基于試車場條件下車速與載荷關(guān)系的研究

馮金芝，王 斌，鄭松林,2，吳 濤

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.機(jī)械工業(yè)汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度與可靠性評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

汽車懸架系統(tǒng)對汽車操縱穩(wěn)定性、行駛安全性和平順性有重要影響，在行車過程中懸架系統(tǒng)會受到隨時間變化的隨機(jī)動態(tài)載荷[1-2]。以不同車速行駛的汽車的平均使用壽命不同，表明汽車動態(tài)載荷的大小與汽車行駛的車速有關(guān)。對不同測點(diǎn)不同車速下的載荷譜進(jìn)行研究分析，得到路面載荷隨車速的變化規(guī)律，掌握載荷隨車速的變化規(guī)律，對制定整車及懸架系統(tǒng)的測試規(guī)范具有重要意義[3]。

在ADAMS軟件中建立懸架模型，將試車場采集到的載荷譜加載到懸架模型中進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[4]。利用nCode軟件對不同車速下不同測點(diǎn)的載荷譜進(jìn)行分析處理，得到了載荷譜時域范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)特征。對統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，得到載荷譜隨車速的變化規(guī)律[5]。

1 試驗(yàn)測點(diǎn)與試驗(yàn)工況的確定

1.1 試驗(yàn)測點(diǎn)確定的原則

懸架的主要功能是傳遞來自地面的力，起到緩沖減震的作用，提高汽車的操縱穩(wěn)定性與行駛的平順性[6]。本文研究所用轎車后懸架為雙橫臂懸架，當(dāng)汽車在路面行駛時，懸架系統(tǒng)主要受到來自地面的縱向、側(cè)向與垂向3個方向的力與力矩[7]。車輪在力的作用下對各懸架桿件分別產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、彎曲和拉壓的效果，表1為懸架左后輪各桿件受力情況。由于橫向穩(wěn)定桿、前后橫臂和縱臂與車輪車身等都是由襯套進(jìn)行連接，當(dāng)施以載荷時，襯套的變形會抵消部分零件的受力，因此在載荷測量時可以忽略部分載荷的效果[4]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，測量橫向穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)、彈簧扭轉(zhuǎn)信號、立柱的側(cè)向彎曲、縱臂彎曲等信號作為監(jiān)督信號，并選擇縱臂、橫臂與立柱拉壓信號作為縱向、側(cè)向和垂向載荷迭代的目標(biāo)信號[8]。

表1 懸架左后輪各桿件受力分析

表2 路試工況

1.2 試驗(yàn)道路和試驗(yàn)工況

本文選擇了某試車場路面情況相對惡劣的強(qiáng)化比利時路，全長為430 m。為充分研究不同車速與載荷的變化規(guī)律，按車速與裝載情況共測試了輕載與重載情況五個不同車速下的行駛工況，車輛載荷情況與行駛車速如表2所示。

2 章懸架模型的建立與仿真

按照車輛獨(dú)立后懸架的三維幾何模型以及各零部件的連接方式，在ADAMS軟件中創(chuàng)建了車輛懸架的多體動力學(xué)模型[10]。對所建立的后懸架模型進(jìn)行動力學(xué)仿真，得到零部件不同測試車速下的動態(tài)響應(yīng)載荷譜，為建立車速—載荷關(guān)系模型提供基礎(chǔ)技術(shù)信息[9]。

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

在對懸架模型進(jìn)行動力學(xué)仿真分析之前，首先應(yīng)設(shè)置質(zhì)心高度、軸距、簧上質(zhì)量等參數(shù)，并以此確定后懸架的基本屬性[10]，各參數(shù)具體數(shù)值如表3所示。

