基于道路載荷譜的汽車下橫臂疲勞試驗

曹宏偉

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

隨著用戶對汽車安全性和可靠性需求的日益增加，汽車零部件的疲勞強(qiáng)度已成為汽車產(chǎn)品品質(zhì)的重要因素，因而臺架試驗在車輛設(shè)計和開發(fā)過程中也發(fā)揮著不可或缺的作用。得益于現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，試驗方法也從以前的程序加載發(fā)展到目前廣泛應(yīng)用的實時模擬加載[1]。文章采用道路模擬和臺架試驗相結(jié)合的方式，利用雙通道加載，基于實車道路載荷譜完成對汽車前懸架下橫臂疲勞強(qiáng)度的考核。該方法對研究汽車下橫臂在麥弗遜等類型懸架的載荷傳遞上具有重要的意義，并且在對其疲勞強(qiáng)度的評價上更加客觀真實。

1 道路載荷譜的獲得

文章主要研究對象為某國產(chǎn)車型前懸架下橫臂，如圖1所示。按照試驗流程首先要進(jìn)行應(yīng)變片的安裝調(diào)試及獲得實際道路的載荷譜。

圖1 某國產(chǎn)車型前懸架下橫臂

1.1 應(yīng)變片布置

對于汽車用麥弗遜式懸架，下橫臂連接副車架、轉(zhuǎn)向節(jié)及減振機(jī)構(gòu)。路面對車輪的垂直載荷依次通過轉(zhuǎn)向節(jié)、下球頭銷、下橫臂及減振機(jī)構(gòu)傳遞到車身和車架上；而縱向力、側(cè)向力與力矩均由轉(zhuǎn)向節(jié)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及下橫臂和球頭銷傳遞。由于文章中雙通道加載只涉及到縱向力和側(cè)向力，因而經(jīng)過分析以及考慮貼應(yīng)變片的可行性和方便性，選擇在下橫臂工藝孔及翻邊處布置應(yīng)變片。如圖2所示，下橫臂上應(yīng)變測量位置共7處，其中1和2處位置為全橋連接；3，4，6，7處位置為半橋連接；5處為1/4橋單片連接測量。

圖2 汽車下橫臂應(yīng)變片安裝位置

1.2 道路載荷譜采集

試驗場采集路譜的行駛規(guī)程及路段的選擇應(yīng)具有代表性，能重現(xiàn)汽車實際使用中的重要事件，使測得的載荷歷程具有典型性、概括性及集中性[2]。因此，本次載荷譜數(shù)據(jù)采集試驗選擇北京通州試車場8字路、卵石路、輕比利時路及扭曲路等典型路段。各個路段的比例應(yīng)能夠保證所選的試驗場路段總和的路譜雨流矩陣與用戶目標(biāo)使用路面的路譜雨流矩陣一致。

本次數(shù)據(jù)采集設(shè)備為LMS公司的SCADAS Mobile便攜式數(shù)據(jù)采集器，采集軟件為LMS.TestLab。每種路面載荷信號采集3次，選取最優(yōu)數(shù)據(jù)。由于路面過多，無法全部列舉，僅以輕比利時路為例進(jìn)行說明，該路面主要由方形石塊組成。圖3示出最終得到的輕比利時路面載荷信號數(shù)據(jù)。

圖3 輕比利時路面載荷數(shù)據(jù)顯示界面

2 標(biāo)定及通道選取

2.1 試驗臺架搭建

為滿足雙通道加載需求，利用2個MTS公司生產(chǎn)的液壓線性作動缸作為加載輸入。在固定方式上，充分考慮實際裝配情況，利用批量狀態(tài)的螺栓按照實際裝車扭矩將前懸橫梁固定在夾具上。下橫臂同樣以實車狀態(tài)安裝在前懸橫梁上，加載點采用連桿吊裝方式，連桿兩端由球鉸連接。2個作動器分別通過換向裝置，將加載力分別傳遞到加載位置，按照整車坐標(biāo)系，分別為X向加載和Y向加載。試驗臺架及加載方向，如圖4所示。

圖4 汽車下橫臂雙通道加載試驗臺加載方向示意圖

2.2 標(biāo)定及有效信號通道選取

為了降低后期迭代難度及提高迭代效率，文章選取了2個通道作為后期迭代信號。具體步驟為：1）在臺架上分2次在每個方向分別單獨加載一個±4 kN的正弦波作為信號標(biāo)定，得到的全部通道響應(yīng)信號，如圖5所示；2）考慮到后期信號迭代收斂問題，最終選取的2個通道必須具備X與Y向標(biāo)定加載響應(yīng)相關(guān)性較低的特征，即選擇一個X向響應(yīng)大同時Y向響應(yīng)較小的通道，和一個與之相反（Y向響應(yīng)大且X向響應(yīng)小）的通道。根據(jù)篩選，最終確定選取3號通道與6號通道作為迭代信號。

圖5 標(biāo)定載荷下7個通道響應(yīng)信號顯示界面

3 數(shù)據(jù)迭代及試驗

要實現(xiàn)零部件在室內(nèi)試驗臺架上再現(xiàn)汽車試驗場上試驗，其核心要求就是室內(nèi)試驗臺架作動器給樣車的激勵等效于試驗場路面激勵，從而使樣件的響應(yīng)信號相同[3]。

