乘用車(chē)懸架系統(tǒng)多軸向加載耐久性試驗(yàn)方法

杜書(shū)于長(zhǎng)清劉志遠(yuǎn)張子雙謝強(qiáng)南飛

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司研發(fā)總院；汽車(chē)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）

耐久性和可靠性是汽車(chē)各項(xiàng)性能中最基本也是最重要的性能之一。隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，汽車(chē)耐久性試驗(yàn)技術(shù)早已從最初的實(shí)際使用道路試驗(yàn)發(fā)展到今天的試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)和試驗(yàn)室試驗(yàn)，其中試驗(yàn)室試驗(yàn)由于其具有試驗(yàn)周期短、試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，已占有越來(lái)越重要的地位。以往試驗(yàn)室較普遍應(yīng)用的多為零部件及總成的單軸向加載，隨著測(cè)試技術(shù)及試驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，多通道隨機(jī)加載試驗(yàn)更能接近其承受的真實(shí)載荷，因此該試驗(yàn)方法逐漸被各個(gè)研發(fā)部門(mén)采用。在室內(nèi)耐久性試驗(yàn)中，模擬施加什么載荷取決于試驗(yàn)對(duì)象在道路行駛中所承受的載荷。因此如何真實(shí)測(cè)試零部件及整車(chē)所承受的載荷及在試驗(yàn)系統(tǒng)中真實(shí)再現(xiàn)是主要研究方向。在轎車(chē)行駛中，懸架主要受到來(lái)自車(chē)輪的垂直力、側(cè)向力、縱向力和制動(dòng)力的作用，文章以某轎車(chē)的后懸架總成為研究對(duì)象，結(jié)合試驗(yàn)室現(xiàn)有資源對(duì)后懸架右車(chē)輪的4 通道耐久試驗(yàn)加載系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，對(duì)乘用車(chē)懸架總成多通道加載方法進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)夾具設(shè)計(jì)

室內(nèi)汽車(chē)耐久性試驗(yàn)的本質(zhì)是在室內(nèi)模擬汽車(chē)及其零部件在道路行駛中所承受的載荷，本試驗(yàn)加載系統(tǒng)模擬實(shí)現(xiàn)懸架總成所受的垂直力、側(cè)向力、縱向力和制動(dòng)力載荷，具體載荷方向，如圖1 所示。

圖1 轎車(chē)懸架系統(tǒng)主要受力分析簡(jiǎn)圖

基于懸架結(jié)構(gòu)和其所受的實(shí)際載荷，對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)：副車(chē)架與車(chē)身連接點(diǎn)通過(guò)夾具固定；替代輪輞的夾具中心與前、后懸架總成的兩側(cè)車(chē)輪輪轂軸連接；夾具外部通過(guò)球形鉸鏈分別和8 個(gè)作動(dòng)器相連接，實(shí)現(xiàn)垂直載荷、縱向載荷、側(cè)向載荷和制動(dòng)載荷的加載，與實(shí)際情況比較相符，球鉸鏈可以通過(guò)螺栓方便快捷地裝卸，便于選擇是否添加縱向載荷或側(cè)向載荷；替換加載輪轂上的連接盤(pán)，并調(diào)整側(cè)向加載球鉸鏈和作動(dòng)器的高度便可適應(yīng)具有不同車(chē)輪半徑的懸架；為實(shí)現(xiàn)制動(dòng)工況，通過(guò)帶有球頭的圓柱銷(xiāo)夾具約束制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)方向的自由度，懸架多軸向加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖，如圖2 所示。

圖2 懸架多軸向加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

2 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

汽車(chē)道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)一般是由液壓伺服加載設(shè)備、加載夾具和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、軟件分析系統(tǒng)所組成。本試驗(yàn)系統(tǒng)利用MTS 公司的控制柜和作動(dòng)器、cRPC 模擬迭代軟件、某轎車(chē)的后懸架及試驗(yàn)夾具系統(tǒng)構(gòu)建，可以保證比較精確地模擬復(fù)現(xiàn)道路實(shí)測(cè)載荷信號(hào)的時(shí)域波形，使室內(nèi)試驗(yàn)最大限度地反映實(shí)際情況，懸架系統(tǒng)多軸向加載試驗(yàn)原理，如圖3 所示。

