乘用車懸架系統(tǒng)道路模擬試驗(yàn)技術(shù)

杜書 于長清 巫洋 李云鵬 孫野

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院；汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)不受天氣、人力及場地因素影響，在室內(nèi)又能夠方便地進(jìn)行一些研究和解決發(fā)現(xiàn)的實(shí)際問題，因此道路模擬試驗(yàn)在產(chǎn)品開發(fā)中占有重要地位。目前，室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)主要是指整車道路模擬試驗(yàn)，整車道路模擬試驗(yàn)是對整車可靠性的綜合試驗(yàn)，若單獨(dú)考核和研究懸架系統(tǒng)，進(jìn)行整車道路模擬試驗(yàn)成本較高，采用試車場測試周期較長。文章針對此問題，對懸架系統(tǒng)的道路模擬試驗(yàn)進(jìn)行了研究。

1 Miner 理論

Miner 理論是線性疲勞累積損傷理論中的一類，由于文章研究的某乘用車后懸架系統(tǒng)所受的載荷較小，產(chǎn)生塑性變形的趨勢也比較小，屬于高周疲勞范疇，故采用Miner 理論對各級應(yīng)力循環(huán)造成的損傷進(jìn)行累加來得到各單元的疲勞壽命值[1]。估算完待測懸架系統(tǒng)的疲勞壽命后，就可以判斷各零部件的臺架模擬迭代結(jié)果和實(shí)際試車場路試結(jié)果的損傷誤差。

2 載荷譜采集

懸架在整車結(jié)構(gòu)上處于車輪與車身之間，功能上承載著乘客、車身、發(fā)動機(jī)、變速箱等質(zhì)量，同時在道路行駛中直接承受著地面對車輪的作用力。當(dāng)汽車在路面上行駛時，車輪所受的力可以分解為垂直力、側(cè)向力、縱向力、側(cè)向彎矩、制動力矩、轉(zhuǎn)向彎矩6 個分力或力矩[2]。所以為了采集較為精準(zhǔn)的懸架系統(tǒng)道路載荷譜，需要根據(jù)懸架結(jié)構(gòu)和關(guān)注部件的不同，選擇合適量程和精度的傳感器合理安裝在目標(biāo)車輛上。其中，信號采集點(diǎn)的選擇原則通常為：

1）盡量選取靠近臺架各通道激勵點(diǎn)的位置作為控制采集點(diǎn)，這是考慮到離激勵點(diǎn)越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的非線性越大，模擬精度越低的緣故；

2）控制采集點(diǎn)的選取應(yīng)盡可能與某一激勵載荷成線性關(guān)系，而與其它激勵載荷成正交關(guān)系，以便于迭代能夠盡快收斂。

以要進(jìn)行試驗(yàn)的懸架系統(tǒng)為對象，部分測試通道信息，如表1 所示。

表1 某懸架系統(tǒng)測試通道信息

另外，為了保證載荷譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性，還要防止采集到的數(shù)據(jù)發(fā)生信號混淆現(xiàn)象，所以數(shù)據(jù)采集頻率必須滿足采樣定理[3]。根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合采樣定理，最終選定試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集頻率為512 Hz。

3 數(shù)據(jù)處理

采回的懸架系統(tǒng)載荷譜數(shù)據(jù)不能直接作為臺架試驗(yàn)的期望響應(yīng)信號，必須加以編輯和處理，具體步驟如下：

1）數(shù)據(jù)檢查，剔除異常信號，去除趨勢項；

2）對信號進(jìn)行頻域分析，濾除因干擾噪聲等引起的高頻信號；

3）去除試驗(yàn)場過渡路載荷信號，保留典型路況載荷信號；

4）對5 個循環(huán)數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞損傷計算，選取可靠度為50%的損傷樣本，作為道路模擬試驗(yàn)迭代目標(biāo)信號（疲勞損傷計算時可以應(yīng)用斜率k=5 的疲勞壽命曲線）。

4 固定反力式裝置設(shè)計和試驗(yàn)臺架建立

懸架系統(tǒng)道路模擬試驗(yàn)的約束方式一般有慣性載荷反應(yīng)式和固定載荷反應(yīng)式2 種。慣性載荷反應(yīng)式的約束方式是指懸架系統(tǒng)直接固定在車身或車架上，雖然懸架系統(tǒng)會獲得良好的響應(yīng)，但常造成車身或車架先于懸架部件破壞，所以使用固定載荷反應(yīng)式的約束方式進(jìn)行懸架道路模擬試驗(yàn)。這就需要設(shè)計一套固定懸架系統(tǒng)的反力式裝置。在認(rèn)真考慮懸架系統(tǒng)與反力固定裝置的連接剛度匹配和對其進(jìn)行強(qiáng)度、通用性的研究后，設(shè)計整個反力固定裝置包括基座、鐵地板、龍門和一些調(diào)整支架。通過后期的試驗(yàn)證明，該固定裝置不僅強(qiáng)度和剛度滿足試驗(yàn)要求，而且可以針對不同的懸架系統(tǒng)進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)。其3D 設(shè)計示意圖，如圖1 所示?；谳S耦合道路模擬機(jī)和設(shè)計制作完成后的懸架固定裝置，結(jié)合某乘用車后懸架系統(tǒng)，建立了懸架系統(tǒng)道路模擬試驗(yàn)臺，如圖2 所示。

