基于虛擬試驗場技術(shù)的汽車懸架緩沖塊虛擬調(diào)校

蔡劍 吳澤勛 車媛媛 賈寶光 李太梅 王德遠(yuǎn)

（重慶睿藍(lán)汽車研究院有限公司，重慶 401122）

1 前言

緩沖塊是底盤設(shè)計及調(diào)校的重要結(jié)構(gòu)之一[1]，僅從操穩(wěn)平順性能方面考慮其設(shè)計可能導(dǎo)致車身因受力過大產(chǎn)生疲勞失效等問題，故在緩沖塊的設(shè)計調(diào)校過程中，需綜合考慮操穩(wěn)平順性及耐久性能。

本文在某車型開發(fā)階段通過虛擬試驗場（Virtual Proving Ground，VPG）技術(shù)進(jìn)行耐久載荷預(yù)測，針對車身耐久仿真過程中緩沖塊載荷過大導(dǎo)致車身耐久損傷過大的問題，對緩沖塊進(jìn)行虛擬調(diào)校，以降低緩沖塊對車身的沖擊載荷，進(jìn)而降低疲勞風(fēng)險，并對方案進(jìn)行實車驗證。

2 虛擬試驗場載荷預(yù)測

VPG 技術(shù)基于整車多體動力學(xué)模型及路面模型進(jìn)行仿真，輸出用于車輛耐久分析的虛擬路譜。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，懸架的相關(guān)參數(shù)迭代更新頻繁，車輛載荷與其緊密相關(guān)，VPG 技術(shù)能夠快速響應(yīng)這些變化，并快速評估其對整車性能的影響[2]。

2.1 VPG仿真模型建立

根據(jù)整車軸荷、硬點、底盤彈性件等相關(guān)參數(shù)，在Adams/Car 中建立整車多體動力學(xué)模型，模型包含車身、前懸架、后懸架、動力總成、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如圖1所示。

由于FTire 輪胎模型具有高度的非線性特性和動態(tài)特性，在相同激勵下更能反映輪胎的實際特性，可在不規(guī)則路面條件下進(jìn)行載荷預(yù)測等相關(guān)工作[3]，故本文采用該模型開展仿真。

2.2 VPG仿真模型驗證

基于所建立的整車模型，分別對前、后懸架進(jìn)行K&C 仿真分析，并與試驗測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，K&C臺架仿真模型如圖2所示，前、后懸架剛度對比結(jié)果如圖3所示。仿真結(jié)果與試驗測試數(shù)據(jù)吻合度較高，因此該模型精度能夠滿足VPG仿真要求。

2.3 VPG載荷仿真及對標(biāo)驗證

基于經(jīng)驗證的整車動力學(xué)模型及試驗場路面模型，按照試驗規(guī)范車速進(jìn)行試驗場路面仿真及載荷提取，并與本文前期騾車實測路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證。試驗場耐久路面多達(dá)30 余種，主要包括瞬態(tài)沖擊路面、準(zhǔn)靜態(tài)路面及動態(tài)隨機(jī)路面，本文分別選擇每一類中具有代表性的顛簸路、扭曲路及比利時路進(jìn)行驗證，將仿真得到的輪心力與試驗采集的輪心力進(jìn)行對比，顛簸路仿真模型如圖4 所示。

顛簸路仿真與試驗對比結(jié)果如圖5 所示，載荷幅值與相位一致性均較高。由圖5 可知，VPG 模型能較好地再現(xiàn)實車瞬態(tài)沖擊試驗工況。

扭曲路車速較低，懸架運動近似于準(zhǔn)靜態(tài)，因仿真車速與試驗車速稍有差異，導(dǎo)致載荷幅值一致，但相位略有不同，如圖6所示。

圖7、圖8所示分別為比利時路面條件下汽車左前輪垂向載荷功率譜密度、穿級計數(shù)及雨流計數(shù)的仿真與試驗結(jié)果，由對比結(jié)果可知，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好。

3 車身耐久仿真及結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果

基于前文得到的虛擬路譜，對車身進(jìn)行耐久仿真，考慮車身載荷、材料、工藝等因素的離散性，耐久損傷目標(biāo)設(shè)定為小于0.5。仿真結(jié)果如圖9 所示，可以看出車身后緩沖塊安裝位置附近焊點損傷較大，其中最大損傷值達(dá)54.33，不滿足設(shè)計目標(biāo)要求。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，耐久仿真風(fēng)險區(qū)域主要集中在后緩沖塊安裝位置附近，后懸架結(jié)構(gòu)受力如圖10所示，分別作用于彈簧、緩沖塊及減振器，三者載荷對比如圖11所示?？梢钥闯?，緩沖塊所受載荷遠(yuǎn)大于彈簧及減振器受到的載荷，且在整個耐久里程中緩沖塊載荷幅值超出8 kN 的次數(shù)達(dá)10 000 多次，由此發(fā)現(xiàn)，緩沖塊載荷過大可能是導(dǎo)致車身損傷偏大的直接原因。