3.1 遠(yuǎn)程參數(shù)控制（RPC）技術(shù)

RPC理論的基礎(chǔ)為現(xiàn)代控制理論，可以把數(shù)控模塊、液壓伺服作動器、被試車樣件、加載機(jī)構(gòu)及檢測單元看成一個汽車試驗臺架系統(tǒng)。這個系統(tǒng)由許多環(huán)節(jié)組成。從系統(tǒng)動力學(xué)的觀點來分析它的輸入與輸出關(guān)系，臺架系統(tǒng)可以用一個傳遞函數(shù)矩陣H（t）或H（f）的線性系統(tǒng)來描述。把試件的響應(yīng)信號Y（t）作為臺架系統(tǒng)的輸出，把推動作動器的驅(qū)動信號X（t）作為臺架系統(tǒng)的輸入。汽車試驗臺架系統(tǒng)的輸入、輸出及作動器的數(shù)目相等。臺架試驗系統(tǒng)輸入與輸出的數(shù)學(xué)矩陣模型以頻響函數(shù)（FRF）的形式來表現(xiàn)。對于試驗系統(tǒng)的頻響函數(shù)，可以通過白噪聲信號激勵來獲得白噪聲響應(yīng)，從而可以獲得整個試驗系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型FRF。如果將試驗場所得的路譜信號作為目標(biāo)信號，通過反運算即可得到需要的驅(qū)動信號。RPC采用離線迭代的計算方法逐步修正激勵信號，使系統(tǒng)的響應(yīng)信號趨近目標(biāo)信號。

3.2 數(shù)據(jù)迭代及試驗過程

1）原始數(shù)據(jù)處理。將前面選取的2個通道的數(shù)據(jù)導(dǎo)入RPC軟件中，并將各個路面的實際響應(yīng)信號進(jìn)行編輯及處理，諸如過渡路面的刪除、去除尖峰、溫度漂移校正及50 Hz低通濾波等。經(jīng)過這個過程得到的路譜即為下橫臂在試驗臺架系統(tǒng)上再現(xiàn)的路面振動的理想響應(yīng)信號（Y0（t））。

2）系統(tǒng)頻響函數(shù)FRF（即H）的測定和分析。用隨機(jī)的白噪聲信號驅(qū)動道路模擬試驗臺架系統(tǒng)并記錄響應(yīng)信號，以計算出整個試驗系統(tǒng)（包括電液伺服臺架試驗系統(tǒng)和被試驗對象）的響應(yīng)與激勵之間的頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣。

3）初始驅(qū)動信號（X0（t））的估計：根據(jù)第2）步得到的H和第1）步得到的Y0（t），按照X0（t）=H-1Y0（t）得出X0（t）的估計值。

4）驅(qū)動信號的迭代修正。整個試驗系統(tǒng)（包括試驗臺架、液壓作動器、樣件及測量系統(tǒng)等）存在一定程度上的非線性，使得根據(jù)線性系統(tǒng)假設(shè)計算得到的激振信號去激勵系統(tǒng)時，得到的響應(yīng)和期望目標(biāo)響應(yīng)之間存在很大的誤差。為了消除非線性的影響，需要通過迭代的計算方法逐步修正激振信號，使系統(tǒng)的響應(yīng)信號趨近目標(biāo)信號[4]。

輕比利時路面6號位置經(jīng)過迭代后得到的響應(yīng)信號（藍(lán)色）與原始載荷譜信號（黑色）之間的比較，如圖6所示。從圖6可見，2個信號基本重合，各波峰波谷值也基本一致，迭代結(jié)果較好。圖7示出最終求得的輕比利時路面X向和Y向線性作動缸的激勵信號，以此信號作為激勵，對樣件同時進(jìn)行X向與Y向的加載可完成輕比利時路面的道路模擬。

圖6 輕比利時路面迭代后響應(yīng)信號與原始載荷譜信號比較顯示界面

圖7 輕比利時路加載激勵信號顯示界面

5）進(jìn)行臺架模擬試驗。將迭代完所有路面得到的激勵信號根據(jù)相應(yīng)的道路考核行駛規(guī)范編制成程序譜，以程序載荷譜驅(qū)動臺架系統(tǒng)進(jìn)行該零部件的耐久性試驗，直到完成其規(guī)定的試驗歷程。

4 結(jié)論

對前懸架下橫臂進(jìn)行疲勞耐久試驗對汽車的行駛安全性意義重大，尤其是對經(jīng)常在路況差的路面上行駛的車輛更是如此。本研究基于實車道路載荷譜，利用RPC技術(shù)并采用雙通道加載，盡可能地模擬出下橫臂在實車道路試驗中的受力狀態(tài)，對樣件的疲勞耐久性考核更加趨于實際應(yīng)用。提出了關(guān)于零部件耐久性試驗方案的一種思路，可供在其他零部件疲勞試驗評價中參考。在具體的試驗過程中，還有一些環(huán)節(jié)可以進(jìn)一步完善，如應(yīng)變安裝點的選擇及試驗臺架工裝的優(yōu)化設(shè)計等，這都是以后需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。