汽車懸架總成多軸正弦波加載方法研究

王 斌，李 耀，龐方超，楊清淞

(中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司 天津 300301)

汽車行駛過程中，底盤懸架控制臂、副車架、轉向節、減振器等結構件主要承受和傳遞來自路面的載荷，因此其強度及耐久性對整車的性能及安全性起著非常重要的作用[1]。目前，針對底盤的耐久驗證有很多種方法，常用的試驗方法是試驗場的整車耐久性道路試驗和懸架總成臺架耐久。其中，懸架總成臺架試驗可以準確控制零件載荷，有利于進行重復試驗，避免了極端工況時試驗員安全問題；同時不受惡劣天氣影響，臺架試驗周期顯著縮短，有效節省人力物力[2]。

應用底盤臺架耐久試驗時，需要將底盤結構件按照整車裝配要求組成懸架總成，并針對其進行耐久試驗，是一種相對有效且精度較高的驗證方法。試驗主要分為單軸、多軸正弦波、多軸道路模擬3種[3]。本文主要針對多軸正弦波加載進行理論分析，并就在臺架上的實現方法進行驗證。其中，涉及懸架實際受力分析、固定反力式約束工裝設計、完整臺架搭建以及通過軟件迭代實現帶彈性元件的懸架總成的加載 方法。

1 多軸正弦波加載懸架耐久試驗介紹

懸架總成多軸正弦波加載耐久試驗，首先需要將懸架總成按照整車狀態進行裝配，再將懸架固定點安裝到相應的剛性夾具系統上，用來約束懸架的硬點位置，最后通過三坐標測量儀，測量各個固定點位置的空間坐標，并根據測量結果對實際試驗臺架進行調整，使臺架的最終安裝精度與整車模型保持在一定的誤差范圍之內，從而保證懸架總成的準確受力狀態。

本文以后懸架總成為例進行研究和驗證。懸架總成耐久試驗臺架裝配模型如圖1所示。

懸架總成右側與試驗臺架的安裝點從左到右依次為：副車架與試驗臺連接右后點、右后減振器總成與試驗臺連接點、副車架與試驗臺連接右前點、右縱 臂與試驗臺連接點。圖1右下部箭頭所示方向為車尾指向車頭方向。

除圖1這種常用夾具系統模型外，如果試驗條件允許，也可將白車身作為夾具，來約束懸架硬點位置，同時再設計一套剛性夾具系統來約束白車身。需要注意的是，此方法在試驗準備過程中需要對白車身進行焊接加固，且當白車身出現損壞時，維修和更換較為繁瑣。

2 加載工況

懸架總成耐久試驗的加載方式一般為雙作動缸加載，通過模擬實際行駛狀態可以得到5種加載工況：制動工況、側向加載、縱向加載、垂向顛簸、垂向回彈。制動工況和縱向加載為模擬車輛制動時，輪胎接地點和軸頭位置分別受到的作用力的情況；側向加載為模擬車輛轉彎時，輪胎接地點受到向心力的情況；垂向顛簸為模擬車輛單輪過坑時，軸頭的受力狀態；垂向回彈為模擬輪胎脫離地面時，軸頭的受力狀態。各工況力加載曲線如表1所示。

表1 加載工況示意圖Tab.1 Schematic diagram of loading conditio ns

3 臺架加載反饋系統介紹

首先，需要分析懸架、試驗臺、作動缸和控制柜組成的激勵反饋系統。此激勵反饋系統相互關系如圖2所示。

臺架搭建完成后，螺栓都按照規定的扭矩緊固，系統可以被看作線性時不變系統?？刂乒癜l出驅動信號指令，作動缸在固定的加載點進行加載，并通過傳感器得到力和位移反饋，并修正驅動信號，其調節方式有3種：比例、積分、微分。這里不再贅述。

本研究以MTS公司軟硬件為基礎進行分析和驗證。上文表1中涉及的曲線均為正弦加載曲線或由正弦曲線拼接得到，形式較為簡單，理論上有2種方法可以實現：一種是通過MPT軟件，直接編輯目標驅動，播放驅動信號達到相應的加載曲線；另外一種是通過RPC軟件對目標信號迭代，來得到相應的位移驅動信號(即：通過位移信號迭代力信號，使加載力滿足目標信號要求)。第一種方法對系統的剛度要求較高，同時PID調節精度依賴性較強，但是實現起來較為方便；第二種方法則對系統的剛度和PID調節精度要求不高，因而更加適合對剛度較小的系統進行加載。

4 各工況加載說明

本研究所有工況中，作動缸均和假輪工裝通過球鉸連接加載，現對不同工況的加載情況做如下分析。

4.1 制動工況加載

對于制動工況，由于加載過程中制動盤被卡緊，在加載力的傳遞方向上，懸架總成剛度較大，適當調節系統PID值，可以提高系統響應速度，按正弦曲線可以直接加載。左后假輪工裝制動工況加載方向及位置如圖3所示。

