彈簧剛度時懸架吸收率的大小，可以看出鎖緊彈簧的剛度幾乎不影響懸架吸收率的大小，但是并不能對剛度任意取值，如果剛度太大，將增加系統(tǒng)對兩個偏心輪的阻力，那意味著系統(tǒng)所需的激振能量也要變大，最終必須選擇功率較大的驅(qū)動電機，或者增加儲能飛輪的幾何尺寸，這樣經(jīng)濟性將降低。鎖緊彈簧剛度的選取是在保證偏心輪與臺面接觸良好的條件下，其取值越小越好。

3.1.2 偏心輪以及飛輪傳動慣量的影響

諧振式懸架檢測臺給懸架系統(tǒng)的激振能量來源于儲能飛輪和偏心輪儲存的能量，應保證激振系統(tǒng)有充足的能量，也就是儲能飛輪的慣量應該足夠大，從而保障被檢測車懸架系統(tǒng)的兩個振型能被激勵。仿真表明：儲能飛輪的慣量取值較大時，使得時域信號比較平整；兩個偏心輪的慣量應該取值足夠小，這樣不會破壞偏心輪與臺面的接觸，因而要求它們的尺寸比較小。

3.2 整軸結構的影響分析

3.2.1 未被檢測側(cè)懸架剛度對吸收率的影響

圖7為通過仿真計算得到的未被檢測側(cè)懸架彈簧剛度取不同值對檢測側(cè)懸架吸收率的影響，可以看出未被檢測側(cè)懸架彈簧發(fā)生故障時對檢測側(cè)的吸收率的“干涉”非常小，可忽略。

3.2.2 未被檢測側(cè)懸架減振器阻尼對吸收率的影響

圖8為通過仿真計算得到的未被檢測側(cè)懸架減振器阻尼取不同值對檢測側(cè)懸架吸收率的影響，可看出未被檢測懸架減振器曲線故障時不會干涉另一側(cè)的懸架吸收率。

3.2.3 未被檢測側(cè)輪胎剛度對吸收率的影響

圖9為通過仿真計算得到的未被檢測側(cè)輪胎剛度取不同值對檢測側(cè)懸架吸收率的影響，可看出為了保證檢測時得到吸收率正確可靠，檢測前要使輪胎的氣壓充足。

3.3 檢測過程中人為因素的影響分析

3.3.1 接觸位置偏離量的影響

在進行懸架性能檢測時，由于人為因素（駕駛員駕駛車輛上檢測臺）或者一些設備上的原因（被檢測車的左右兩側(cè)車輪的輪距和左右兩側(cè)檢測臺臺面間距的差異）常造成被檢測車的車輪中心偏離檢測臺面的中心，在已有的研究中證明輪胎的中心對檢測臺面x軸的偏離幾乎不會對檢測結果產(chǎn)生影響。本文就y軸的偏移量做分析，圖10為輪胎沿y軸正向偏移10 cm的懸架吸收率，對比圖4可知懸架吸收率增加了約8%。圖11為通過仿真計算得到的dy取不同偏移量對吸收率的影響。從圖可以看出即使相對y軸的偏移量較小，但懸架的吸收率值變化卻較大。所以為保證懸架檢測結果的準確性，應該盡可能地減小被檢測車輪與臺面中心線在y軸上的偏離。

3.3.2 檢測側(cè)輪胎氣壓的影響

圖12為檢測側(cè)輪胎剛度對懸架吸收率的影響，而輪胎的氣壓決定著輪胎的剛度，通過仿真計算可以看出當輪胎的剛度越小時，汽車懸架吸收率反而越高。說明在對汽車懸架裝置進行檢測時，應保證車輪有充足的氣壓，如果輪胎氣壓不足，那么檢測結果的誤差會較大。

4 結束語

本文建立基于整軸結構的諧振式汽車懸架檢測模型，通過仿真分析與實驗研究，從檢測臺結構、整軸模型及檢測過程中人為因素3個方面分析了對懸架檢測結果的影響。研究表明，懸架檢測時人為因素是造成懸架吸收率誤差的主要原因，因此在實際檢測中應先對檢測車輛做簡單的排查，確保檢測側(cè)車胎氣壓充足及檢測車輪與臺面中心y軸方向偏離盡可能地小，避免人為檢測誤差的出現(xiàn)。

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（編輯：李妮）