乘用車懸架系統(tǒng)臺架試驗研究

張芝川，李 論，孫 微，田 陽，杜 書

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，吉林長春130013）

0 引言

汽車懸架系統(tǒng)是指車身以及輪胎之間的彈簧和避震器等構(gòu)件組成的整個車體的支持系統(tǒng)，包括彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和減震器。它的主要任務(wù)在于減輕由不平路面?zhèn)鱽淼膭虞d荷以保證汽車必要的行駛平順性，同時傳遞作用在車輪和車架 （車身）之間的各種力 （垂直力、縱向力和橫向力）和轉(zhuǎn)矩 （制動轉(zhuǎn)矩及反作用轉(zhuǎn)矩）。對于汽車，這樣重要的系統(tǒng)必須進(jìn)行試驗，確保產(chǎn)品的品質(zhì)，保證行駛安全。

由于懸架系統(tǒng)的組成零件較多，而且裝配和安裝的尺寸精度要求較高。目前，針對汽車懸架系統(tǒng)的臺架試驗主要是對懸架系統(tǒng)中的主要零部件單獨進(jìn)行試驗且大多以單項加載為主，與實車狀態(tài)下懸架系統(tǒng)復(fù)雜的受力情況相差較大，導(dǎo)致臺架的失效形式與實際失效形式不一致，無法真正起到檢驗產(chǎn)品的作用。整車道路試驗和整車臺架試驗只能對懸架系統(tǒng)進(jìn)行簡單的耐久試驗且成本較高，因此在試驗室內(nèi)進(jìn)行整部懸架系統(tǒng)的試驗研究受到了國內(nèi)外汽車工程界的普遍重視。

1 懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點

如圖1所示，某車型的前懸架系統(tǒng)由螺旋彈簧、減震器、下擺臂、橫向穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向器、副車架等組成。螺旋彈簧套在減震器上，橫向穩(wěn)定桿固定在副車架上用來提高車輛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向器安裝在副車架上，副車架的作用是提高車輛的舒適性以及懸架系統(tǒng)的剛度。該懸架系統(tǒng)的特點是結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、非簧載質(zhì)量小，擁有良好的響應(yīng)性和操控性。

圖1 前懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 試驗臺架的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計

乘用車懸架系統(tǒng)試驗臺主要組成部分包括試驗加載部分和控制部分，可以用于汽車懸架系統(tǒng)及其零部件的靜態(tài)、動態(tài)力學(xué)性能評價試驗。

2.1 試驗臺的功能介紹

根據(jù)需要，該懸架系統(tǒng)試驗臺可以用于汽車懸架系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)力學(xué)性能評價試驗，包括高低周疲勞及模擬實際工況試驗；也可以進(jìn)行多通道、道路載荷譜加載的乘用車懸架系統(tǒng)道路模擬臺架試驗；還可以通過變換試驗臺架的夾具進(jìn)行懸架系統(tǒng)中不同部件的試驗，例如副車架、減震器、螺旋彈簧、控制臂、橫向穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向器等。

2.2 試驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2所示，該懸架系統(tǒng)試驗臺包括試驗加載部分和控制部分。試驗加載部分包括鐵地板、鐵龍門架、支撐固定裝置、橫向加載裝置、縱向加載裝置、垂向加載裝置、綜合加載體以及懸架系統(tǒng)。其特征在于：鐵龍門架、支撐固定裝置、橫向加載裝置、縱向加載裝置以及垂向加載裝置通過螺栓與T形螺母的配合被固定在鐵地板上，懸架系統(tǒng)固定在支撐固定裝置上，垂向加載裝置固定在鐵龍門架上，橫向加載裝置通過關(guān)節(jié)軸承與綜合加載體的下部加載座連接，縱向加載裝置通過關(guān)節(jié)軸承與綜合加載體的側(cè)部加載座連接，垂向加載裝置通過關(guān)節(jié)軸承與綜合加載體的上部加載座連接；綜合加載體固定在懸架系統(tǒng)上。