4.2 側向工況加載

側向工況加載與制動方向加載類似，剛度較大，可以通過調節PID直接實現正弦波加載。左后假輪工裝側向工況加載方向及位置如圖4所示。

4.3 縱向工況加載

縱向加載需要將假輪轉動90°角，朝輪心方向加載，加載方向上均為剛性部件，同樣可以直接通過調節PID值實現加載。需要注意的是，此時的加載曲線為反向加載，在左側加載過程中，左側受力會有一部分通過穩定桿等其他部件傳遞到右側，為保持右側受力為零，需要將作動缸設置為力控狀態，以保證加載曲線符合要求。左后假輪工裝縱向工況加載方向及位置如圖5所示。

4.4 垂向顛簸工況加載和垂向回彈工況加載

在垂向顛簸和垂向回彈的工況中，作動缸在加載過程中，會受到減振器滑柱和彈簧的反作用力，而彈性元件的存在會大幅降低總成在垂向的剛度，導致作動缸直接按照曲線加載無法實現。此時，調節PID值已經無法滿足加載要求，需要針對目標信號進行迭代，使作動缸通過調節位移和速度，逐漸逼近目標載荷曲線。左后假輪工裝垂向顛簸和垂向回彈工況加載方向及位置如圖6所示。

5 實際驗證

5.1 迭代過程

現以垂向顛簸工況為例，說明迭代過程。

①通過rpc軟件的信號處理模塊生成目標信號，圖7所示目標信號為了保證最終生成的驅動信號比較穩定，將目標信號進行了多次重復。

②針對作動缸-懸架總成-臺架組成的系統，計算其傳遞函數。為此創建一個隨機白噪聲信號，一般為作動缸的位移(單位為mm)，對于每一個頻率，該信號有足夠的幅值來刻畫測試系統響應，響應信號根據試驗需要確定，可以是力、位移或加速度等等信號。需要考慮的參數包括信號的頻譜信息(截止頻率下限、拐點頻率和截止頻率上限)和幅值。白噪聲信號必須保證足夠的強度可以激勵測試系統，同時信號不會損害懸架總成部件。通過白噪聲信號激勵此系統，并從作動缸力傳感器獲得加載點的力值。利用試驗臺架系統工具計算頻響函數FRF(Frequency Response Fuction)，即：

式中，FRF為系統頻響函數；X為隨機白噪聲信號；Y為測試系統響應信號。

③計算起始驅動信號。應用試驗臺架控制軟件，將頻響函數逆函數與目標道路信號進行卷積運算得到迭代過程起始的驅動信號。計算公式如下：

式中，X0為初始驅動信號；YesD為目標道路信號；FRF?1為系統傳遞函數逆函數。

④計算系統響應誤差。運行起始驅動信號，獲得系統初始響應信號并通過計算目標道路信號和輸出響應的差值得到系統響應誤差。計算公式如下：

式中，E0為系統響應誤差；Y0為系統初始響應信號。

⑤計算驅動修正。在驅動修正計算之前，需選擇增益與系統響應誤差相乘，迭代過程存在不穩定性，因此增益一般小于1。系統響應誤差和頻響函數的逆函數進行卷積運算從而獲得驅動信號的修正值。

式中，C0為驅動信號的修正值；G0為系統誤差增益。

⑥計算下一個驅動信號。將驅動修正值與上次驅動信號相加得下一個驅動信號。

式中，X1為系統第二次驅動信號。

⑦重復進行迭代。運行下一個驅動信號，獲得測試車各傳感器的響應，持續重復迭代過程，直至在臺架上能夠很好地再現目標加載曲線。

5.2 驗證結果

按照圖1的模型搭載懸架總成試驗臺架，并通過實際曲線進行迭代，得到如下結果。

5.2.1 垂向顛簸工況迭代結果

圖8中橫坐標代表時間，縱坐標分別為左側和右側加載的力值，其中，虛線為目標加載曲線，實線為加載點實際的力值曲線。

針對迭代結果，有2點需要特別說明：

①圖中兩條曲線最大值和最小值與目標曲線基本一致，迭代效果較好。

②其中一個作動缸在保持狀態時，作動缸的力值無法準確保持在零位，主要原因是垂向顛簸工況是雙缸反向加載，處于運動狀態的作動缸會通過結構件將力傳導到另外的假輪上，進而影響另一個作動缸，使其力值很難在零位保持。值得注意的是，此力值基本與目標曲線相差0.2～0.3kN，因相差較小，對結構件造成的額外損傷可以忽略不計。

5.2.2 垂向回彈工況迭代結果

從圖9可以看出迭代結果和目標曲線基本一致。需要特別說明的是，回彈工況中，由于作動缸和假輪工裝之間為球鉸連接，屬于非剛性連接，故在力值為零的過程中會有輕微松動，從圖9中可以明顯看到曲線有微小缺口。

6 結論

懸架總成多軸耐久試驗對樣品的考核相對較準確，且易于實施，很多實車道路測試的問題都可以在臺架上得到驗證。本文針對臺架測試多軸正弦加載的幾個典型工況做了詳細分析和試驗方案確定，并特 別針對垂向顛簸和垂向回彈2個涉及彈性元件的加載工況，提出用rpc中位移迭代力的方法來實現一些特殊的加載曲線，并通過試驗驗證了方法的準確性。本研究通過迭代曲線的方法，使設備能夠給樣件提供準確的加載力，從而提高了耐久試驗的精度。