二分之一懸架耐久試驗研究

梁鵬 范學 宋軍鑫 黃錦輝

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司汽車工程研究院）

懸架系統(tǒng)是車架（或承載式車身）與車輪（或車架）之間的一切傳力連接裝置的總稱，主要包括彈性元件、減振器、橫向穩(wěn)定桿以及導向機構等部件組成。作為汽車懸架設計開發(fā)中關鍵環(huán)節(jié)之一的耐久性試驗，懸架系統(tǒng)的耐久性能集成驗證關系整車壽命及安全性能，不僅可以用來檢驗已有設計合格與否，又可以為后續(xù)的研發(fā)提供基礎性參考。

1 1/2懸架耐久試驗臺架

為滿足懸架系統(tǒng)耐久性能驗證需求，集多年工裝設計與非標臺架搭建的積累和懸架系統(tǒng)零部件及系統(tǒng)級臺架試驗的經驗基礎，自主搭建了1/2懸架軸耦合道路模擬耐久試驗臺，如圖1所示。

圖1 1/2懸架系統(tǒng)六軸耐久試驗臺架

與其他結構形式的振動耐久試驗臺相比，1/2懸架耐久試驗臺能實現(xiàn)3個自由度的運動，且以其獨特的工裝連接方式從機械結構上實現(xiàn)3個自由度運動間的相互獨立。

基于該臺架的1/2懸架軸耦合道路模擬耐久試驗，選擇對懸架系統(tǒng)造成主要損傷的垂向力Fz、縱向力Fx、側向力Fy、側傾力矩Mx、制動力矩My等載荷信號作為試驗目標載荷，通過在車輪中心加載垂向和縱向載荷，在車輪接地點加載側向載荷，可以實現(xiàn)以車輪中心受力為目標的懸架系統(tǒng)多軸加載試驗，能夠在室內再現(xiàn)在試車場采集的車輪軸頭六分力或是其他傳感器信號的時間歷程，如圖2所示。

圖2 車輪六分力示意圖

2 1/2懸架耐久試驗流程

1/2懸架耐久試驗原理本質上是道路模擬試驗，該技術是在試驗室內通過對試驗臺架參數(shù)進行精確控制，再現(xiàn)車輛實際運行狀態(tài)下的力學和運動響應（參數(shù)）。如圖3所示。

圖3 道路模擬試驗流程

綜上流程，路譜采集、數(shù)據分析、臺架迭代是1/2懸架耐久試驗核心的三大塊，每一步都深刻影響最終的耐久試驗結果。

2.1 路譜采集

2.1.1 路譜獲取方法

常用的路譜獲取方法主要有2種[2]：

1）基于實際傳感器的載荷獲取方法

將各種傳感器（六分力儀、加速度、應變片等）布置在實車待測部位，在實際路面上按路譜采集規(guī)范行駛，獲取路譜，如圖4所示。

圖4 實車&實際試車場PG

2）基于虛擬試驗場的載荷獲取方法，如圖5所示。

圖5 整車多體模型&虛擬試車場VPG

通過建立虛擬試車場和整車多體等模型，進行虛擬道路試驗，獲取路譜。

通常情況下，開展臺架試驗會采用實車采集的方式。因為實車采集更接近道路行駛狀態(tài)，且可采集目標信號更豐富，利于臺架復現(xiàn)實車真實振動。

2.1.2 路譜獲取內容

由于懸架臺架試驗存在固定約束形式與整車慣性釋放形式不同等差異，單純的六分力載荷復現(xiàn)可能導致載荷在懸架部件中的傳遞形式與實際行駛情況不一致。故在進行懸架試驗路譜采集時，會選擇與六分力載荷相關聯(lián)的信號以作迭代目標或監(jiān)控，其基本要求如下[3]：

1）靈敏度高。所選擇測點相對某方向載荷變化顯著，靈敏度要求高；

2）耦合性小。所選擇測點與某方向載荷相干性好，其他方向載荷對該點影響較小；

3）信噪比高。所選擇測點對某方向載荷的響應能量要遠遠大于噪聲信號。

2.2 數(shù)據分析

2.2.1 載荷譜預處理

路譜采集時由于采集頻率高、傳感器的失真等問題，原始信號會包含噪聲、突變信號、零漂及溫漂等異常信號，故在路譜采集完成后首先需對原始信號進行數(shù)據檢驗，確認數(shù)據的良好情況，常見方法如下：

1）車速檢驗：車速參照采集規(guī)范，偏差不應過大；

2）重復性檢驗：相同路面工況數(shù)據的一致性；

3）時域、頻域檢驗：根據經驗判斷在各工況下，車上每個測點的時域及頻域特征是否合理；

4）相關性檢驗：部分采集信號間存在較強的相關性，如加速度二次積分位移與實測位移、My&FyR等的時域關系是否線性；

5）對稱性檢驗：車上對稱位置測點的信號有一定的對稱性；確認采集無異常后，需對原始信號進行預處理，包括毛刺信號剔除、漂移修正、傅里葉濾波、特征路面截取等步驟。考慮到多軸臺架模型較為復雜，且目標信號通道較多，多個特征路面同步迭代不易收斂，一般會根據不同的路面特征截取各工況進行單獨處理及迭代復現(xiàn)。