圖2 懸架系統(tǒng)試驗臺三維圖

支撐固定裝置包括雙面固定座、橫板、減震器連接夾具、前連接夾具、中連接夾具、后連接夾具。其中雙面固定座通過螺栓固定在鐵地板上，橫板通過T形地腳塊固定在雙面固定座上，懸架系統(tǒng)通過各連接夾具與橫板相連接；雙面固定座的兩面有T形凹槽，橫板沿著T形槽上下移動；懸架系統(tǒng)中的減震器用減震器連接夾具固定，懸架系統(tǒng)的主體用前連接夾具、中連接夾具、后連接夾具固定，然后前連接夾具、中連接夾具、后連接夾具被固定在橫板上。

橫向加載裝置包括加載作動器、固定座、作動器懸掛裝置、作動器升降裝置。加載作動器的后端通過連接板固定在固定座上，前端通過連接桿與關(guān)節(jié)軸承相連接，關(guān)節(jié)軸承的球頭部通過銷子與綜合加載體相連接；作動器懸掛裝置可以防止加載作動器因墜落而導(dǎo)致的損壞，還可以減少加載作動器中主缸所受的側(cè)向力從而增加其壽命。作動器升降裝置與作動器懸掛裝置的配合可以在沒有天車的情況下調(diào)整加載作動器的高度。

縱向加載裝置的結(jié)構(gòu)與橫向加載裝置的結(jié)構(gòu)完全相同，包括加載作動器、固定座、作動器懸掛裝置、作動器升降裝置，只是與綜合加載體的連接位置不同。

垂向加載裝置包括加載作動器、連接桿、關(guān)節(jié)軸承；加載作動器的后端通過連接板固定在鐵龍門架的橫梁上，前端與加載過渡板連接，連接桿的一端固定在加載過渡板上，另一端通過關(guān)節(jié)軸承與綜合加載體連接；其中連接桿為兩個并且相互平行。

綜合加載體的尺寸與懸架系統(tǒng)的輪輞尺寸匹配。鐵地板上設(shè)有放T形螺母的T形槽。綜合加載體與加載作動器之間巧妙地運用了關(guān)節(jié)軸承與連接桿的配合，這樣可以使綜合加載體達(dá)到完全機(jī)械解耦，消除運動耦合的影響。試驗加載部分為中間平面左右相互對稱結(jié)構(gòu)。

如圖3所示，控制部分采用Moog公司裝有MiTS基礎(chǔ)功能軟件和Replication載荷譜迭代軟件的控制器。該控制器能與試驗機(jī)構(gòu)中的橫向加載作動器、縱向加載作動器、垂向加載作動器共6個加載作動器相連。控制器可以分別或者同時控制6個作動器；也可以結(jié)合在試驗場采集的懸架系統(tǒng)載荷數(shù)據(jù)，通過白噪聲求取傳遞函數(shù)，再由軟件進(jìn)行多次迭代得到試驗驅(qū)動信號，控制器根據(jù)驅(qū)動信號驅(qū)動6個加載作動器，進(jìn)而進(jìn)行多通道、道路載荷譜加載的乘用車懸架系統(tǒng)道路模擬臺架試驗。

圖3 試驗臺控制器

3 懸架系統(tǒng)的特性試驗

3.1 試驗條件及試驗方法

按表1所示參數(shù)進(jìn)行前懸架系統(tǒng)向上靜強(qiáng)度試驗。

表1 前懸架系統(tǒng)向上靜強(qiáng)度試驗參數(shù)

評價指標(biāo)：依據(jù)一汽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q／CACDC-01.1-2013《乘用車前懸架系統(tǒng)臺架試驗第1部分：試驗方法》與Q／CACDC-01.2-2013《乘用車前懸架系統(tǒng)臺架試驗第2部分：評價指標(biāo)》：

