虛擬道路試驗(yàn)與汽車底盤零部件載荷譜提取

尹輝俊，柳澤田

（廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，廣西 柳州 545006）

1 引言

目前國(guó)內(nèi)外在車輛研發(fā)過(guò)程中，對(duì)汽車進(jìn)行耐久性預(yù)測(cè)的方法[1～2]有：室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)和汽車道路可靠性行駛試驗(yàn)。臺(tái)架試驗(yàn)雖然可以針對(duì)性的對(duì)汽車零部件進(jìn)行疲勞測(cè)試，但是試驗(yàn)精度相對(duì)于道路測(cè)試較低，為了解決這一問(wèn)題，通常需要以實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)編制的載荷譜作為臺(tái)架試驗(yàn)的輸入。然而，通過(guò)汽車道路可靠性行駛試驗(yàn)獲取的實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)雖然精確，但是所需周期長(zhǎng)且成本高，而且道路行駛試驗(yàn)具有隨機(jī)性，試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果一般不可復(fù)現(xiàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，以某乘用車前副車架為例，現(xiàn)提出通過(guò)虛擬道路試驗(yàn)獲取汽車底盤零部件載荷譜的方法。虛擬道路試驗(yàn)[3]是指：聯(lián)合Adams軟件和Hyper?works軟件依據(jù)模型實(shí)際建立整車剛?cè)狁詈夏Ｐ吞娲窚y(cè)所需樣車，并參照某試驗(yàn)場(chǎng)中實(shí)測(cè)道路數(shù)據(jù)建立3D虛擬路面來(lái)模擬樣車實(shí)際路測(cè)的試驗(yàn)環(huán)境，然后依據(jù)某企業(yè)《轎車以及微型車產(chǎn)品定型可靠性行駛試驗(yàn)規(guī)范》進(jìn)行虛擬試驗(yàn)。

2 建立整車剛?cè)狁詈夏Ｐ?/h2>

汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且零部件繁多，采用建模法組合裝配整車模型工作量繁復(fù)，因此采用參數(shù)化建模法依據(jù)模型實(shí)際來(lái)構(gòu)建整車模型。將整車模型劃分成多個(gè)子系統(tǒng)：前懸架子系統(tǒng)、后懸架子系統(tǒng)、車身子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向器子系統(tǒng)、車輪子系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)，依據(jù)模型實(shí)際調(diào)整各子系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)來(lái)調(diào)整子系統(tǒng)模型，利用各子系統(tǒng)之間的拓?fù)潢P(guān)系快速建立整車模型。其中，樣車前懸架采用麥弗遜懸架，后懸架采用雙叉臂懸架，在懸架系統(tǒng)靜態(tài)K&C特性一致的情況下，為了保證整車模型與實(shí)車在外部激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)一致，需要調(diào)整懸架子系統(tǒng)的以下幾個(gè)參數(shù)：

（1）硬點(diǎn)位置；（2）各部件質(zhì)心位置以及質(zhì)量以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；（3）懸架減震器阻尼特性曲線；（4）懸架緩沖塊剛度曲線；（5）懸架螺旋彈簧剛度參數(shù)。

各項(xiàng)參數(shù)均可以通過(guò)測(cè)量三維數(shù)模進(jìn)行確定。其中，后三項(xiàng)為主要調(diào)整參數(shù)，參數(shù)詳細(xì)，如表1、圖1所示。子系統(tǒng)調(diào)整完畢后，在Hyper?mesh軟件中對(duì)某乘用車前副車架數(shù)模進(jìn)行簡(jiǎn)化清理，為保證有限元計(jì)算精度，根據(jù)模型實(shí)際，取網(wǎng)格大小為5mm，副車架為拼焊件，按照實(shí)際情況定義各件之間的焊接方式，添加材料屬性，建立的有限元模型，如圖2所示。

表1 彈簧參數(shù)Tab.1 Spring Parameters

圖1 懸架減震器阻尼特性曲線和緩沖塊剛度曲線Fig.1 Damping Characteristic Curve and Damping Block Stiffness Curve of Suspension Shock Absorber

圖2 副車架有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Sub?Frame

前副車架有限元模型經(jīng)Nastran后處理器計(jì)算自由模態(tài)后輸出前副車架柔性體文件[3]，得到的自由模態(tài)結(jié)果為：一階彎曲模態(tài)為144.14Hz；二階彎曲模態(tài)為160.29Hz；二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)171.45Hz；四階彎扭組合模態(tài)198.44Hz。導(dǎo)入前副車架柔性體文件到Adams中得到柔性體前副車架并替換前懸架子系統(tǒng)的原副車架，在Ad?ams中計(jì)算得到的柔性體前副車架模態(tài)頻率為：一階彎曲模態(tài)為144.45Hz，二階彎曲模態(tài)為154.62Hz，二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)172.7Hz，四階彎扭組合模態(tài)207.89Hz。通過(guò)對(duì)比前副車架柔性體模態(tài)頻率和有限元模型模態(tài)頻率后確定柔性體模型正確。在Adams軟件中調(diào)用與實(shí)車匹配的控制臂柔性體，完成前懸架子系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?。?duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行裝配，得到整車剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚5～8]，如圖3所示。

