基于虛擬隨機譜的汽車懸架耐久開發

蔡其剛，劉新，畢世勛，戴強

(1.寧波吉利汽車研究開發有限公司，浙江寧波 315336；2.合肥工業大學汽車與交通工程學院，安徽合肥 230009)

0 引言

在汽車的設計開發過程中,耐久性試驗是最為關鍵的環節之一,它既是檢驗產品是否滿足設計要求的有效途徑,又為進一步的修改和優化設計提供了參考。同時，隨著虛擬載荷譜技術的不斷發展，以及試驗設備的不斷升級完善，汽車在室內開展虛擬隨機譜耐久試驗又將迎來一次突破性的進展,本文作者對虛擬隨機譜試驗在汽車懸架耐久性領域的應用進行了詳細的分析介紹,為汽車懸架虛擬隨機譜耐久性試驗的深入研究打下扎實的基礎。

1 乘用車底盤懸架耐久性能虛擬隨機譜試驗方法

工程人員運用虛擬隨機譜進行疲勞試驗時會自然地要求作用在試件上的隨機過程的臺架響應譜(Response Spectrum，RSP)與預期的隨機過程的原始目標譜(Destination Spectrum，EDT)盡可能一樣。這個問題就是按指定的RSP來驅動試驗系統進行加載。當試驗系統存在明顯的模型誤差時，要按指定的RSP來模擬載荷譜就十分困難。因為給系統輸入一個RSP，則這個RSP不但受到系統傳遞函數的加權，而且還受到模型誤差的干擾。由于試驗系統已經固定，所以還需要用到一些先進的濾波方法(如維納濾波、卡爾曼濾波等)來消除系統的模型誤差以達優化系統的目的。

1.1 虛擬隨機譜原理

為解決汽車懸架系統的疲勞耐久性能評估，近年來，很多工程人員及學者對此進行了大量的分析與研究[5]。而隨機譜是汽車先進開發和耐久性評價的核心基礎，它可為汽車耐久性試驗和評價提供依據。

傳統的隨機譜[1-4]，是通過使用實車在試驗場進行實車采集得來。這種信號受外界及個體的干擾較大(如車速、發動機懸置及懸架襯套參數等)。而虛擬隨機譜，首先將試驗場的路面特征進行掃描，并輸入到CAE軟件中，作為虛擬樣車基于虛擬路面的激勵信號。然后將虛擬樣車輪心及各關鍵受力點的響應信號采集下來。稱之為虛擬隨機(載荷)譜。該信號的穩健性遠優于實車采集信號。

1.2 虛擬載荷譜輸入參數

CAE部門通過Adams軟件，模擬實車在道路上的運行情況，將輪心及各個零部件的受力情況進行虛擬采集。涉及的輸入參數包括整車質量，前后軸荷，簧下質量，質心坐標，轉動慣量，硬點，前后懸架襯套、彈簧、減震器、穩定桿參數，發動機、變速器、驅動電機參數，轉向系統參數，輪胎參數及四輪定位參數等。圖1為某雙橫臂前懸架減震器的阻尼力曲線。圖2為基于結構動力學的輪胎模型，其幾何結構包含鋼絲層、胎體、胎面外輪廓，最大半徑，動態滾動周長等[6]。

圖1 某雙橫臂前懸架減震器的阻尼力曲線

圖2 輪胎模型

1.3 虛擬隨機譜輸出參數

虛擬隨機譜仿真輸出結果，主要包括Strength Load，Chassis rig Load，Body Rig Load。

表1為底盤懸架系統耐久循環工況(部分)。

表1 底盤懸架系統耐久循環工況(部分)

2 懸架系統臺架耐久試驗方法

試驗需要借助專門的12通道試驗設備方能開展，針對主動懸架系統，如果試驗過程中需要體現主動懸架功能，還需要提供空氣彈簧壓力實時監測系統及CCD主動減震器供電系統。文中以被動懸架系統為例進行說明。

