后懸架系統(tǒng)試驗(yàn)載荷分析與驗(yàn)證研究

王長(zhǎng)明 王仕偉 李云鵬

（中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130011）

1 前言

目前，乘用車懸架系統(tǒng)及其零部件的強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法主要有試驗(yàn)驗(yàn)證和虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證兩種，試驗(yàn)驗(yàn)證分為懸架系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)和零部件級(jí)試驗(yàn)。對(duì)此，王新偉、劉再生和范璐等[1-3]對(duì)乘用車懸架系統(tǒng)的耐久試驗(yàn)就其原理、試驗(yàn)方法和優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行了分析與研究。系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)可綜合考查懸架系統(tǒng)在整車大部分工況下的使用強(qiáng)度，其試驗(yàn)結(jié)果對(duì)車型開(kāi)發(fā)更具指導(dǎo)意義，缺點(diǎn)是試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)；零部件級(jí)試驗(yàn)則無(wú)法考慮懸架系統(tǒng)中各零部件的強(qiáng)度匹配關(guān)系，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效未發(fā)生在易更換的零部件，產(chǎn)生極高的維修成本，優(yōu)點(diǎn)是易搭建、低成本和短周期等。本文以某C 級(jí)轎車多連桿后懸架系統(tǒng)和臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)為研究對(duì)象，在ADAMS/CAR中建立該車后懸架系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型和虛擬臺(tái)架模型，采用軟件型虛擬試驗(yàn)技術(shù)中的半解析法[4-5]進(jìn)行后懸架系統(tǒng)虛擬靜強(qiáng)度和耐久試驗(yàn)載荷分析，并與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆治鼍取?/p>

2 臺(tái)架試驗(yàn)

懸架系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)主要有靜強(qiáng)度和耐久試驗(yàn)兩種，表1所示為較常見(jiàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目。其中，懸架系統(tǒng)靜強(qiáng)度試驗(yàn)為準(zhǔn)靜態(tài)的單軸加載試驗(yàn)，懸架系統(tǒng)耐久試驗(yàn)為動(dòng)態(tài)單軸或多軸加載試驗(yàn)。

表1 懸架系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)項(xiàng)目

2.1 靜強(qiáng)度試驗(yàn)

圖1 所示為某C 級(jí)轎車多連桿后懸架系統(tǒng)垂向和縱向靜強(qiáng)度試驗(yàn)裝置。將螺旋彈簧和后副車架總成按照設(shè)計(jì)硬點(diǎn)與替代車身的剛性支架進(jìn)行固定，用銷軸將固定盤和輪轂鎖死，防止加載中制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。減振器采用實(shí)車結(jié)構(gòu)，通過(guò)龍門梁調(diào)整加載車輪的中心位置。加載點(diǎn)在車輪中心，并分別按照垂向目標(biāo)載荷18.6 kN 和縱向目標(biāo)載荷24.7 kN進(jìn)行分級(jí)加載。

圖1 后懸架系統(tǒng)靜強(qiáng)度試驗(yàn)裝置

2.2 耐久試驗(yàn)

圖2 所示為某C 級(jí)轎車多連桿后懸架系統(tǒng)實(shí)物耐久加載臺(tái)架試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)總體固定和約束方式與圖1基本相同，主要區(qū)別在于耐久試驗(yàn)的減振器可采用剛性桿替代或采用實(shí)車結(jié)構(gòu)。加載點(diǎn)在車輪中心，分別開(kāi)展后懸架系統(tǒng)8通道和12通道動(dòng)態(tài)載荷譜激勵(lì)疲勞試驗(yàn)。

圖2 后懸架系統(tǒng)耐久臺(tái)架試驗(yàn)裝置

2.3 臺(tái)架試驗(yàn)載荷測(cè)試

對(duì)試驗(yàn)對(duì)象開(kāi)展臺(tái)架試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)、測(cè)點(diǎn)布置和數(shù)據(jù)采集等工作。其中，臺(tái)架試驗(yàn)除采集表2中的測(cè)試項(xiàng)目外，還需采集作動(dòng)器的力與位移信號(hào)和兩側(cè)輪心六分力信號(hào)，用于后續(xù)的載荷分析與驗(yàn)證。

