虛擬載荷在底盤系統(tǒng)耐久試驗的應(yīng)用研究

何鑫齡　董遠明

摘 要：汽車底盤開發(fā)過程中的傳統(tǒng)耐久性試驗，用于試驗的載荷來源，多為實車采集，此種方法存在嚴重依賴物理樣車、開發(fā)試驗周期長、采集載荷有限等缺點。本文基于多體動力學仿真技術(shù)，試驗場數(shù)字模型，在Adams虛擬模型內(nèi)生成虛擬載荷，輸入底盤系統(tǒng)臺架耐久試驗作為目標載荷，替代實際樣車載荷采集過程，進行底盤系統(tǒng)臺架耐久試驗驗證。經(jīng)過多車型研發(fā)應(yīng)用，虛擬載荷臺架應(yīng)用試驗技術(shù)已形成標準，作為底盤系統(tǒng)耐久考核的關(guān)鍵手段。

關(guān)鍵詞：底盤系統(tǒng)試驗 多體動力學仿真 Adams模型 虛擬載荷提取

Application of Virtual Load in Durability Test of Chassis System

He Xinling，Dong Yuanming

Abstract：The traditional durability test in the process of automobile chassis development， the load source used for the test is mostly real vehicle collection. This method has some disadvantages， such as heavy dependence on physical sample vehicle， long development and test cycle， limited collection load and so on. Based on the multi-body dynamics simulation technology and the digital model of the test field， this paper generates the virtual load in the ADAMS virtual model， inputs the chassis system bench durability test as the target load， replaces the actual sample vehicle load collection process， and verifies the chassis system bench durability test. After the development and application of multiple models， the virtual load bench application test technology has formed a standard as a key means of chassis system durability assessment.

Key words：chassis system test， multi-body dynamics simulation， Adams model， virtual load extraction

1 引言

汽車底盤作為整車結(jié)構(gòu)的核心系統(tǒng)，是車身，動力，電器設(shè)備等系統(tǒng)組件的承載基體，保證了汽車在路面上的正常行駛，并為車輛按照駕駛意圖操控行駛的提供了基本保障。耐久性和可靠性是底盤系統(tǒng)最基本也是最重要的性能之一，對于不同于試驗場驗證及用戶真實使用來說，試驗室內(nèi)底盤系統(tǒng)臺架耐久驗證的精確性及發(fā)現(xiàn)問題的覆蓋性顯得尤為重要，精確的驗證可以為底盤系統(tǒng)前期開發(fā)提早識別潛在失效模式，引導后期整改，減少因后期整車試驗發(fā)現(xiàn)問題后整改而引起的重復試驗浪費，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

從試驗室驗證的角度來講，隨著測試技術(shù)及試驗技術(shù)的不斷發(fā)展，試驗設(shè)備的不斷更迭，多通道試驗方法在系統(tǒng)級驗證方面得到廣泛應(yīng)用，以其可全自由度復現(xiàn)懸架受力的加載優(yōu)勢取得較好的應(yīng)用效果，各大廠商接受度也較高。

近年來隨著VPG虛擬載荷技術(shù)的研究與應(yīng)用，對用于底盤零部件及系統(tǒng)驗證的載荷來源產(chǎn)生了較大影響。由CAE部門通過多體動力學模型結(jié)合虛擬數(shù)字路面聯(lián)合仿真，提取用于車輛零部件及系統(tǒng)驗證的一致性來源載荷。虛擬載荷在公司汽車底盤系統(tǒng)驗證過程中已經(jīng)取得較好的驗證效果，并已作為底盤系統(tǒng)耐久考核的關(guān)鍵手段。

2 虛擬載荷生成

2.1 底盤系統(tǒng)多體動力學模型

虛擬載荷生成的基本要素：

整車Adams/car多體動力學模型，整車質(zhì)量，配重規(guī)范，彈性元件（彈簧，減震器，襯套，緩沖塊）參數(shù)及試驗數(shù)據(jù)。如下圖為襯套兩個方向剛度性能曲線對比，緩沖塊剛度性能曲線對比。

a.襯套模型輸入數(shù)據(jù)校核，見圖1、圖2。

b.緩沖塊模型數(shù)據(jù)校核，見圖3、圖4。

2.2 虛擬路面模型

用于耐久試驗的數(shù)字路面信息，見圖5。

2.3 路面行駛軌跡定義

確保車輛模型按照預定軌跡行駛在特征路面上，此為輸出正確載荷的必要條件避免批量輸出載荷時不能及時發(fā)現(xiàn)錯誤，引起重復返工操作。有時會由于車輛模型偏離特征路面行駛，造成單側(cè)載荷采集錯誤，影響后續(xù)載荷和驗證準確性。

