乘用車懸架系統(tǒng)極限強(qiáng)度臺(tái)架試驗(yàn)研究

梁煥彬 樊愿華 吳博龍 劉鑫 梁天開(kāi) 王高峰

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

1 前言

懸架系統(tǒng)的極限強(qiáng)度直接影響整車的安全性，其強(qiáng)度性能開(kāi)發(fā)主要遵循V字型研發(fā)流程。在試驗(yàn)驗(yàn)證階段，主要開(kāi)展零部件、系統(tǒng)、整車3個(gè)級(jí)別的試驗(yàn)。其中：零部件類極限強(qiáng)度試驗(yàn)用于快速驗(yàn)證零部件的失效部位及失效形式；懸架系統(tǒng)極限強(qiáng)度試驗(yàn)用于驗(yàn)證系統(tǒng)的極限受載能力及失效模式；整車類極限強(qiáng)度試驗(yàn)一般在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，以坑洼路沖擊、路肩沖擊為典型極限工況，從不同級(jí)別沖擊載荷、不同判定等級(jí)等方面對(duì)車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行考核。

以上各類試驗(yàn)中，零部件類試驗(yàn)的技術(shù)條件較為單一，而整車試驗(yàn)費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，受環(huán)境及操作人員因素影響較大，且精度低、重復(fù)度低。系統(tǒng)類試驗(yàn)可以在零部件裝配后，復(fù)原各零部件連接狀態(tài)及整車受力狀態(tài)，驗(yàn)證所有零部件及其連接處的強(qiáng)度，從而研究其結(jié)構(gòu)失效鏈，故本文針對(duì)懸架系統(tǒng)級(jí)的臺(tái)架強(qiáng)度試驗(yàn)方法展開(kāi)研究，主要針對(duì)工況的選擇、試驗(yàn)設(shè)備與臺(tái)架工裝設(shè)計(jì)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量與處理、試驗(yàn)結(jié)果的判定以及實(shí)際臺(tái)架應(yīng)用案例方面進(jìn)行分析。

2 工況的選擇

工況的選擇主要是指確定懸架的初始裝配狀態(tài)、加載點(diǎn)位置、加載方向及載荷加載的形式[1]。

懸架的初始狀態(tài)是指裝配后的懸架處于滿載、設(shè)計(jì)載荷、空載等狀態(tài)。加載點(diǎn)及加載方向如圖1所示，其中：加載點(diǎn)位置5個(gè)，包括輪心及輪緣的前方、后方、上方、下方4個(gè)點(diǎn)；加載方向?yàn)檎囎鴺?biāo)系的X向、Y向、Z向。

圖1 懸架系統(tǒng)的強(qiáng)度加載方案

在理想狀態(tài)下，臺(tái)架試驗(yàn)應(yīng)能關(guān)聯(lián)整車實(shí)際受力工況，特別是需要調(diào)查整車狀態(tài)下的失效模式。但整車工況通常受多個(gè)方向力的同時(shí)作用，如急減速通過(guò)減速帶同時(shí)承受X向和Z向的沖擊，受不同角度的路肩撞擊時(shí)承受X向和Y向的沖擊，而臺(tái)架只能對(duì)某個(gè)方向進(jìn)行其極限強(qiáng)度的驗(yàn)證。常見(jiàn)的加載方向工況如表1所示。

表1 懸架系統(tǒng)強(qiáng)度臺(tái)架試驗(yàn)工況

載荷加載的速度也是重要參數(shù)。靜強(qiáng)度試驗(yàn)要求的加載速度較低，一般可設(shè)置100 N/s或規(guī)定2 min內(nèi)完成試驗(yàn)，方便試驗(yàn)過(guò)程的觀察及評(píng)價(jià)；沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)要求的加載速度較高，例如，為了更接近實(shí)車撞擊工況，需要在幾十毫秒內(nèi)完成整個(gè)車輪側(cè)向變形位移的加載過(guò)程。

3 試驗(yàn)設(shè)備與臺(tái)架工裝的設(shè)計(jì)

靜強(qiáng)度試驗(yàn)通常采用伺服作動(dòng)器，一般為液壓伺服作動(dòng)器或電動(dòng)伺服作動(dòng)器。沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)采用的設(shè)備有多種，如擺錘、臺(tái)車、伺服作動(dòng)器等。