表3 懸架模型仿真參數(shù)設(shè)置

2.2 仿真結(jié)果與分析

車輛在行駛過程中車輪受到來自地面三個方向的力與力矩的共同作用，其中車輪受到的垂向力是造成車輛零部件疲勞失效的主要原因[7]。將處理過后的輪心處加速度載荷譜加載到ADAMS軟件中，對懸架模型進(jìn)行動力學(xué)仿真，獲取零部件各個測點(diǎn)在不同測試車速下的動態(tài)響應(yīng)載荷譜，為車速與載荷分析提供載荷條件[11]。

圖1為懸架模型輸入載荷譜與彈簧響應(yīng)載荷譜的對比圖。從圖中可以看出，后懸架軸頭的輸入載荷譜與彈簧響應(yīng)具有一定的相關(guān)性，輸出載荷譜的幅值相對輸入值較小。將仿真得到的各測點(diǎn)響應(yīng)載荷譜導(dǎo)出，并在nCode軟件中對響應(yīng)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各測點(diǎn)在不同車速下載荷的最大應(yīng)變值[12]，如表4所示。

圖1 左側(cè)車輪彈簧載荷與減振器載荷譜對比圖

測點(diǎn)L20L25L30L35L40G20G25G30G35G40后橫臂61.22796.587150.73175.31133.69209.45183.38190.47243.67224.78縱臂83.717109.4899.433123.69118.33133.68135.43143.67152.11136.25減震器立柱47.58344.13550.67459.12162.347173.72169.75203.73246.57287.65彈簧-1561-1119-1004-862-577-2938-3122-2498-2633-2122

3 疲勞統(tǒng)計(jì)載荷譜分析

通過統(tǒng)計(jì)得到載荷譜的基本特征參數(shù)，包括各測點(diǎn)的時域特性，并與仿真得到的響應(yīng)載荷譜的特征參數(shù)進(jìn)行對比分析，重點(diǎn)分析了實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的應(yīng)變值隨車速變化的曲線，以此驗(yàn)證載荷隨車速改變的變化規(guī)律是否與虛擬試驗(yàn)場模擬仿真的結(jié)果相吻合[13]。

3.1 載荷統(tǒng)計(jì)參數(shù)

動態(tài)載荷可以用峰值σmax和谷值σmin兩個參數(shù)來表征，它們反映動態(tài)載荷的波動范圍。通過峰谷值可以計(jì)算一個載荷循環(huán)的波動幅度和波動中心的位置，即幅值σa和均值σm。通過一段載荷譜中峰值的最大值和谷值的最小值，可以得到載荷的最大幅值σmax。該值反映了載荷譜的極限范圍，經(jīng)常作為試驗(yàn)載荷和設(shè)計(jì)載荷

(1)

(2)

載荷信號的總體均值，反映了載荷譜的靜態(tài)載荷的大小。樣本時間歷程x(t)的平均值E(X)可以用式(3)來求得。

(3)

(4)

均方值用來表示載荷的一般強(qiáng)度，反映出載荷動態(tài)與靜態(tài)總的能量的平均水平，均方值的平方差叫做均方根值(Root Mean Square，RMS)。

(5)

3.2 載荷譜時域統(tǒng)計(jì)特征分析

對后橫臂、縱臂、減震器立柱和彈簧四處測點(diǎn)不同車速下的載荷譜的最大值、最小值、最大變程、均值、均方根值等時域特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對比分析，研究載荷隨車速的變化規(guī)律[14]。本文僅以各不同車速下后橫臂拉壓信號的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)進(jìn)行分析，來研究載荷與車速的關(guān)系。