圖3 懸架系統(tǒng)多軸向加載試驗(yàn)原理圖

3 數(shù)據(jù)采集、分析和處理

按照整車(chē)道路模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集方法[1-5]，對(duì)待試懸架測(cè)取準(zhǔn)確的、有代表性的、有關(guān)用戶使用載荷工況的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)稱載荷信號(hào)，這些數(shù)據(jù)一般是懸架某些部位的加速度信號(hào)或應(yīng)變信號(hào)等。這些原始載荷信號(hào)可以在實(shí)際使用道路上測(cè)量，也可以在汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)上測(cè)量，用以作為室內(nèi)模擬的期望響應(yīng)信號(hào)。為更加準(zhǔn)確地獲取懸架在行駛過(guò)程中受到來(lái)自車(chē)輪的垂直力、側(cè)向力、縱向力和制動(dòng)力，在轎車(chē)前后車(chē)輪安裝了車(chē)輪六分力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。最后提取后懸架車(chē)輪中心的垂直力、側(cè)向力、縱向力和制動(dòng)力載荷信號(hào)作為期望響應(yīng)信號(hào)，傳感器安裝照片，如圖4 所示。

圖4 車(chē)輪六分力傳感器安裝照片

4 系統(tǒng)搭建

依據(jù)懸架多軸向加載夾具系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖進(jìn)行懸架總成耐久試驗(yàn)系統(tǒng)搭建，具體如圖5 所示。

圖5 懸架耐久試驗(yàn)系統(tǒng)裝配完成照片

5 獲取驅(qū)動(dòng)信號(hào)

用cRPC 軟件生成的白噪聲信號(hào)驅(qū)動(dòng)安裝好試件的試驗(yàn)系統(tǒng)，同時(shí)采集載荷響應(yīng)信號(hào)，由已知的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和測(cè)得的響應(yīng)信號(hào)計(jì)算試驗(yàn)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣，然后計(jì)算系統(tǒng)逆矩陣；根據(jù)系統(tǒng)逆矩陣和期望響應(yīng)信號(hào)，計(jì)算所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；把驅(qū)動(dòng)信號(hào)送給液壓伺服加載系統(tǒng)向試件施加載荷，獲得響應(yīng)信號(hào)，由于系統(tǒng)存在非線性，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的計(jì)算通常要進(jìn)行多次迭代修正。當(dāng)控制點(diǎn)模擬迭代均方根誤差小于10%時(shí)停止迭代，獲得最終迭代計(jì)算出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用最終迭代計(jì)算出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)反復(fù)驅(qū)動(dòng)加載設(shè)備，對(duì)試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

6 模擬迭代結(jié)果分析

被試懸架總成經(jīng)過(guò)系統(tǒng)模擬迭代的均方根誤差曲線，如圖6 所示，時(shí)間歷程對(duì)比曲線，如圖7 所示，響應(yīng)通道偽損傷比較結(jié)果，如表1 所示。

圖6 試車(chē)場(chǎng)某路況下的模擬迭代均方根誤差曲線

圖7 某路況下的模擬迭代時(shí)間歷程曲線對(duì)比

表1 賽車(chē)參數(shù)

從以上數(shù)據(jù)可以看出，該方法能夠精確地模擬復(fù)現(xiàn)懸架總成在道路實(shí)測(cè)載荷信號(hào)的時(shí)域波形，2 種工況損傷幾乎相同。

7 結(jié)論

模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的轎車(chē)懸架多軸向加載耐久性試驗(yàn)系統(tǒng)能夠正常、可靠地工作，模擬精度可以滿足工程要求；所研制的多軸向加載夾具工作可靠，靈活性強(qiáng)，只需替換加載輪轂上的適配夾具，并調(diào)整側(cè)向、縱向、制動(dòng)加載作動(dòng)器的高度，便可適應(yīng)具有不同車(chē)輪半徑的懸架模擬試驗(yàn)要求。

通過(guò)該方法的研究，應(yīng)用實(shí)際道路隨機(jī)載荷譜進(jìn)行乘用車(chē)懸架系統(tǒng)模擬迭代，再現(xiàn)實(shí)際路面振動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)了乘用車(chē)懸架四自由度的道路模擬試驗(yàn)，拓寬了乘用車(chē)懸架系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證手段。