試驗(yàn)臺(tái)架的工裝必須保證懸架系統(tǒng)各零件按照實(shí)車狀態(tài)裝配，且具有比試驗(yàn)樣件更高的強(qiáng)度和剛度，確保工裝在試驗(yàn)過(guò)程中不發(fā)生失效及變形，主要設(shè)計(jì)步驟為：

a.根據(jù)已設(shè)計(jì)完成的零件數(shù)模裝配整個(gè)懸架系統(tǒng)，關(guān)注各零件的約束形式，確認(rèn)各硬點(diǎn)間的相對(duì)距離；

b.在懸架系統(tǒng)與車身連接的位置設(shè)計(jì)安裝夾具；

c.將整個(gè)懸架系統(tǒng)裝配至臺(tái)架框架內(nèi)，調(diào)整施載作動(dòng)器的高度，并將施載作動(dòng)器裝配在系統(tǒng)中；

d.根據(jù)不同的加載方向調(diào)整作動(dòng)器的位置，并確保裝配完成的加載作用點(diǎn)滿足空間布置要求；

e.在作動(dòng)器與輪胎替代件之間增加高度可調(diào)的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，根據(jù)不同車型輪心或輪轂邊緣位置高度的不同加以調(diào)節(jié)，保證加載過(guò)程中方向一致，有效消除施載作動(dòng)器的徑向力；

f.對(duì)所設(shè)計(jì)的夾具做強(qiáng)度校核，優(yōu)化夾具結(jié)構(gòu)，特別是沖擊強(qiáng)度反力裝置，進(jìn)行反力架受沖擊作用力時(shí)的強(qiáng)度校核。

g.依據(jù)試驗(yàn)加載行程的要求，在數(shù)模上模擬復(fù)現(xiàn)，以檢查夾具與懸架系統(tǒng)各零件是否存在動(dòng)態(tài)干涉。

根據(jù)以上步驟，本文設(shè)計(jì)了一種臺(tái)架方案，如圖2所示，約束部位采取框架式結(jié)構(gòu)，更改少量工裝即可實(shí)現(xiàn)多種不同懸架規(guī)格的裝配，提高了通用性及利用率。

圖2 懸架系統(tǒng)縱向加載試驗(yàn)臺(tái)架方案

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量與處理

懸架系統(tǒng)強(qiáng)度臺(tái)架試驗(yàn)一般需要測(cè)量加載載荷和加載的位移，可利用位移-載荷曲線測(cè)算屈服極限及峰值載荷。

如圖3所示，針對(duì)擬合的位移-載荷曲線提取斜率，發(fā)生明顯變化（25%）的拐點(diǎn)L1為屈服極限[2]，曲線中的峰值點(diǎn)L2為峰值載荷。

圖3 加載位移-載荷曲線

除位移-載荷曲線外，可以根據(jù)試驗(yàn)需求對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的一些變化量進(jìn)行測(cè)量，如關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變、零部件的相對(duì)位移變化、四輪定位參數(shù)中外傾角的變化。根據(jù)不同的測(cè)試需求制定不同的方案，本文以外傾角的測(cè)量為例開(kāi)展說(shuō)明。

外傾角測(cè)量所需設(shè)備為100 mm頂桿式位移傳感器2個(gè)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備1套。在車輪替代工裝上安裝測(cè)試用的位移傳感器，傳感器1通過(guò)輪心，傳感器2位于豎直向上距離為L(zhǎng)處，如圖4所示。

圖4 外傾角測(cè)量的傳感器布置方式

外傾角的計(jì)算公式為：

式中，α為外傾角；LA為傳感器1位移；LB為傳感器2位移。

實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，采集并計(jì)算獲得的外傾角與加載載荷的關(guān)系如圖5所示。可結(jié)合加載曲線分析判斷懸架系統(tǒng)的變形趨勢(shì)及屈服點(diǎn)等特征。

圖5 外傾角-載荷曲線

5 試驗(yàn)結(jié)果的判定

進(jìn)行極限強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，懸架系統(tǒng)的薄弱部件將發(fā)生失效，失效模式一般為屈服、斷裂、松脫，如圖6所示。

