一種控制硬點受力狀態(tài)的懸架可靠性試驗方法研究

楊 光， 李 偉

(中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司， 天津 300300)

懸架系統(tǒng)開發(fā)一般處于整車開發(fā)前期。在懸架系統(tǒng)可靠性驗證方面，主機廠為了縮短開發(fā)周期并快速發(fā)現(xiàn)潛在問題，主要采用臺架試驗[1-6]。臺架試驗前需要解決兩大問題：一是由于處于開發(fā)前期，白車身無法得到，無法進行路譜采集，相關(guān)數(shù)據(jù)無法獲得；二是懸架系統(tǒng)如何約束。

大部分主機廠一般前期會建立多體動力學模型、輪胎模型等，使“組裝”的車輛虛擬模型在虛擬路面上“行駛”，從而獲得零部件的虛擬載荷(如輪心六分力、各桿件的內(nèi)部力等)。這些數(shù)據(jù)可以直接用于臺架試驗，作為臺架試驗迭代過程的目標信號。

在臺架上進行懸架可靠性試驗不同于整車，各種路面下低頻成分的能量需要復現(xiàn)，因此懸架系統(tǒng)需要固定反力約束，一般通過設計與硬點位置匹配的工裝實現(xiàn)。由于安裝方式往往都是剛性夾持，導致懸架連接點處的剛度過大，與車輛懸架處真實受力情況出現(xiàn)較大差異，連接部件出現(xiàn)的失效無法確定是否可信。本文通過在硬點安裝位置安裝力傳感器，并將其定義為臺架迭代過程中的控制通道，有效地控制懸架硬點受力情況，保證了懸架系統(tǒng)在臺架試驗中復現(xiàn)得到的受力狀態(tài)更加真實全面。本文的試驗方法提升了懸架系統(tǒng)可靠性試驗的準確性。

1 工裝設計及傳感器布點

根據(jù)某車型后懸架系統(tǒng)內(nèi)的硬點位置和空間布局，設計了固定反力工裝，如圖1所示。圖1中的減振器上安裝點和縱臂托盤安裝點即為該懸架系統(tǒng)的硬點。

圖1 固定反力工裝

縱臂和減振器的安裝點(即硬點)受力狀態(tài)是本次試驗最主要的關(guān)注點，因此在減振器與工裝之間串聯(lián)單軸力傳感器以獲得減振器軸向力[7]。在縱臂托盤與工裝之間安裝3個三分力傳感器，通過力的合成計算可以獲得該位置的三向力，如圖2所示?？v臂托盤與工裝之間的單個三分力縱向力表示為Fnx，側(cè)向力表示為Fny，垂向力表示為Fnz，其中，n取1，2，3，表示三分力的位置。縱臂托盤與工裝之間的合力為：

Fx=∑Fnx，F(xiàn)y=∑Fny，F(xiàn)z=∑Fnz

(1)

由于縱臂托盤處側(cè)向力較小，因此此次臺架試驗不將其作為響應信號，對其忽略，主要關(guān)注縱向力和垂向力。

本次試驗使用的輪心六分力數(shù)據(jù)、各桿件的內(nèi)部力數(shù)據(jù)是運用多體動力學分析方法獲得的，對應的工況包括扭曲路、坑洼路、壞路制動路、比利時路、搓板路等。

2 試驗準備

將工裝上的安裝點進行三坐標測量并適當調(diào)整安裝位置，保證和懸架系統(tǒng)硬點安裝位置一致。此次三坐標測量精度均在0.8 mm以內(nèi)，滿足裝配要求。

將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與臺架站臺機柜進行連接，對信號通道的單位、量程和極性等參數(shù)進行設置。為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定并體現(xiàn)真實的臺架樣件物理模型，對臺架的12個控制通道逐一進行PID調(diào)節(jié)。至此所有準備工作完成。

3 頻響函數(shù)評估

將臺架和懸架系統(tǒng)看作一個多輸入多輸出的線性系統(tǒng)，如圖3所示。x代表臺架的輸入信號(驅(qū)動信號)，y代表樣件的輸出信號(響應信號)。x包括左右兩側(cè)臺架縱向力、側(cè)向力、垂向位移、外傾力矩、制動力矩和回正力矩共12個輸入信號。y包括輪心六分力、減振器軸向力、縱臂托盤三分力、懸架位移和各連桿內(nèi)部力等輸出信號。信號的數(shù)量由需要控制通道的數(shù)量決定。在臺架進行迭代操作之前，必須了解輸入與輸出的關(guān)系，因此需要獲得系統(tǒng)的頻響函數(shù)。

圖3 多輸入多輸出的線性系統(tǒng)

一般通過設置頻率信息和幅值信息，生成白噪聲信號，利用該信號激勵系統(tǒng)。根據(jù)激勵信號及測得的響應信號計算系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣H(f)，其表達式為：

Y(f)=H(f)X(f)

(2)

在后續(xù)迭代過程中，頻響函數(shù)逆矩陣H-1(f)的質(zhì)量更為重要，其直接參與臺架驅(qū)動信號的計算，表達式為：

X(f)=H-1(f)Y(f)

