乘用車懸架系統道路模擬試驗技術

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總院；汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室）

室內道路模擬試驗不受天氣、人力及場地因素影響，在室內又能夠方便地進行一些研究和解決發現的實際問題，因此道路模擬試驗在產品開發中占有重要地位。目前，室內道路模擬試驗主要是指整車道路模擬試驗，整車道路模擬試驗是對整車可靠性的綜合試驗，若單獨考核和研究懸架系統，進行整車道路模擬試驗成本較高，采用試車場測試周期較長。文章針對此問題，對懸架系統的道路模擬試驗進行了研究。

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所受的載荷較小，產生塑性變形的趨勢也比較小，屬于高周疲勞范疇，故采用Miner 理論對各級應力循環造成的損傷進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的疲勞壽命后，就可以判斷各零部件的臺架模擬迭代結果和實際試車場路試結果的損傷誤差。

2 載荷譜采集

懸架在整車結構上處于車輪與車身之間，功能上承載著乘客、車身、發動機、變速箱等質量，同時在道路行駛中直接承受著地面對車輪的作用力。當汽車在路面上行駛時，車輪所受的力可以分解為垂直力、側向力、縱向力、側向彎矩、制動力矩、轉向彎矩6 個分力或力矩[2]。所以為了采集較為精準的懸架系統道路載荷譜，需要根據懸架結構和關注部件的不同，選擇合適量程和精度的傳感器合理安裝在目標車輛上。其中，信號采集點的選擇原則通常為：

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

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

以要進行試驗的懸架系統為對象，部分測試通道信息，如表1 所示。

表1 某懸架系統測試通道信息

另外，為了保證載荷譜數據的準確性和有效性，還要防止采集到的數據發生信號混淆現象，所以數據采集頻率必須滿足采樣定理[3]。根據實際情況，結合采樣定理，最終選定試驗數據采集頻率為512 Hz。

3 數據處理

采回的懸架系統載荷譜數據不能直接作為臺架試驗的期望響應信號，必須加以編輯和處理，具體步驟如下：

1）數據檢查，剔除異常信號，去除趨勢項；

2）對信號進行頻域分析，濾除因干擾噪聲等引起的高頻信號；

3）去除試驗場過渡路載荷信號，保留典型路況載荷信號；

4）對5 個循環數據進行疲勞損傷計算，選取可靠度為50%的損傷樣本，作為道路模擬試驗迭代目標信號（疲勞損傷計算時可以應用斜率k=5 的疲勞壽命曲線）。

4 固定反力式裝置設計和試驗臺架建立

懸架系統道路模擬試驗的約束方式一般有慣性載荷反應式和固定載荷反應式2 種。慣性載荷反應式的約束方式是指懸架系統直接固定在車身或車架上，雖然懸架系統會獲得良好的響應，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式的約束方式進行懸架道路模擬試驗。這就需要設計一套固定懸架系統的反力式裝置。在認真考慮懸架系統與反力固定裝置的連接剛度匹配和對其進行強度、通用性的研究后，設計整個反力固定裝置包括基座、鐵地板、龍門和一些調整支架。通過后期的試驗證明，該固定裝置不僅強度和剛度滿足試驗要求，而且可以針對不同的懸架系統進行道路模擬試驗。其3D 設計示意圖，如圖1 所示。基于軸耦合道路模擬機和設計制作完成后的懸架固定裝置，結合某乘用車后懸架系統，建立了懸架系統道路模擬試驗臺，如圖2 所示。

圖1 懸架系統道路模擬試驗反力固定裝置設計3D 示意圖

圖2 某懸架系統道路模擬試驗臺

5 模擬迭代過程和驅動信號迭代

5.1 迭代過程

懸架系統道路模擬試驗的迭代過程和方法與整車道路模擬試驗的基本一致，都是為了精準復現在試車場所采集的載荷數據。在迭代前，需要對試驗系統的電控參數進行調節，然后獲取系統傳遞函數，求解逆函數，再對目標信號進行非方陣迭代，設置迭代增益系數，最后生成驅動信號。

5.2 迭代算法和結果對比

驅動信號迭代算法是模擬迭代的關鍵所在。如果被試系統為線性不變的系統，將系統定義為一個多輸入、多輸出的振動響應系統，應用RPC 軟件生成一個寬頻帶的白噪信號對新組建的系統進行輸入，定義為X，得到系統的響應信號，定義為Y，頻響函數矩陣定義為H，則有：

由式（1）求得：

式中：X-1——驅動信號傳遞函數矩陣的逆矩陣；

H-1——系統頻響函數矩陣的逆矩陣。

定義最終的期望響應信號為Y1（t），經傅里葉變換可得：

定義頻域初始驅動信號為X0，令：

則有：

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

式中：?——迭代增益（迭代過程中要根據臺架響應誤差不斷調整）。

模擬精度的評價通常采用期望響應與響應信號均方根（Root Mean Square，即RMS）的相對誤差進行評價，理論上要求控制點模擬迭代RMS 差小于10%。但在懸架系統道路模擬的實際應用中，由于車身約束方式與實際不一致，通常需要六分力、懸架相對車身位移及懸架零部件內部載荷共同作為控制點一起模擬迭代，一般控制點模擬迭代的RMS 平均值在20%以內即可終止迭代。以本次進行試驗的懸架系統為對象，其在某路況下的部分控制點模擬迭代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

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

6 試驗結果

根據目標車輛在試車場道路試驗中出現的問題，并結合CAE 計算分析的結果，對零部件高應力區噴涂裂紋顯影劑進行觀察，在室溫條件下，對懸架系統進行道路模擬試驗。結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中出現的問題一致，證明了該方法的精準性。

7 結論

文章從提出一種懸架系統道路模擬試驗方法入手，對懸架系統道路模擬試驗進行研究，結果表明：

1）Miner 理論是成功進行懸架道路模擬試驗的理論基礎，可以用于文章的試驗驗證；

2）文章設計的懸架道路模擬固定裝置拆裝方便、強度高、通用性好，可以根據不同車型的懸架結構形式進行調整；

3）通過對比懸架道路模擬試驗與整車在試車場的道路試驗的結果，得出二者的懸架系統的試驗結果一致，表明應用懸架道路模擬試驗系統就可以很好地完成懸架系統的耐久性驗證，從而縮短了懸架系統的驗證周期，節約了試驗成本。