乘用車懸架系統(tǒng)道路模擬試驗(yàn)臺(tái)的研究

杜書 巫洋 劉明 劉志遠(yuǎn) 盧青天

（中國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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130013）

主題詞：懸架系統(tǒng) 道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng) 懸架固定系統(tǒng) 模擬迭代

1 前言

乘用車懸架系統(tǒng)是指車身以及輪胎之間的彈簧和避振器等構(gòu)件組成的整個(gè)車體支持系統(tǒng)，包括彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和減振器[1]。由于懸架系統(tǒng)的組成零件多，而且裝配和安裝的尺寸精度要求較高，目前針對(duì)懸架的臺(tái)架試驗(yàn)主要是單獨(dú)的零部件試驗(yàn)且大多以單向加載為主，與實(shí)車狀態(tài)下復(fù)雜的受力情況相差較大，導(dǎo)致臺(tái)架的失效形式與實(shí)際失效形式不一致，無法真正起到檢驗(yàn)產(chǎn)品的作用。而道路模擬試驗(yàn)可以快速、準(zhǔn)確暴露懸架的薄弱環(huán)節(jié)，能夠有效評(píng)價(jià)懸架的耐久性。因此近年來懸架道路模擬試驗(yàn)受到了國內(nèi)外汽車工程界的普遍重視。

從實(shí)際出發(fā)，基于道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，通過載荷測試、CAE分析和RPC模擬迭代等技術(shù)，利用CATIA軟件等工具設(shè)計(jì)了懸架固定系統(tǒng)，最終搭建懸架系統(tǒng)道路模擬試驗(yàn)臺(tái)并成功進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了懸架系統(tǒng)道路模擬試驗(yàn)臺(tái)符合相關(guān)要求，也證明了懸架固定系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

2 道路模擬試驗(yàn)臺(tái)組成和工作流程

道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是由六分力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和軸耦合道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)組成。其工作原理為：對(duì)被試驗(yàn)車輛按照試驗(yàn)?zāi)途眯砸?guī)范在汽車試驗(yàn)場進(jìn)行典型路況載荷譜采集，這個(gè)過程主要是靠六分力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成的；載荷譜采集完成后對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，包括時(shí)域分析、頻域分析、加速處理以確定期望響應(yīng)信號(hào)；載荷譜信號(hào)分析完成后在軸耦合道路模擬系統(tǒng)上，利用RPC軟件通過迭代控制技術(shù)還原期望響應(yīng)信號(hào)，并獲取臺(tái)架驅(qū)動(dòng)信號(hào)；最后利用驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行整車或懸架系統(tǒng)道路模擬試驗(yàn)[2]。

3 懸架道路模擬固定系統(tǒng)組成和功能

3.1 設(shè)計(jì)構(gòu)思

通常懸架系統(tǒng)道路模擬試驗(yàn)的約束方式有兩種，為慣性反力式和固定反力式。慣性反力式是由車身或車架固定懸架系統(tǒng)后與道路模擬機(jī)相連，試驗(yàn)時(shí)懸架系統(tǒng)可以獲得良好響應(yīng)，但由于車身或車架質(zhì)量或剛度等原因，車身或車架會(huì)被經(jīng)常的維修、焊接，所以用固定反力的約束方式來替代慣性反力的約束方式，懸架固定反力式約束系統(tǒng)可簡稱為懸架固定系統(tǒng)。

懸架固定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要依據(jù)軸耦合道路模擬試驗(yàn)機(jī)的客觀條件和載荷譜綜合考慮懸架固定系統(tǒng)各個(gè)部分剛度、頻響、解耦因素對(duì)試驗(yàn)的影響，同時(shí)在限定載荷范圍內(nèi)滿足試驗(yàn)壽命要求。基座裝置應(yīng)充分考慮工裝夾具的通用性和耐久性，調(diào)整裝置應(yīng)充分考慮懸架與車身替代點(diǎn)處的連接方式，避免懸架系統(tǒng)在模擬迭代中改變受力狀態(tài)，影響試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)合上述各影響因素，完成懸架道路模擬固定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)示意如圖1所示。