(3)

在逆矩陣H-1(f)中，最為關(guān)心的是相關(guān)性較高元素。其中，輪心六分力信號(12個)與臺架驅(qū)動信號的關(guān)系最為重要。在0～50 Hz控制頻帶內(nèi)，頻響函數(shù)質(zhì)量必須保證，是后續(xù)臺架迭代過程的根本。

本文在響應通道內(nèi)添加了減振器軸向力通道和縱臂托盤三分力通道，因此在逆矩陣H-1(f)中對應的幅頻、相頻曲線需要關(guān)注。減振器軸向力與臺架垂向位移驅(qū)動信號相關(guān)性最高，縱臂托盤縱向力與臺架縱向力驅(qū)動信號相關(guān)性最高，縱臂托盤垂向力與臺架垂向位移驅(qū)動信號相關(guān)性最高。得到高質(zhì)量的頻響函數(shù)，一方面驗證了先前傳感器布置方案的準確性，另一方面為后續(xù)迭代過程中控制對應位置受力狀態(tài)奠定了基礎(chǔ)。

4 迭代結(jié)果

由于懸架系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等都存在非線性，而式(2)求取的頻響函數(shù)表征了線性關(guān)系。使用線性頻響關(guān)系模擬非線性系統(tǒng)，獲得的響應必然存在誤差。因此需要通過迭代逐步修正驅(qū)動信號，使系統(tǒng)的響應信號趨近目標信號[8-12]。迭代過程如圖4所示。當所有通道的均方根誤差占比小于15%時，終止迭代，生成的驅(qū)動信號可以用來驅(qū)動臺架進行疲勞耐久試驗。

圖4 迭代過程示意圖

本文采用兩種臺架控制策略進行迭代[13]，能夠更加全面地對比硬點受力狀態(tài)。策略A：只控制車輪六分力通道，其他通道作為監(jiān)控通道；策略B：車輪六分力通道和各硬點力通道均作為控制通道。選取搓板路作為迭代路面。

在控制策略A和控制策略B下，車輪六分力信號中垂向力通道迭代響應與目標響應時域和統(tǒng)計特征值結(jié)果的比較如圖5所示。

圖5 車輪六分力垂向力時域響應曲線及統(tǒng)計特征值結(jié)果

從圖5可以看出，在時域上，目標響應和迭代響應重合度很高，表明臺架試驗能夠較好地復現(xiàn)軸頭的受力狀態(tài)。此外，兩種策略下迭代響應的均方根誤差占比均小于10%，從另一角度再次驗證了六分力垂向力通道在兩種控制策略下的迭代結(jié)果都能夠滿足后續(xù)耐久試驗的要求。六分力其他通道迭代精度類似垂向力精度。

硬點的受力狀態(tài)是本文研究的重點。為了直觀對比不同臺架控制策略下硬點的受力狀態(tài)，將目標響應、策略A迭代響應和策略B迭代響應放在同一張圖上。圖6和圖7分別展示了縱臂托盤縱向力和垂向力的響應對比情況。圖8展示了減振器上安裝點軸向力的響應對比情況。

圖6 縱臂托盤縱向力響應對比

圖7 縱臂托盤垂向力響應對比

圖8 減振器上安裝點軸向力響應對比

對于控制策略A，由于硬點位置受力未參與到迭代控制當中，此處的受力狀態(tài)可以理解為“失控”狀態(tài)。從圖6和圖7可以看出，縱臂托盤縱向力以及垂向力均超過目標響應。對縱臂托盤的偽損傷是目標響應損傷的2倍以上。

對于控制策略B，各硬點力通道均作為控制通道，此處的受力狀態(tài)是“受控”狀態(tài)，從圖6和圖7可以看出，縱臂托盤縱向力以及垂向力均很好地復現(xiàn)了目標響應，對縱臂托盤的偽損傷比值接近1。

對于減振器上安裝點，策略A下的迭代響應小于目標響應，如圖8所示。在軸頭六分力垂向力復現(xiàn)較好的基礎(chǔ)上，減振器上安裝點分擔的垂向力偏小，必定導致其他部件在垂直方向上分擔的力過大,導致懸架部件的受力狀態(tài)失常。策略B下的迭代響應與目標響應相當，很好地復現(xiàn)了受力狀態(tài)。

對于傳統(tǒng)方法，硬點安裝位置采用剛性連接，且沒有安裝力傳感器監(jiān)控。以此種方法進行迭代以及后續(xù)耐久試驗，縱臂托盤處的橡膠襯套出現(xiàn)較早開裂失效。較早失效的原因很大程度上來源于此處“失控”的受力狀態(tài)。

5 結(jié)束語

在尚無白車身的基礎(chǔ)上驗證懸架的可靠性，工程師應該把重點放在與硬點位置匹配工裝的設計上。當沒有條件將工裝設計成與白車身等剛度時，可以借鑒本文方法，即通過在硬點安裝位置布置力傳感器，有效控制懸架硬點受力情況，使得懸架系統(tǒng)在臺架試驗中的受力狀態(tài)更加真實和全面。