乘用車懸架總成道路模擬試驗(yàn)迭代方法研究

于長(zhǎng)清 巫洋 孫 野

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)能夠快速有效的實(shí)現(xiàn)車輛耐久性評(píng)價(jià)，因此在汽車行業(yè)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到整車、子系統(tǒng)耐久試驗(yàn)中，道路模擬試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)樣品的運(yùn)動(dòng)狀況，通常可以分為慣性載荷反應(yīng)和固定載荷反應(yīng)2種[1-2]。在慣性載荷反應(yīng)試驗(yàn)中，車輛與設(shè)備通過輪軸或輪胎連接，車身（懸掛質(zhì)量）可以在懸架部件約束下自由運(yùn)動(dòng)，對(duì)于這種約束方式試驗(yàn)，以軸頭六分力為目標(biāo)迭代，懸架及車身能夠獲得與實(shí)際道路相一致的載荷。在固定反應(yīng)載荷試驗(yàn)中，車身或車架通過夾具與設(shè)備基礎(chǔ)平板固定連接，由于改變了車身（懸掛質(zhì)量）的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，作用懸架上的車身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與實(shí)際道路不同，這種車身約束方式進(jìn)行懸架總成耐久試驗(yàn)，如仍以軸頭六分力為目標(biāo)迭代，能否及如何實(shí)現(xiàn)懸架部件臺(tái)架與實(shí)際道路相一致的載荷，文章進(jìn)行了迭代方法研究。

1 懸架總成道路模擬試驗(yàn)方法概述

懸架總成道路模擬試驗(yàn)是通過在試驗(yàn)車輛懸架部件安裝各類傳感器并在特定道路上采集載荷譜，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，包括時(shí)域分析、頻域分析、加速處理，確定期望響應(yīng)信號(hào)，然后在軸耦合道路模擬系統(tǒng)上通過迭代控制技術(shù)還原期望響應(yīng)信號(hào)并獲取試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，最后利用驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行懸架道路模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)方法流程如圖1所示。

圖1 懸架總成道路模擬試驗(yàn)方法流程

2 懸架總成道路模擬試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置選擇

為了獲取道路載荷譜，需要在試驗(yàn)樣車懸架上安裝各類傳感器，包括六分力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器和應(yīng)變傳感器，然后在試車場(chǎng)耐久路進(jìn)行懸架載荷譜采集。實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)懸架特點(diǎn)、試驗(yàn)?zāi)康暮椭攸c(diǎn)關(guān)注部位的不同選擇合適量程和精度的傳感器。作為文章研究對(duì)象的多連桿后懸架總成，結(jié)構(gòu)如圖2所示，測(cè)點(diǎn)布置通道如表1所示。

表1 測(cè)試部件參數(shù)及儀器

圖2 懸架結(jié)構(gòu)圖

3 懸架總成道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架約束

懸架總成道路模擬試驗(yàn)，有2種臺(tái)架約束方式與設(shè)備基礎(chǔ)平板固定連接：a、懸架總成直接固定在車身或車架上，保持原車結(jié)構(gòu)形式；b、通過反力架替代車身或車架。對(duì)于a種方式，車身或車架往往先于懸架部件破壞，因此需要經(jīng)常修補(bǔ)車架。而且，車輛開發(fā)過程中，懸架和車身設(shè)計(jì)、制造并不一定同步,很多時(shí)候懸架試制完成，車身方案還沒有確定,因此，這種方式有一定的局限性。而b種方式，可以避免a種方式的不足，但需要仔細(xì)考慮懸架部件與反力架連接剛度的匹配。文章研究的后懸架總成采用b種約束方式，臺(tái)架試驗(yàn)安裝照片如圖3所示。

圖3 后懸架道路模擬試驗(yàn)

4 模擬迭代方法分析評(píng)價(jià)

在懸架總成進(jìn)行可靠性道路模擬試驗(yàn)之前需要求解出試驗(yàn)臺(tái)架的驅(qū)動(dòng)信號(hào),驅(qū)動(dòng)信號(hào)求解過程是一個(gè)多輪數(shù)學(xué)求解計(jì)算過程,也就是通常所說的模擬迭代。模擬迭代的結(jié)果應(yīng)將道路采集的載荷數(shù)據(jù)通過道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)正確的復(fù)現(xiàn)，確保臺(tái)架試驗(yàn)的車輛部件載荷與道路行駛歷經(jīng)的載荷相匹配是試驗(yàn)的關(guān)鍵。文章對(duì)后懸架總成的某試車場(chǎng)可靠性路載荷數(shù)據(jù)分3種方法進(jìn)行模擬迭代，以大圓突起路況為例進(jìn)行分析，迭代方法如表2所示。

4.1 基于疲勞損傷的期望響應(yīng)通道與監(jiān)視通道模擬迭代準(zhǔn)確度比較

臺(tái)架模擬迭代準(zhǔn)確度用疲勞損傷來評(píng)價(jià)，模擬迭代準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是基于道路測(cè)量的數(shù)據(jù)和臺(tái)架模擬迭代響應(yīng)數(shù)據(jù)，考慮到疲勞損傷的可變性，采用文獻(xiàn)[3]模擬目標(biāo)圖法,應(yīng)用損傷比和應(yīng)變峰峰值比進(jìn)行評(píng)價(jià):