圖1 固定系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意

3.2 組成和功能

懸架道路模擬固定系統(tǒng)包括基座部分和調(diào)整部分?；糠钟傻鬃㈣F地板和龍門組成；調(diào)整裝置由橫梁、側(cè)向調(diào)整支架、減振器支架、彈簧支架和縱向平面調(diào)整支架組成，能根據(jù)不同車型的懸架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行調(diào)整。

底座為固定高度或高度可調(diào)的基座（上表面有螺紋孔），用于固定連接鐵地板并支撐鐵地板、龍門和調(diào)整部分；鐵地板表面有12個(gè)通孔，用于與底座固定連接，又有兩條T型槽，用于與龍門沿第一水平方向可滑動(dòng)連接；龍門底座四周有若干個(gè)通孔，用以固定連接鐵地板，兩側(cè)有橫、豎方向長槽孔，其保證調(diào)整部分尺寸可調(diào)；側(cè)向調(diào)整支架可在龍門側(cè)平面合適位置固定，同時(shí)連接縱向平面調(diào)整支架；縱向調(diào)整支架與橫向調(diào)整支架沿第二水平方向可滑動(dòng)連接，用于固定副車架車身安裝點(diǎn)；橫梁與龍門沿第一水平方向可滑動(dòng)連接，用以調(diào)整懸架輪心位置，其上固定減振器支架和彈簧支架；減振器支架和彈簧支架用以調(diào)整減振器或彈簧的相對(duì)角度。由于前懸架系統(tǒng)的彈簧和減振器多為一體式結(jié)構(gòu)，而后懸架系統(tǒng)的彈簧和減振器常常是分開的，所以一般前懸架系統(tǒng)的減振器支架和彈簧支架設(shè)計(jì)是合并為一的，而拆分為二的設(shè)計(jì)，多用于后懸架系統(tǒng)。

4 懸架道路模擬試驗(yàn)臺(tái)的搭建

首先將側(cè)向調(diào)整支架按照尺寸連接到龍門上，再將縱向平面調(diào)整支架根據(jù)試驗(yàn)懸架的車身連接點(diǎn)尺寸連接到側(cè)向調(diào)整支架上，連接懸架系統(tǒng)到裝置上，將橫梁根據(jù)尺寸安裝到龍門頂端，然后同樣根據(jù)尺寸連接減振器支架、彈簧支架，連接完成后，把彈簧和減振器與裝置相連，龍門部分搭建完成；將鐵地板通過螺栓連接到底座上，把連接好的龍門通過壓板安裝到鐵地板上，用壓板把底座固定到軸耦合道路模擬試驗(yàn)區(qū)的合適位置，最后在車輪中心位置連接軸耦合道路模擬機(jī)進(jìn)行迭代和道路模擬試驗(yàn)。以某乘用車的后懸架系統(tǒng)為例，其試驗(yàn)臺(tái)3D搭建示意和搭建完成圖分別見圖2和圖3。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)3D搭建示意

圖3 試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際搭建

5 懸架試驗(yàn)?zāi)M迭代

懸架系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)搭建完成后，應(yīng)用RPC軟件生成白噪信號(hào)對(duì)新組建的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別，對(duì)試車場可靠性路面信號(hào)進(jìn)行編輯處理，去除掉對(duì)疲勞影響不大的中間過度路段信號(hào)，剩余的較強(qiáng)信號(hào)作為臺(tái)架期望響應(yīng)信號(hào)。

控制器、伺服閥、作動(dòng)器、懸架系統(tǒng)、傳感器定義為一個(gè)統(tǒng)一系統(tǒng)，求解這一系統(tǒng)的頻響函數(shù)。應(yīng)用RPC軟件生成一個(gè)寬頻帶的白噪信號(hào)X(f)對(duì)新組建的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行輸入，得到試驗(yàn)的響應(yīng)信號(hào)Y(f)，根據(jù)公式（2）求解得到試驗(yàn)的頻響函數(shù)H(f)，然后根據(jù)公式（3）對(duì)期望響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行多次模擬迭代，求得最終滿足要求的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