表5是后橫臂拉壓信號各工況下的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)。由表中可知，該通道的動態(tài)載荷強(qiáng)度隨車速的提高先增加而后減小，當(dāng)車速為35 km·h-1時，載荷最大值、最大變程、均方根值都高于其他車速。載荷均值隨車速的提高有減小的趨勢，最大值出現(xiàn)在車速為20 km·h-1的工況下。此外，重載工況下的動態(tài)和靜態(tài)載荷強(qiáng)度都高于輕載的情況。因此，后橫臂拉壓應(yīng)變信號在重載車速35 km·h-1時載荷強(qiáng)度最大，均方根值為49.754 5 με，載荷波動最大，標(biāo)準(zhǔn)偏差為42.293 4 με，最大變程為448.33 με。圖2為輕載、重載工況下最大應(yīng)變值隨車速的變化趨勢曲線圖。為了進(jìn)一步定量的判斷仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的關(guān)系，將數(shù)據(jù)擬合成函數(shù)關(guān)系式，圖3為輕載工況下后橫臂實(shí)測最大應(yīng)變值與仿真計(jì)算的應(yīng)變值隨車速變化圖。圖4為重載工況下后橫臂實(shí)測最大應(yīng)變值與仿真計(jì)算的應(yīng)變值隨車速的變化圖。

表5 后橫臂拉壓信號各工況下統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)

圖2 后橫臂拉壓信號最大應(yīng)變值隨車速變化圖

圖3 輕載后橫臂最大應(yīng)變值隨車速變化

利用MATLAB軟件對試車場車速與應(yīng)變值的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，并得到以下函數(shù)擬合關(guān)系式，其中f(v)表示實(shí)測應(yīng)變值，f(v1)表示仿真應(yīng)變值。

f(v)=132.3+30.15×cos(v×0.202 9)+46.32×
sin(v×0.202 9)

(6)

仿真結(jié)果車速(v1)與應(yīng)變值的函數(shù)關(guān)系式

f(v1)=117.6+22.54×cos(v1×0.218)+51.62×
sin(v1×0.218)

(7)

圖4 重載后橫臂最大應(yīng)變隨車速變化

利用MATLAB軟件對試車場車速與應(yīng)變值關(guān)系進(jìn)行擬合，得到以下函數(shù)關(guān)系式

f(v)=180.4-35.49×cos(v×0.275 7)-13.82×
sin(v×0.275 7)

(8)

f(v1)=208.4-9.433×cos(v1×0.292 4)-31.05×
sin(v1×0.292 4)

(9)

由圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著車速的變化，后橫臂實(shí)測最大應(yīng)變值與通過仿真計(jì)算得到的應(yīng)變值基本都呈現(xiàn)出相似的變化趨勢，同時也說明車速與載荷之間存在著一定的關(guān)系，即試驗(yàn)車在試車場道路上測試過程中存在載荷最佳響應(yīng)車速。就本文試驗(yàn)結(jié)果而言，該試驗(yàn)車在比利時路測試時的最佳車速為35 km·h-1，此時后懸架各個測點(diǎn)的綜合響應(yīng)效果最好。

本文通過對各個測點(diǎn)的時域特性進(jìn)行分析，并與仿真得到的響應(yīng)載荷譜的特征參數(shù)進(jìn)行對比分析，重點(diǎn)分析了實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的應(yīng)變值隨車速變化的曲線，以此驗(yàn)證了載荷隨車速改變的變化規(guī)律與虛擬試驗(yàn)場模擬仿真的結(jié)果相吻合[15]。該結(jié)果可用于預(yù)測載荷隨車速變化的趨勢，可有效提高試驗(yàn)場實(shí)車測試的效率。

4 結(jié)束語

本文通過在ADAMS中建立懸架多體動力學(xué)模型，并將試車場采集到的實(shí)際道路載荷譜加載到模型中進(jìn)行仿真，研究了不同測點(diǎn)應(yīng)變值隨車速的變化規(guī)律。利用nCode軟件對不同載荷不同車速的載荷譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)載荷隨車速的不同呈現(xiàn)出一定的規(guī)律；得到汽車在不同的路面行駛時，存在一個最佳車速使得各測點(diǎn)響應(yīng)最優(yōu)。該研究成果可為汽車整車和零部件的試車場數(shù)據(jù)分析判斷提供參考，便于進(jìn)一步判斷汽車零部件之間的相互關(guān)系，為試車場制定試驗(yàn)規(guī)范提供依據(jù)。