圖3 整車剛?cè)狁詈夏Ｐ虵ig.3 Rigid Flexible Coupling Model of Vehicle

3 虛擬路面的建立

虛擬道路試驗(yàn)的邊界條件之一為路面不平度。根據(jù)企業(yè)《轎車以及微型車產(chǎn)品定型可靠性行駛試驗(yàn)規(guī)范》在某試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行路測(cè)時(shí)采用的路面為凹凸不平壞路（汽車進(jìn)行可靠性行駛試驗(yàn)的典型強(qiáng)化路面），道路總長(zhǎng)為3km，其路段構(gòu)成、各路段相關(guān)參數(shù)，如表2所示。

表2 路面參數(shù)Tab.2 Pavement Parameters（m）

采用Adams自帶道路編輯器按表2建立等效虛擬路面[9～10]，模擬實(shí)際路面不平度特征，以瀝青路連接各路段以及起點(diǎn)和終點(diǎn)組成滿足車輛耐久性試驗(yàn)要求的路面，其中瀝青路面摩擦系數(shù)為0.6。建立的虛擬扭曲路面和虛擬搓板路面以及試驗(yàn)場(chǎng)中對(duì)應(yīng)的實(shí)際路面，如圖4所示。

圖4 扭曲路和搓板路Fig.4 Twist Road and Washboard Road

4 虛擬道路試驗(yàn)與道路可靠性行駛試驗(yàn)

4.1 虛擬道路試驗(yàn)及仿真結(jié)果

虛擬道路試驗(yàn)[11?12]的另一個(gè)邊界條件為汽車行駛速度，企業(yè)《轎車以及微型車產(chǎn)品定型可靠性行駛試驗(yàn)規(guī)范》給出的汽車在各路段上的行駛速度，如表3所示。

表3 行駛速度Tab.3 Running Speed（km/h）

按照表3試驗(yàn)規(guī)范，整車剛?cè)狁詈夏Ｐ驮谔摂M試驗(yàn)場(chǎng)上進(jìn)行整車虛擬試驗(yàn)，試驗(yàn)里程為3km。仿真結(jié)束后，考慮到副車架在進(jìn)行臺(tái)架疲勞試驗(yàn)時(shí)，載荷加載在控制臂軸頭處，故提取圖5所示控制臂軸頭處硬點(diǎn)載荷譜，由于整車剛?cè)狁詈夏Ｐ驮诜抡鏁r(shí)，左右車輪受相同的激勵(lì)作用，故只提取其中一個(gè)軸頭處的載荷譜，且控制臂軸頭處受X、Y向激勵(lì)較小，對(duì)副車架疲勞影響不大，所以僅提取控制臂軸頭處Z向載荷譜，提取的載荷譜，如圖6所示。通過(guò)分析，可知控制臂軸頭處Z向所受載荷峰值為4856.33N。

圖5 前懸架子系統(tǒng)Fig.5 Front Suspension System

圖6 左控制臂軸頭處Z向載荷譜Fig.6 Z?Direction Load Spectrum at Left Control Arm Shaft Head

為了驗(yàn)證通過(guò)虛擬道路試驗(yàn)獲取的載荷譜的精確性，提取整車剛?cè)狁詈夏Ｐ洼喰奶幍募铀俣茸V作為對(duì)比參數(shù)，通過(guò)仿真獲取的左前輪輪心處Z向加速度譜，如圖7所示。

圖7 左前輪輪心Z向加速度Fig.7 Z Acceleration of Front Left Wheel Center

4.2 可靠性行駛試驗(yàn)

輪心加速度可以體現(xiàn)車輛在不同路面行駛過(guò)程中的振動(dòng)情況，對(duì)比通過(guò)實(shí)車道路試驗(yàn)采集到的輪心加速度時(shí)域信號(hào)與通虛擬道路試驗(yàn)獲取的輪心加速度時(shí)域信號(hào)，可以驗(yàn)證在仿真中獲取的載荷譜的精確性以及虛擬試驗(yàn)的有效性。在實(shí)車道路測(cè)試中，受車體結(jié)構(gòu)限制，輪心加速度時(shí)域信號(hào)不易獲取，故以前懸架左轉(zhuǎn)向節(jié)處作為等效測(cè)點(diǎn)安裝加速度傳感器，如圖8所示。