2.2.2 載荷譜加速編輯

確定具體的加載方案后，為加速驗證過程，應選取合理的載荷譜加速編輯方法。

常見的載荷譜加速編輯方法有增大幅值法、峰谷抽取法、塊譜加載法、頻譜加載法、增大頻率法、時域損傷編輯法等。

據悅管家CEO劉珺向記者透露，Airbnb在挑選合作伙伴上極為苛刻，提出了兩大核心要求：第一，必須有專業(yè)的分散式客房清潔服務能力；第二，必須要和Airbnb全球化的互聯(lián)網系統(tǒng)對接，要符合歐盟的安全指標等。這意味著，要求一家做專業(yè)客房清潔的公司同時具備頂尖科技公司的技術水準。結果，Airbnb把行業(yè)內的公司篩了一遍之后，只剩下悅管家符合這兩大核心要求。

結合1/2懸架道路模擬耐久試驗加載形式多軸耦合且多通道之間不成比例的特點，常采用基于時間歷程的損傷編輯法，直接以原始載荷-時間歷程為對象，通過刪除無損傷或小損傷載荷對應的時間歷程，在不改變損傷或犧牲部分損傷的基礎上實現(xiàn)載荷譜的加速。

這種方法最大限度地保留頻率、加載次序及相位關系，能準確體現(xiàn)原始載荷譜的損傷和頻率特性，故最常用于系統(tǒng)或整車級的道路模擬試驗載荷譜的編輯。

2.3 臺架迭代

利用隨機白噪聲信號驅動試驗臺架，實時采集系統(tǒng)響應信號，并利用傅里葉變換、卷積運算等數(shù)學方法，求解出系統(tǒng)激勵與響應之間的頻率響應函數(shù)矩陣，即系統(tǒng)的頻響函數(shù)（FRF）；再根據此前處理好的目標譜和FRF求解出初始驅動信號；為消除系統(tǒng)存在的非線性影響通過迭代計算逐步修正驅動信號。

最終根據迭代收斂程度、RMS均方根誤差值（主要指標見表1）、目標譜與迭代響應譜的時域、頻域、損傷比對等分析手段確定最終的激勵驅動信號。如表1所示。

表1 迭代結果精度要求

3 1/2懸架耐久試驗應用

3.1 失效模式

某車型后懸為扭力梁懸架，該扭力梁在試車場乘用車強化壞路不同試驗里程段，發(fā)生數(shù)次嚴重開裂現(xiàn)象，且失效循環(huán)數(shù)較低，遠小于該車型要求滿足的耐久目標壽命循環(huán)數(shù)。如表2和圖6所示。

表2 某車型扭力梁路試故障信息

圖6 扭力梁開裂

3.2 舊試驗方案試驗結果

由于該車型沒有合適的車輪六分力傳感器輪輞適配器，無法采集到真實的車輪六分力路譜信號。故，在早期臺架驗證中采用的是我司的耐久經驗工況，加載方式為單軸正弦譜加載。

試驗結果如下：

1）縱向耐久試驗后無異常；

2）側向耐久試驗后，扭力梁與制動器連接點處出現(xiàn)裂紋，右后縱梁尾部出現(xiàn)裂紋，如圖7所示；

圖7 側向耐久失效

3）垂向耐久試驗后，左右緩沖體破裂，如圖8所示。

圖8 垂向耐久失效

從臺架試驗結果來看，驗證效果不理想，與路試失效位置基本不一致。初步分析經驗工況驗證不理想的主要原因有：

1）現(xiàn)有懸架系統(tǒng)耐久經驗工況載荷強度不夠，對扭力梁本體考核不到位；

2）扭力梁懸架屬于非獨立懸架，作為一個復合受力軸，其受力分解性相對較難。由采集的薄弱風險點和失效點的應變信號分析來看，路試出現(xiàn)的失效點與多個方向的受力都具有一定的相干性，耦合性較大；

3）彈簧托盤路試開裂點位置在鈑金中部邊緣位置，初步判斷可能主要由垂向極限扭轉工況造成，通用經驗工況不滿足考核需求。

3.3 新試驗方案試驗結果

鑒于經驗工況驗證不理想，無法復現(xiàn)路試問題，急需做出快速有效的新臺架方案。新臺架方案擬以CAE部門提供的虛擬六分力路譜數(shù)據作為原始試驗載荷信號，對其進行必要的分析預處理后，運用道路模擬試驗技術中的時間歷程再現(xiàn)方法，在1/2懸架六軸耐久試驗臺架上迭代復現(xiàn)虛擬六分力信號。在迭代時，對不同路面的載荷譜分別進行迭代，最后將分別迭代的結果，依據耐久試驗規(guī)范里的循環(huán)數(shù)及先后次序進行合并，得到用于臺架試驗用的道路載荷譜。由于在對原始目標信號進行預處理編輯時，去除過渡路面和部分極小損傷路面，臺架試驗周期大為縮短，20萬km的驗證時間由真實道路試驗的2～3個月，縮減為臺架試驗的8天，極大程度上加快了驗證進程。

從臺試與路試對比來看，臺架與路試的失效模式及位置基本一致，故表明1/2懸架多軸道路模擬耐久試驗在對復現(xiàn)路試失效問題的驗證上取得一定效果，也能為后續(xù)改進產品乃至類似產品提供相應的驗證支持。

4 結論

實際臺架應用表明我司自主搭建的1/2懸架軸耦合道路模擬耐久試驗臺，以及依據該臺架建立的1/2懸架耐久試驗流程，能夠較高精度地模擬車輛在道路中的行駛受力狀態(tài)，能夠在無實車階段或是路試售后階段輔助產品開發(fā)驗證，并且試驗的重復性好，不受人員、氣候和環(huán)境等因素的影響，從而可以節(jié)省大量人力、物力，減少成本，縮短試驗周期。