表2 臺(tái)架試驗(yàn)4個(gè)控制臂測(cè)試項(xiàng)目

二力桿件測(cè)試應(yīng)變/力主要采用臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)定和理論計(jì)算2種方法，此處僅對(duì)標(biāo)準(zhǔn)二力桿件理論計(jì)算原理進(jìn)行說(shuō)明：

式中，ε為應(yīng)變；σ為應(yīng)力；E為彈性模量；F為軸向力；A為橫截面積；D為桿件直徑。

3 虛擬試驗(yàn)

虛擬試驗(yàn)分析的目的是在虛擬試驗(yàn)環(huán)境下，借助交互式技術(shù)和試驗(yàn)分析技術(shù)，在汽車設(shè)計(jì)階段即可對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)或者驗(yàn)證。

載荷分析使用的虛擬試驗(yàn)分析建模流程為：后懸架系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型建立；虛擬臺(tái)架多體動(dòng)力學(xué)模型建立；多體動(dòng)力學(xué)模型子系統(tǒng)總裝和調(diào)校；載荷分解與提取。

3.1 分析模型

3.1.1 后懸架系統(tǒng)

懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包括硬點(diǎn)、彈性元件（含襯套、彈簧和減振器）參數(shù)、質(zhì)量和幾何運(yùn)動(dòng)關(guān)系等，其中彈性元件參數(shù)均來(lái)源于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將上述數(shù)據(jù)輸入模型，得到后懸架緩沖塊的實(shí)測(cè)剛度特性和副車架前點(diǎn)襯套的實(shí)測(cè)徑向剛度特性分別如圖3 和圖4 所示。在ADAMS/CAR中建立后懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，如圖5所示。

圖3 后懸架緩沖塊的實(shí)測(cè)剛度特性

圖4 副車架前點(diǎn)襯套的實(shí)測(cè)徑向剛度特性

圖5 后懸架系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型

3.1.2 虛擬臺(tái)架

作動(dòng)器加載模型和臺(tái)架邊界約束是虛擬臺(tái)架[6-8]系統(tǒng)建模的關(guān)鍵，其中作動(dòng)器加載模型構(gòu)建包括垂向、縱向和多軸加載3種模型。

作動(dòng)器可簡(jiǎn)化為1 個(gè)圓柱副（Cylindrical Joint）和1個(gè)作用力制動(dòng)器，制動(dòng)器的加載條件來(lái)自于實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)的作動(dòng)器加載力，圖6所示為后懸架總成縱向靜強(qiáng)度試驗(yàn)的作動(dòng)器加載力。實(shí)際臺(tái)架約束方式的有效體現(xiàn)是載荷正確傳遞的重要保障，建模時(shí)將圖1a、圖1b中實(shí)際臺(tái)架約束方式分別簡(jiǎn)化為平面副（Planer Joint）和移動(dòng)副（Translational Joint）。

圖6 后懸架總成縱向靜強(qiáng)度試驗(yàn)的作動(dòng)器加載力

3.2 模型總裝與調(diào)校

將建立的后懸架系統(tǒng)和虛擬臺(tái)架多體動(dòng)力學(xué)模型在ADAMS/CAR中進(jìn)行子系統(tǒng)組裝，如圖7所示。

圖7 后懸架總成虛擬臺(tái)架模型

為了保證載荷分析的準(zhǔn)確性，必須對(duì)總裝后的模型進(jìn)行調(diào)校，保證虛擬試驗(yàn)分析模型與實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)狀態(tài)一致，以提升模型精度和載荷分解質(zhì)量。模型組裝和調(diào)校應(yīng)主要考慮以下內(nèi)容：

a.后懸架系統(tǒng)和虛擬臺(tái)架模型通訊器匹配測(cè)試；

b.模型參數(shù)修正，以臺(tái)架實(shí)際測(cè)量的緩沖塊間隙測(cè)試值對(duì)模型進(jìn)行修正；

c.K&C調(diào)校，保證后懸架模型的K特性和C特性與實(shí)車K&C試驗(yàn)結(jié)果一致；

d.靜平衡調(diào)校，保證虛擬試驗(yàn)分析姿態(tài)與實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)姿態(tài)一致，同時(shí)對(duì)各響應(yīng)通道信號(hào)清零以保證和實(shí)際臺(tái)架信號(hào)采集初始狀態(tài)一致。