圖8 路試測(cè)試位置Fig.8 Test Drive Location

根據(jù)某企業(yè)《轎車及微型車產(chǎn)品定型可靠性行駛試驗(yàn)規(guī)范》，在某試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)某樣車進(jìn)行道路試驗(yàn)。使用LMS動(dòng)態(tài)采集設(shè)備采集輪心加速度譜，獲取該車型在典型強(qiáng)化路面上行駛時(shí)的輪心加速度譜。測(cè)取的左前輪輪心Z向加速度譜，如圖9所示。

圖9 左前輪輪心Z向加速度實(shí)測(cè)值Fig.9 Measured Value of Z?direction Acceleration of Left Front Wheel Center

5 虛擬試驗(yàn)有效性驗(yàn)證

5.1 功率密度譜分析理論

功率譜密度（PSD）[13]指在隨機(jī)載荷作用下系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，隨機(jī)振動(dòng)的功率頻譜密度乘以一個(gè)適當(dāng)?shù)南禂?shù)可以得到單位頻率振動(dòng)具有的功率，進(jìn)而得到功率譜密度與頻率間的關(guān)系曲線。通常采用傅立葉變換對(duì)隨機(jī)過(guò)程的周期信號(hào)進(jìn)行描述，通過(guò)對(duì)隨機(jī)過(guò)程的時(shí)域周期信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換可以將其轉(zhuǎn)換成正弦波信號(hào)。將周期為時(shí)間T的信號(hào)x(t)進(jìn)行傅立葉變換得到公式：

采集到的加速度信號(hào)為隨機(jī)信號(hào)，當(dāng)在時(shí)域上很難直接讀取隨機(jī)信號(hào)的相關(guān)信息時(shí)，可以通過(guò)傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)。在頻域上，通常以功率譜密度函數(shù)（PSD）來(lái)描述隨機(jī)信號(hào)的信息，其函數(shù)定義為：盡可能小的頻帶內(nèi)隨機(jī)變量的均方值除以帶寬，用公式表達(dá)如下：

式中：Wx(f)—功率譜密度；xΔf—頻域內(nèi)的隨機(jī)變量；Δf—帶寬。

5.2 功率譜密度分析

根據(jù)上述在仿真中獲取的輪心加速度譜與在道路可靠性試驗(yàn)中獲取的實(shí)測(cè)輪心加速度譜，結(jié)合功率譜密度分析理論，在Glyph?Works軟件中計(jì)算功率譜密度，計(jì)算結(jié)果，如圖10所示。

圖10 輪心垂向加速度譜功率譜密度曲線對(duì)比Fig.10 Comparison of Power Spectral Density Curve of Vertical Acceleration Spectrum of Wheel Center

根據(jù)圖10所示計(jì)算結(jié)果分析可知：實(shí)測(cè)加速度譜主要分布在50Hz 以下，三個(gè)主導(dǎo)頻率主要分布在（10～15）Hz、（20～25）Hz和（45～50）Hz三個(gè)區(qū)間內(nèi)，虛擬試驗(yàn)提取的加速度譜主導(dǎo)頻率也分布在這其中，且二者的每個(gè)主導(dǎo)頻率對(duì)應(yīng)的峰值都很接近?？梢耘袛嗵摂M道路試驗(yàn)具有有效性，通過(guò)試驗(yàn)提取的副車架安裝點(diǎn)載荷譜精度可靠。

6 結(jié)論

依據(jù)參數(shù)化建模法結(jié)合剛?cè)狁詈侠碚摻⒘伺c某車型匹配的整車剛?cè)狁詈夏Ｐ?，參照某汽車試?yàn)場(chǎng)地完成了可靠性行駛試驗(yàn)三維虛擬路面建模，通過(guò)虛擬道路試驗(yàn)提取了控制臂軸頭處載荷譜以及輪心加速度時(shí)域信號(hào)，通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行功率密度普分析以及對(duì)比驗(yàn)證了虛擬試驗(yàn)的有效性，間接驗(yàn)證了載荷譜精度?？偨Y(jié)了該方法與臺(tái)架等效試驗(yàn)相結(jié)合的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研發(fā)流程，對(duì)于企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)具有指導(dǎo)意義。

整車剛?cè)狁詈夏Ｐ秃涂煽啃孕旭傇囼?yàn)三維虛擬路面的建立，可以減少試驗(yàn)次數(shù)，降低試驗(yàn)成本，縮短研發(fā)周期，提高工作效率。研究結(jié)果表明，整車虛擬道路仿真的方法有效的解決了實(shí)車試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)受車身結(jié)構(gòu)限制的問(wèn)題，可以準(zhǔn)確提取汽車底盤零部件關(guān)鍵點(diǎn)載荷譜，為臺(tái)架等效試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)特性分析、有限元靜力分析以及疲勞壽命分析提供了更精確的理論依據(jù)，有效提高了計(jì)算精度。