1）控制通道響應(yīng)：損傷比應(yīng)該在0.5～2之間，應(yīng)變峰峰值變化應(yīng)在10%內(nèi)。

2）非控制通道響應(yīng)：損傷比應(yīng)該在0.25～4之間，應(yīng)變峰峰值變化應(yīng)在20%內(nèi)。

圖4、圖5為后懸架某試車場(chǎng)大圓突起典型路況的模擬迭代各測(cè)點(diǎn)損傷比較結(jié)果。如圖4所示，方法1模擬迭代完成后，作為期望響應(yīng)信號(hào)的車輪六分力控制通道獲得非常理想的迭代效果，而作為監(jiān)測(cè)通道的控制臂等部件的應(yīng)變臺(tái)架響應(yīng)信號(hào)與道路實(shí)際工況存在差異。如圖5所示，方法2模擬迭代完成后，作為控制通道的車輪六分力及控制臂等部件應(yīng)變的期望響應(yīng)信號(hào)與臺(tái)架響應(yīng)信號(hào)損傷相比均在可以接受范圍以內(nèi)，道路采集的載荷數(shù)據(jù)通過道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)可以正確的復(fù)現(xiàn)。

圖4 方法1模擬迭代損傷比較圖

圖5 方法2模擬迭代損傷比較圖

4.2 利用功率譜進(jìn)行模擬迭代結(jié)果對(duì)比分析

比較臺(tái)架響應(yīng)與道路期望響應(yīng)信號(hào)功率譜的峰值幅值、頻率及其它峰值順序。如果對(duì)應(yīng)功率譜的最大峰值頻率相差0.5 Hz左右，則認(rèn)為2種工況頻譜相同，而且要求功率譜峰值順序相同，也就是主頻率相同，接下來的次高頻率相同，依此類推。

通過對(duì)懸架各測(cè)點(diǎn)的功率譜曲線分析：車輪六分力2種方法均獲得與道路相同的功率譜，如圖6所示；而對(duì)于控制臂等部件臺(tái)架應(yīng)變載荷功率譜2種方法有差異，如圖7所示，右1下控制臂方法1頻率在15～30 Hz之間有明顯過沖現(xiàn)象，將控制臂應(yīng)變載荷作為期望響應(yīng)參與迭代的方法2則取得較好效果。分析原因是試件、道路模擬機(jī)、固定約束系統(tǒng)交叉耦合作用產(chǎn)生的擾動(dòng)造成的，這個(gè)擾動(dòng)僅通過控制車輪六分力目標(biāo)信號(hào)不能消除，這也是造成控制臂載荷損傷臺(tái)架大于道路的主要原因。

圖6 右輪垂直載荷功率譜曲線

圖7 右1下控制臂應(yīng)變載荷功率譜曲線

4.3 加速度信號(hào)參與模擬迭代結(jié)果對(duì)比分析

在慣性反應(yīng)載荷道路模擬試驗(yàn)中，將道路獲取的軸頭加速度信號(hào)參與模擬迭代的迭代精度好于沒有軸頭加速度的迭代效果。固定反應(yīng)載荷的道路模擬試驗(yàn)，車身與地面剛性連接，懸掛和非懸掛質(zhì)量間運(yùn)動(dòng)與實(shí)際道路采集工況不同，而加速度信號(hào)通常表示物體與對(duì)面坐標(biāo)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，軸頭加速度參與迭代通常會(huì)對(duì)試件引入不真實(shí)的載荷,應(yīng)該謹(jǐn)慎使用。但從圖7可以看出，控制臂在15 Hz以后發(fā)生分離，主功率譜峰值在14 Hz，分析車輛在行駛過程中15 Hz之后頻率情況，車身與懸架的相對(duì)速度與位移對(duì)減振器及螺旋彈簧的產(chǎn)生載荷影響很小，因此在迭代過程中應(yīng)用車輪六分力作為期望響應(yīng)的同時(shí)，在頻率18～40 Hz范圍內(nèi)將車輪軸頭三向加速度通道參與迭代控制研究。如圖8、圖9所示。

圖8 加速度參與迭代損傷比較圖

圖9 右1下控制臂三種方法功率譜曲線

從圖8可以看出，在軸頭加速度參與迭代的情況下，作為非控制通道的控制臂等信號(hào)獲得好于方法1的的臺(tái)架疲勞損傷響應(yīng)。對(duì)比3種方法的功率譜，如圖9所示，軸頭加速度參與迭代情況下控制臂臺(tái)架響應(yīng)功率譜與道路行駛工況同樣取得較好的一致性。

5 結(jié)論

懸架耐久性道路模擬試驗(yàn)實(shí)質(zhì)是懸架部件局部應(yīng)力的再現(xiàn)，而局部應(yīng)力的再現(xiàn)取決于對(duì)試件施加的載荷和約束。對(duì)于采用固定載荷反應(yīng)約束方式的懸架總成道路模擬試驗(yàn)，將六分力及重點(diǎn)關(guān)注的部件載荷共同作為期望響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行迭代可以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

對(duì)于僅有車輪六分力而缺少懸架其他部件載荷的道路模擬試驗(yàn)，可以將軸頭加速度信號(hào)參與迭代以提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，但要結(jié)合不同路況具體分析應(yīng)用，軸頭加速度在懸架道路模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用及影響需要進(jìn)一步研究。