3.3 載荷分解與提取

根據(jù)建立的懸架系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型和虛擬臺(tái)架模型，進(jìn)行后懸架系統(tǒng)靜強(qiáng)度與耐久臺(tái)架試驗(yàn)等虛擬試驗(yàn)載荷分解，完成后提取左側(cè)4個(gè)控制臂的軸向應(yīng)變和載荷計(jì)算信號(hào)，得到用于后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證的對(duì)比分析數(shù)據(jù)。

4 對(duì)比驗(yàn)證

以后懸架系統(tǒng)的垂向和縱向靜強(qiáng)度臺(tái)架試驗(yàn)和耐久臺(tái)架試驗(yàn)方式1 為例進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)與虛擬試驗(yàn)的對(duì)比分析。

靜強(qiáng)度試驗(yàn)主要從系統(tǒng)剛度和載荷分析特性進(jìn)行虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)比分析，耐久試驗(yàn)主要從系統(tǒng)試驗(yàn)隨機(jī)輸入和響應(yīng)信號(hào)的時(shí)域、頻域和系統(tǒng)傳遞特性等方面進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 靜強(qiáng)度試驗(yàn)

圖8 所示為臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)的后懸架系統(tǒng)垂向和縱向剛度特性，表3 所示為臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)4個(gè)控制臂軸向極限載荷。由圖8和表3可知，臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)剛度和控制臂應(yīng)變對(duì)比結(jié)果一致性較好，說(shuō)明虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣偠群洼d荷分配與實(shí)際的后懸架系統(tǒng)試驗(yàn)一致性較好。

驗(yàn)證結(jié)果表明：后懸架系統(tǒng)靜強(qiáng)度虛擬試驗(yàn)分析可有效再現(xiàn)實(shí)際的后懸架系統(tǒng)線性段剛度和載荷分配關(guān)系，除試驗(yàn)過(guò)程中損壞的測(cè)點(diǎn)2外，其余3個(gè)測(cè)點(diǎn)的極限載荷誤差范圍為-2.63%～8.8%。

圖8 臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)的后懸架系統(tǒng)剛度特性

表3 臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)4個(gè)控制臂軸向極限載荷對(duì)比

4.2 耐久試驗(yàn)

4.2.1 時(shí)域?qū)Ρ?/p>

圖9所示為臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)1軸向應(yīng)變的時(shí)間歷程信號(hào)，表4所示為臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)4個(gè)測(cè)點(diǎn)軸向載荷的統(tǒng)計(jì)量對(duì)比。由圖9和表4可知，臺(tái)架試驗(yàn)與虛擬臺(tái)架試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)軸向載荷統(tǒng)計(jì)量一致性較好，說(shuō)明虛擬試驗(yàn)分析可較好地再現(xiàn)后懸架系統(tǒng)試驗(yàn)動(dòng)態(tài)時(shí)域響應(yīng)特性。

圖9 臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)1軸向應(yīng)變的時(shí)間歷程信號(hào)

驗(yàn)證結(jié)果表明：后懸架系統(tǒng)耐久試驗(yàn)虛擬試驗(yàn)分析可有效再現(xiàn)實(shí)際后懸架系統(tǒng)軸載荷統(tǒng)計(jì)量，軸向載荷幅值最小值誤差均在5%以內(nèi)，軸向載荷幅值最大值誤差除測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2外均在3%以內(nèi)，軸向載荷幅值標(biāo)準(zhǔn)差誤差除測(cè)點(diǎn)1外均在5.20%以內(nèi)。

表4 臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)4個(gè)測(cè)點(diǎn)軸向載荷的統(tǒng)計(jì)量對(duì)比

4.2.2 頻域?qū)Ρ?/p>

圖10和表5所示分別為0～40 Hz范圍內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)1軸向應(yīng)變的功率譜密度曲線和4個(gè)測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)變的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比，圖11所示為臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬臺(tái)架試驗(yàn)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)變的相對(duì)損傷對(duì)比。由圖10、圖11 和表5 可知，臺(tái)架試驗(yàn)與虛擬臺(tái)架試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)變的頻域特性和相對(duì)損傷一致性較好，說(shuō)明虛擬試驗(yàn)分析可較好地再現(xiàn)實(shí)際后懸架系統(tǒng)頻域響應(yīng)特性。