圖1 懸架系統(tǒng)道路模擬試驗(yàn)反力固定裝置設(shè)計3D 示意圖

圖2 某懸架系統(tǒng)道路模擬試驗(yàn)臺

5 模擬迭代過程和驅(qū)動信號迭代

5.1 迭代過程

懸架系統(tǒng)道路模擬試驗(yàn)的迭代過程和方法與整車道路模擬試驗(yàn)的基本一致，都是為了精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)在試車場所采集的載荷數(shù)據(jù)。在迭代前，需要對試驗(yàn)系統(tǒng)的電控參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后獲取系統(tǒng)傳遞函數(shù)，求解逆函數(shù)，再對目標(biāo)信號進(jìn)行非方陣迭代，設(shè)置迭代增益系數(shù)，最后生成驅(qū)動信號。

5.2 迭代算法和結(jié)果對比

驅(qū)動信號迭代算法是模擬迭代的關(guān)鍵所在。如果被試系統(tǒng)為線性不變的系統(tǒng)，將系統(tǒng)定義為一個多輸入、多輸出的振動響應(yīng)系統(tǒng)，應(yīng)用RPC 軟件生成一個寬頻帶的白噪信號對新組建的系統(tǒng)進(jìn)行輸入，定義為X，得到系統(tǒng)的響應(yīng)信號，定義為Y，頻響函數(shù)矩陣定義為H，則有：

由式（1）求得：

式中：X-1——驅(qū)動信號傳遞函數(shù)矩陣的逆矩陣；

H-1——系統(tǒng)頻響函數(shù)矩陣的逆矩陣。

定義最終的期望響應(yīng)信號為Y1（t），經(jīng)傅里葉變換可得：

定義頻域初始驅(qū)動信號為X0，令：

則有：

用X0（t）激勵系統(tǒng)，獲得響應(yīng)信號Y0（t），定義首次誤差信號為ΔY0（t），則有：

式中：?——迭代增益（迭代過程中要根據(jù)臺架響應(yīng)誤差不斷調(diào)整）。

模擬精度的評價通常采用期望響應(yīng)與響應(yīng)信號均方根（Root Mean Square，即RMS）的相對誤差進(jìn)行評價，理論上要求控制點(diǎn)模擬迭代RMS 差小于10%。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，通常需要六分力、懸架相對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，一般控制點(diǎn)模擬迭代的RMS 平均值在20%以內(nèi)即可終止迭代。以本次進(jìn)行試驗(yàn)的懸架系統(tǒng)為對象，其在某路況下的部分控制點(diǎn)模擬迭代RMS 收斂程度誤差曲線，如圖3 所示，其放大時域曲線對比，如圖4 所示。在圖3 和圖4 中可以看到，控制點(diǎn)模擬迭代RMS 小于20%，迭代時間歷程曲線重合度較高，說明迭代結(jié)果較好。

圖3 樣件模擬迭代誤差

圖4 樣件模擬迭代時域曲線對比

根據(jù)線性疲勞累積損傷理論，每一個載荷循環(huán)過程都會對零部件產(chǎn)生損傷，多個載荷循環(huán)損傷的累積，最終造成零部件的破壞[4]。通過Miner 理論，結(jié)合自行定義的S-N 曲線，計算出懸架系統(tǒng)各單元的疲勞壽命，把迭代后的結(jié)果和期望信號做對比分析，結(jié)果表明，采用軸頭六分力信號和控制臂應(yīng)變信號作為迭代期望響應(yīng)、加速度信號和位移信號作為監(jiān)測迭代效果好壞的迭代方法能夠很好地再現(xiàn)懸架部件與道路相同的載荷激勵。

6 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)目標(biāo)車輛在試車場道路試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，并結(jié)合CAE 計算分析的結(jié)果，對零部件高應(yīng)力區(qū)噴涂裂紋顯影劑進(jìn)行觀察，在室溫條件下，對懸架系統(tǒng)進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)。結(jié)果暴露出減振器緩沖塊開裂、右前束支架限位凸起處斷裂等共7 項問題，這些問題與整車在試車場道路試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題一致，證明了該方法的精準(zhǔn)性。

7 結(jié)論

文章從提出一種懸架系統(tǒng)道路模擬試驗(yàn)方法入手，對懸架系統(tǒng)道路模擬試驗(yàn)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：

1）Miner 理論是成功進(jìn)行懸架道路模擬試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，可以用于文章的試驗(yàn)驗(yàn)證；

2）文章設(shè)計的懸架道路模擬固定裝置拆裝方便、強(qiáng)度高、通用性好，可以根據(jù)不同車型的懸架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行調(diào)整；

3）通過對比懸架道路模擬試驗(yàn)與整車在試車場的道路試驗(yàn)的結(jié)果，得出二者的懸架系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果一致，表明應(yīng)用懸架道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)就可以很好地完成懸架系統(tǒng)的耐久性驗(yàn)證，從而縮短了懸架系統(tǒng)的驗(yàn)證周期，節(jié)約了試驗(yàn)成本。