式中，Y(f)為響應(yīng)信號(hào)函數(shù)矩陣；X(f)為驅(qū)動(dòng)信號(hào)函數(shù)矩陣；H(f)為系統(tǒng)頻響函數(shù)矩陣。

由公式（1）得：

式中，X-1(f)為驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳遞函數(shù)矩陣的逆矩陣。

式中，H-1(f)為試驗(yàn)頻響函數(shù)矩陣的逆矩陣。

由RPC技術(shù)獲得的響應(yīng)信號(hào)并不能百分之百的與期望響應(yīng)信號(hào)等同，一般離激勵(lì)點(diǎn)越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的非線性越大，模擬精度越低。模擬精度的評(píng)價(jià)通常采用期望響應(yīng)與響應(yīng)信號(hào)均方根（Root Mean Square，RMS）的相對(duì)誤差進(jìn)行評(píng)價(jià)。

利用系統(tǒng)識(shí)別的傳遞函數(shù)經(jīng)過多次模擬迭代，求得最終滿足要求的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，理論上要求控制點(diǎn)模擬迭代RMS差小于10%[3]。但在懸架系統(tǒng)道路模擬的實(shí)際應(yīng)用中，由于車身約束方式與實(shí)際不一致，僅將六分力作為控制點(diǎn)，將導(dǎo)致懸架內(nèi)部載荷誤差較大，因此通常需要六分力、懸架相對(duì)車身位移及懸架零部件內(nèi)部載荷共同作為控制點(diǎn)一起模擬迭代，一般保證控制點(diǎn)模擬迭代的RMS平均值在20%以內(nèi)即可。

參照?qǐng)D4，以本次進(jìn)行試驗(yàn)的懸架系統(tǒng)為對(duì)象，其誤差曲線如圖4所示，以魚鱗坑作為示例的時(shí)域曲線對(duì)比的放大如圖5所示。

圖4 懸架系統(tǒng)模擬迭代誤差曲線

圖5 以魚鱗坑為例的時(shí)域曲線

6 道路模擬試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，將模擬迭代所得的試車場典型路況的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理，編制循環(huán)數(shù)，確定為本試驗(yàn)的目標(biāo)信號(hào)，同時(shí)用六分力假體代替六分力傳感器，進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)。部分工況試驗(yàn)時(shí)長及循環(huán)次數(shù)如表1所示。

表1 本次試驗(yàn)部分循環(huán)工況和循環(huán)次數(shù)列舉

6.2 試驗(yàn)條件和結(jié)果

根據(jù)CAE計(jì)算分析結(jié)果和試車場路試出現(xiàn)的問題，并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)零部件高應(yīng)力區(qū)噴涂裂紋顯影劑進(jìn)行觀察，在室溫條件下，對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，做好設(shè)備、減振器和橡膠液壓懸置的冷卻，同時(shí)做好試驗(yàn)檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該懸架系統(tǒng)完成了當(dāng)量用戶里程，懸架系統(tǒng)樣件無損壞。

7 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)懸架固定系統(tǒng)，基于道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，應(yīng)用RPC模擬迭代等技術(shù)，搭建懸架道路模擬試驗(yàn)臺(tái)，完成道路模擬迭代及耐久試驗(yàn)。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的道路模擬試驗(yàn)臺(tái)可以很好再現(xiàn)懸架在道路上的載荷激勵(lì)，并能成功進(jìn)行懸架道路模擬試驗(yàn)，且懸架固定系統(tǒng)無損壞。從而驗(yàn)證了懸架道路模擬試驗(yàn)臺(tái)符合相關(guān)要求，懸架固定系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。這不僅為懸架系統(tǒng)開發(fā)提供了可靠的數(shù)據(jù)，也對(duì)線性作動(dòng)器耐久試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了參考。