2.4 輸出信息

輸出用于各種零部件，系統(tǒng)，整車級分析或者試驗的輸入載荷（如力，位移，加速度等）信息。

3 底盤系統(tǒng)臺架試驗

3.1 試驗設(shè)備

MTS329多軸軸耦合道路模擬機

設(shè)備優(yōu)點：可以對車輛主軸的力和力矩實現(xiàn)6自由度控制，可實現(xiàn)輪心三個方向的力加載以及繞三個軸向的轉(zhuǎn)矩加載，完全模擬車輛輪心受力情況。

3.2 底盤系統(tǒng)試驗設(shè)置

以某車型前懸架（麥弗遜型式）系統(tǒng)臺架耐久試驗為例，試驗整體懸架系統(tǒng)采用固定反力式安裝，臺架試驗傳感器布置清單見下表。

與之對應(yīng)的CAE輸出目標載荷也需提取這些載荷信息用于后續(xù)臺架參與迭代。

懸架系統(tǒng)臺架試驗，加載點為輪心。

3.2.1 傳感器選用

輪心六分力傳感器;下擺臂球頭銷采用應(yīng)變片組橋，測量彎曲，標定為下擺臂球頭銷XY方向載荷;減震器位移采用位移傳感器;穩(wěn)定桿吊桿，為二力桿件，測拉壓載荷;

應(yīng)變組橋后標定電壓與載荷的關(guān)系，耐久試驗測量載荷。

3.2.2 實物臺架與CAE虛擬模型校核

a.臺架試驗軸荷及懸架姿態(tài)確認，如下表：

b.懸架系統(tǒng)關(guān)鍵內(nèi)部載荷的驗證。

實物臺架信號與虛擬Adams模型里，相同的輸入條件，模型輸出響應(yīng)與臺架輸出響應(yīng)對比情況。通過采集實物臺架在特定模型驗證工況下的各設(shè)備傳感器信號、測量輪輪心六分力信號及被試底盤懸架內(nèi)部信號，將采集時域信號輸入加載至Adams模型內(nèi)輸出所需響應(yīng)，與實物臺架采集的響應(yīng)進行對比驗證。主要對懸架縱向剛度、垂向輪跳及減震器動靜態(tài)性能等數(shù)據(jù)進行對比驗證，見圖9-12。

3.3 底盤系統(tǒng)試驗載荷及迭代結(jié)果評價

3.3.1 耐久試驗路譜信號

路面信息：耐久路面包括比利時路面 40km/h，搓衣板路55km/h，繞8字路面 35km/h，點坑路（18寸）25km/h，制動路面50-0km/h剎停等。

3.3.2 耐久試驗迭代結(jié)果評價

臺架復現(xiàn)程度主要從三個維度進行評價，偽損傷對比維度、時域統(tǒng)計量維度、頻域維度。本文選取了全部耐久路面，前下擺臂球頭銷X和Y向載荷信號和減振器位移信號，從以上三個維度對比，從結(jié)果來看，損傷和時域統(tǒng)計量對比一致性較好，全局幅值無異常偏大信號，減振器位移信號復現(xiàn)度高，保證懸架垂向運動姿態(tài)。對比結(jié)果如下圖。

a.信號時域統(tǒng)計對比range-cycle

b.信號頻域?qū)Ρ?/p>

c.相對偽損傷對比

底盤系統(tǒng)試驗迭代各通道損傷對比如下圖20。

3.4 底盤系統(tǒng)耐久試驗結(jié)果

耐久試驗過程發(fā)現(xiàn)底盤系統(tǒng)如下問題。

4 結(jié)語

以上試驗問題的檢出，其失效模式與CAE分析結(jié)果風險點一致，在同一虛擬載荷輸入前提下，CAE分析與實物臺架耐久試驗結(jié)果保持一致，驗證有效性很好。

由多體仿真生成的虛擬載荷，在底盤系統(tǒng)臺架上應(yīng)用，迭代效果好，總體各零部件受力情況復現(xiàn)效果從時域、頻域、相對損傷維度衡量，臺架試驗復現(xiàn)效果好，進一步驗證了虛擬模型的有效性。

虛擬載荷在底盤系統(tǒng)臺架上的應(yīng)用這一整套試驗方法已經(jīng)被驗證是可行的，有效的，并且已經(jīng)標準化，可以作為關(guān)鍵驗證手段應(yīng)用到底盤系統(tǒng)開發(fā)上。

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