圖6 懸架系統(tǒng)極限強(qiáng)度試驗(yàn)常見(jiàn)失效模式

強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果一般依據(jù)載荷及懸架零部件的失效情況綜合判定。懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可以分多個(gè)層級(jí)描述不同的失效狀態(tài)，并給定對(duì)應(yīng)的載荷要求。結(jié)果判定示例如表2所示，分為4個(gè)層級(jí)，失效程度逐級(jí)遞增。其中，G為單輪滿載輪荷。

表2 懸架系統(tǒng)強(qiáng)度結(jié)果的判定

載荷要求可以通過(guò)整車試驗(yàn)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲取。由整車試驗(yàn)獲取時(shí)，先進(jìn)行整車極限載荷工況（如沖坑、路沿沖擊、緊急制動(dòng)等）試驗(yàn)，采集車輪處受力數(shù)據(jù)，并通過(guò)應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型解算出載荷系數(shù)Ks，載荷要求F=KsG[3]。

另外，對(duì)比試驗(yàn)前、后懸架系統(tǒng)各連接點(diǎn)的緊固力矩也是一種評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果的方法，如要求試驗(yàn)后力矩變化小于20%。

6 零部件臺(tái)架與系統(tǒng)臺(tái)架強(qiáng)度的結(jié)合應(yīng)用

零部件臺(tái)架具有快速驗(yàn)證的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)系統(tǒng)構(gòu)件出現(xiàn)強(qiáng)度缺陷時(shí)，可以通過(guò)零部件臺(tái)架快速驗(yàn)證優(yōu)化。零部件試驗(yàn)與系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)相結(jié)合，可以快速調(diào)查、驗(yàn)證質(zhì)量問(wèn)題，如圖7所示。

以某車型的后懸架系統(tǒng)強(qiáng)度驗(yàn)證為例，其在側(cè)向力工況下，失效模式為后上擺臂定位孔處斷裂，如圖8所示。其余工況也出現(xiàn)屈曲的失效現(xiàn)象，可以判斷為典型的最薄弱部件，需要進(jìn)行針對(duì)性改善。

圖8 后上擺臂斷裂失效模式

經(jīng)過(guò)初步分析，失效原因?yàn)槠涫菃伟鍥_焊件，板厚不足，屈曲強(qiáng)度低，大載荷作用下易出現(xiàn)斷裂或屈曲失效。進(jìn)一步分析，擺臂改進(jìn)為中空盒狀鈑金沖焊結(jié)構(gòu)，增大橫向斷面，并以此類型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。后上擺臂優(yōu)化方案如圖9所示。

圖9 后上擺臂優(yōu)化方案

設(shè)計(jì)優(yōu)化后，先進(jìn)行零部件臺(tái)架驗(yàn)證，如果零部件的屈曲強(qiáng)度存在明顯提高，則裝配到系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。反之，則需繼續(xù)改進(jìn)。后上擺臂優(yōu)化后零部件強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，由圖10可以看出，優(yōu)化后的屈曲強(qiáng)度為原方案屈曲強(qiáng)度的1.5倍，優(yōu)化效果較好。

圖10 后上擺臂優(yōu)化后零部件強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

零部件臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證通過(guò)后，在懸架系統(tǒng)臺(tái)架上對(duì)原失效工況及其他相關(guān)工況進(jìn)行驗(yàn)證，得出系統(tǒng)極限強(qiáng)度的載荷峰值比優(yōu)化前提高了25%，表明優(yōu)化有效，如圖11所示。

圖11 上擺臂優(yōu)化前、后懸架系統(tǒng)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

7 結(jié)束語(yǔ)

懸架系統(tǒng)極限強(qiáng)度試驗(yàn)需要選定合適的工況、設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)臺(tái)架以及完善試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的手段，以保證試驗(yàn)的精度和有效性。后續(xù)可通過(guò)試驗(yàn)量的累積，完善試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，獲得更有指導(dǎo)性的試驗(yàn)結(jié)果，為懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真提供有效參考，并為懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)一步輕量化提供方法支持，同時(shí)提升對(duì)售后零件失效形式的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能力。