加載到49.65 kN后，不出現(xiàn)影響功能的變形、裂紋。

加載到49.65 kN后，各緊固件的剩余力矩應(yīng)在初始力矩的70%以上。

環(huán)境條件：環(huán)境溫度應(yīng)為 （20±15）℃，環(huán)境濕度應(yīng)為（65%±20%） RH。

試驗設(shè)備及儀器見表2。

如圖4所示，以懸架系統(tǒng)試驗臺的試驗加載部分代替白車身、車輪等樣件模擬實車狀態(tài)，其余樣件按實車狀態(tài)組裝成前懸架系統(tǒng)。搭建臺架時先把鐵龍門架、支撐固定裝置通過螺栓與T形螺母的配合固定在鐵地板上，再把懸架系統(tǒng)固定在支撐固定裝置上，把綜合加載體固定在懸架系統(tǒng)上，把垂向加載裝置固定在鐵龍門架上，最后把垂向加載裝置的加載作動器與綜合加載體連接。再把控制部分與試驗加載部分的2個加載作動器用數(shù)據(jù)線連接在一起。各連接處螺栓均按照實車裝配要求的扭矩中間值扭緊并記錄扭緊力矩值。控制部分根據(jù)加載程序通過控制加載作動器的伺服閥開度使加載作動器對懸架系統(tǒng)進(jìn)行加載，將兩個加載作動器均調(diào)整到設(shè)計載荷位置 （6.015 kN）；然后一個加載作動器采用位移控制保持位置不變，另一加載作動器采用載荷控制對樣件施加Z+向載荷，按給定的試驗參數(shù)進(jìn)行加載、卸載，記錄加、卸載過程中載荷與變形的數(shù)據(jù)，繪制載荷與變形的關(guān)系曲線。試驗結(jié)束后檢查并記錄各緊固件的剩余力矩值。

表2 試驗設(shè)備及儀器儀表

圖4 前懸架系統(tǒng)向上靜強(qiáng)度試驗裝置

3.2 試驗結(jié)果與分析

從表3可知：加載到49.65 kN后，2套前懸架系統(tǒng)均未出現(xiàn)影響功能的變形、裂紋。

表3 前懸架系統(tǒng)向上靜強(qiáng)度試驗結(jié)果

從圖5可知：加載到49.65 kN后，各緊固件的剩余力矩都在初始力矩的70%以上。

所以，該懸架系統(tǒng)向上靜強(qiáng)度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖5 前懸架系統(tǒng)向上靜強(qiáng)度試驗曲線

4 結(jié)論

通過對乘用車懸架系統(tǒng)試驗臺架的研究，結(jié)合試驗室的實際需求，成功設(shè)計出了乘用車懸架系統(tǒng)試驗臺。該試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，支撐固定裝置可調(diào)性比較大，采用夾具與懸架系統(tǒng)連接的方式，可以通過調(diào)整或更換夾具的方法使大多數(shù)乘用車的前、后副車架被固定住。各組成結(jié)構(gòu)采用拼裝式結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計了專用升降裝置，預(yù)留了多個吊繩懸掛孔，組裝、調(diào)整以及拆卸都非常方便。此結(jié)構(gòu)通用性強(qiáng)，可調(diào)性強(qiáng)，且其結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工裝減重以及安裝過程簡單易行，從而降低了對試驗臺搭建人員的能力要求與勞動強(qiáng)度。目前該試驗臺已在某公司底盤試驗室安裝并投入使用。該臺架已申請國家專利4項，其中2項已獲得授權(quán)。通過懸架系統(tǒng)的特性試驗獲取了前懸架系統(tǒng)向上靜強(qiáng)度試驗結(jié)果，為某車型產(chǎn)品開發(fā)提供了試驗依據(jù)，并且為下一步開發(fā)懸架系統(tǒng)提供了可借鑒的數(shù)據(jù)。