2.1 試驗樣件的標定

貼片標定[1]，是支持試驗開展的基礎。以前懸架為例，通常需要標定的點包括：上擺臂球心、下擺臂球心、轉向橫拉桿(僅軸向力)、穩定桿連接桿(僅軸向力)、左右減震器(僅軸向力及軸向位移)，輪心處六分力設備(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)，無需單獨貼片。圖3為某雙橫臂前懸架穩定桿連桿貼片標定樣件及標定結果。

圖3 穩定桿連桿貼片及標定結果

2.2 臺架對標

臺架對標的目的是指按curb+2、curb+5及RTL(Rig Test Load,)配載后，與理論分析的輪心位置點進行擬合，并將對應擬合點的輪心6分力及其他貼片點對應的力值提取出來，然后提供給CAE工程師，以便進一步修正CAE模型。

2.3 虛擬隨機譜RLD(Road Load Data)更新

CAE工程師根據試驗工程師提供的對標信號更新虛擬隨機譜，再次輸出給試驗工程師。

對標信號主要包括垂向靜態工況、垂向動態工況、垂向脈沖工況、縱向靜態工況、縱向脈沖工況等。以垂向靜態工況為例(懸架上跳70.4 mm)，圖4為輪心Z向力更新前對比，圖5為輪心Z向力更新后對比。

圖4 輪心Z向力更新前對比結果

圖5 輪心Z向力更新后對比結果

2.4 試驗迭代

臺架初始載荷對于試驗的迭代非常重要，一般從六分力載荷、壓縮量位移、彈簧應變3個維度來保證。

圖6為Iteration@curb+2的輪心Z向載荷，左側5 620 N，右側5 660 N。與臺架試驗初始位置輪心Z向載荷(5 641 N)基本維持一致。

圖6 輪心Z向載荷

按設定力矩等參數裝配好的懸架系統通過試驗夾具與道路模擬試驗臺(如MTS 329)固聯。試驗系統通過12通道作動缸將激勵作用在試件上，通過試驗系統內部的反復迭代過程，使得試件上承受的響應譜RSP與目標譜EDT盡可能趨于一致(即最優解)。

2.5 迭代結果損傷統計

通過計算每條路面的損傷，然后乘以相應的循環系數得到總的損傷，最后與目標信號的總損傷進行對比，得到總損傷的占比圖，這是衡量迭代結果的重要參數。

表2為響應信號與目標信號的總損傷統計表，所有通道均在50%～200%之間，重要通道維持在80%～120%之間，滿足迭代要求。

表2 響應信號與目標信號的總損傷對比

續表2

2.6 試驗的開展

將正式用于設計驗證的懸架系統樣件按技術要求安裝在試驗臺架上(如MTS329)，并將左右輪心舉到臺架試驗要求的初始位置，然后各襯套連接螺栓按技術要求進行打緊，并記錄相關力矩及轉角。將上述的迭代結果作為試驗驅動，按項目要求的試驗循環進行耐久試驗。試驗過程中需要定時檢查各樣件狀態，并做好相關記錄。

圖7為某雙橫臂前懸架在MTS329道路模擬試驗臺上的測試圖片。

2.7 試驗結果

(1) 殘余力矩測試。

表3為試驗前后力矩記錄結果(部分)。

圖7 某雙橫臂前懸架測試

表3 試驗前后力矩記錄結果(部分)

(2)故障信息記錄

試驗結束后，除了詳細記錄每個連接點的力矩信息外，更需要對每個被驗證件進行仔細觀察、測量記錄，并拍照留存。圖8為試驗100%結束后，檢查發現的前副車架開裂部位。

圖8 前副車架開裂部位

3 結論

(1)通常情況下，虛擬隨機譜進行臺架試驗的主要步驟為：關鍵零部件標定→搭建試驗臺架進行載荷對標→根據對標結果更新虛擬隨機譜→臺架迭代→更換新件進行臺架試驗。

(2)通過12通道系統臺架測試，發現副車架等結構件的薄弱點與前期CAE仿真結果基本吻合。進一步驗證了用虛擬隨機譜驗證懸架結構件耐久性能的可信度。

(3)通過12通道系統臺架測試，驗證了底盤懸架各個螺栓連接點的力矩衰退情況，快速驗證并識別理論計算軸力的準確度，提前為后續的整車道路驗證識別了風險。