圖10 臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)1應(yīng)變的功率譜密度曲線

表5 臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)4個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比

驗(yàn)證結(jié)果表明：軸向應(yīng)變?cè)?～40 Hz 范圍內(nèi)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差誤差范圍為-9.43%～2.88%，軸向應(yīng)變的相對(duì)損傷除測(cè)點(diǎn)1 外均在0.60～1.22 范圍內(nèi)，后懸架系統(tǒng)耐久試驗(yàn)虛擬試驗(yàn)分析可有效再現(xiàn)實(shí)際后懸架系統(tǒng)軸向應(yīng)變頻域特性和相對(duì)損傷。

圖11 臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)4個(gè)測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)變的相對(duì)損傷對(duì)比

4.2.3 系統(tǒng)傳遞特性對(duì)比

圖12和圖13分別為0～40 Hz范圍內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬臺(tái)架試驗(yàn)輪心垂向力對(duì)測(cè)點(diǎn)1 軸向應(yīng)變的系統(tǒng)傳遞特性和各向輪心力對(duì)各軸向應(yīng)變載荷傳遞特性的標(biāo)準(zhǔn)差。由圖12和圖13可知，臺(tái)架試驗(yàn)與虛擬臺(tái)架試驗(yàn)各向輪心力對(duì)各軸向應(yīng)變的系統(tǒng)傳遞特性曲線及其標(biāo)準(zhǔn)差一致性較好，說(shuō)明虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械南到y(tǒng)傳遞特性與實(shí)際后懸架系統(tǒng)試驗(yàn)一致。

圖12 輪心垂向力對(duì)測(cè)點(diǎn)1軸向應(yīng)變的系統(tǒng)傳遞特性曲線

圖13 各向輪心力對(duì)各軸向應(yīng)變的系統(tǒng)傳遞特性標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比

驗(yàn)證結(jié)果表明：后懸架系統(tǒng)耐久試驗(yàn)虛擬試驗(yàn)分析可較好再現(xiàn)實(shí)際的0～20 Hz 內(nèi)的系統(tǒng)傳遞特性，20～40 Hz 的系統(tǒng)傳遞特性稍差，各向輪心力對(duì)各軸向應(yīng)變的系統(tǒng)傳遞特性在0～40 Hz 范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差誤差為-5.53%～11.46%。

綜上所述，基于后懸架系統(tǒng)虛擬試驗(yàn)分析可有效再現(xiàn)實(shí)際后懸架系統(tǒng)剛度、載荷分配關(guān)系，以及隨機(jī)激勵(lì)下的響應(yīng)信號(hào)時(shí)域、頻域和系統(tǒng)傳遞特性，但仍需不斷積累和完善虛擬試驗(yàn)分析方法才能得到較為可靠的系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)載荷，為懸架系統(tǒng)級(jí)及其零部件的剛度、強(qiáng)度和疲勞壽命分析[9-11]及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效的載荷邊界條件。

此外，對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果表明虛擬試驗(yàn)分析精度還存在一定的誤差，引起誤差的主要原因?yàn)樘摂M試驗(yàn)分析無(wú)法模擬后懸架系統(tǒng)安裝配合間隙、結(jié)構(gòu)件局部形變，虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槎鄤傮w簡(jiǎn)化等。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以多連桿后懸架系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)的測(cè)試載荷為分析目標(biāo)，對(duì)其虛擬試驗(yàn)分析模型的建模、調(diào)校和載荷提取等方面展開(kāi)論述，并重點(diǎn)對(duì)兩種載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行較為充分對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明：虛擬試驗(yàn)分析可以較好地再現(xiàn)實(shí)際的后懸架系統(tǒng)線性段剛度和載荷分配關(guān)系，以及懸架系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)響應(yīng)信號(hào)的時(shí)域、頻域和系統(tǒng)傳遞特性，說(shuō)明該虛擬試驗(yàn)分析模型可為懸架系統(tǒng)及其零部件的剛度、強(qiáng)度和疲勞壽命分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效的載荷邊界條件。