圖1 整車多體動力學(xué)模型

圖2 K&C仿真懸架模型

圖3 VPG仿真模型驗證結(jié)果

圖4 顛簸路仿真模型

圖5 顛簸路仿真與試驗結(jié)果對比

圖6 扭曲路仿真與試驗結(jié)果對比

圖7 比利時路面左前輪垂向載荷功率譜密度、穿級計數(shù)對比

圖8 比利時路面左前輪垂向載荷雨流計數(shù)對比結(jié)果

圖9 車身耐久仿真結(jié)果

圖10 后懸架結(jié)構(gòu)受力示意

圖11 緩沖塊、減振器、彈簧載荷對比

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)杠桿原理，懸架上跳極限的彈簧壓縮量Tscu與緩沖塊軸線上跳行程Tbu可分別表示為：

式中，Rs為空載狀態(tài)下彈簧杠桿比，本文取Rs=1；Rbp為緩沖塊杠桿比，本文取Rbp=1；Ttu為懸架上跳極限行程，本文Ttu的初始值為65 mm。

彈簧提供的支撐力包括預(yù)載及彈簧壓縮力，彈簧預(yù)載Fs及彈簧剛度Ks通過彈簧性能計算獲取，在計算彈簧上跳極限時，彈簧壓縮力Fscu為：

為保證懸架上跳行程，引入保護(hù)載荷Mb，并以最大滿載載荷Mmax的K倍作為緩沖塊保護(hù)目標(biāo)載荷M：

式中，K為緩沖塊限位滿載載荷系數(shù)。

根據(jù)杠桿原理及力平衡分析，上跳極限位置緩沖塊受力Fbpu可表示為：

緩沖塊壓縮極限位移Tbpu為：

式中，Cbp為緩沖塊間隙；ΔTm為減振器上支座變形量，由其結(jié)構(gòu)決定，一般取為0～5 mm；ΔTbush為襯套變形量，根據(jù)懸架柔性限位決定，一般為0～3 mm；g為重力加速度。

如圖9 所示，本文所研究整車的后懸架為整體橋懸架，緩沖塊布置在彈簧內(nèi)，Rs與Rbp均為1，目前耐久試驗與仿真均在滿載狀態(tài)下進(jìn)行，滿載狀態(tài)下Cbp=10 mm，而試驗場耐久路面大部分坑和坎的深度和高度遠(yuǎn)大于10 mm。

并且，此緩沖塊材質(zhì)為橡膠，對比以往車型的聚氨酯材質(zhì)緩沖塊，其剛度較大，壓縮極限為20 mm，兩種材質(zhì)緩沖塊剛度曲線對比如圖12所示。由圖11、圖12可以看出，耐久路面緩沖塊載荷幅值最大約為16 kN，此時緩沖塊已處于壓縮極限狀態(tài)。

圖12 緩沖塊剛度曲線對比

綜上，緩沖塊行程小且剛度大是造成車身載荷過大的根本原因，因而考慮通過對其進(jìn)行虛擬調(diào)校以減小其載荷。

4 緩沖塊虛擬調(diào)校

4.1 虛擬調(diào)校方案

由式（4）、式（5）可知，若整車的最大滿載載荷確定，則M的取值確定，在Ks不變的情況下，緩沖塊上跳極限位置緩沖塊受力Fbpu及壓縮極限Tbpu也為定值。由圖11可以看出，本文中緩沖塊處于極限狀態(tài)的次數(shù)較多，此時若要減小載荷，只能通過增大緩沖塊軸線上跳行程Tbu來減少緩沖塊處于壓縮極限的頻次。

由式（2）、式（6）可知，若緩沖塊安裝位置不變，則Rbp不變，Tbu由懸架行程Ttu決定，若要增大Tbu，則需增大Ttu。經(jīng)過校核，在滿足車輪上跳至最大行程時輪胎與輪罩不干涉、彈簧不“并圈”、減振器活塞不撞底的前提下，Ttu允許增大的極限值為15 mm。調(diào)校方案如圖13所示，在緩沖塊保護(hù)目標(biāo)載荷M保持不變的情況下，將最終限位點由a點平移至b點，即可實現(xiàn)Ttu由65 mm增大至80 mm。綜合考慮緩沖塊成本及安裝方式，決定通過縮短其安裝套筒長度來實現(xiàn)。

圖13 輪心力與位移曲線

4.2 調(diào)校方案驗證

4.2.1 耐久性虛擬驗證

基于調(diào)校方案更新整車動力學(xué)模型，再次進(jìn)行載荷仿真，圓形坑洼路調(diào)校前、后緩沖塊載荷結(jié)果對比如圖14所示，可以看出，調(diào)校后緩沖塊載荷下降明顯。

圖14 圓形坑洼路緩沖塊載荷調(diào)校前、后對比

優(yōu)化前、后車身相關(guān)載荷通道相對損傷如圖15所示，除彈簧及緩沖塊載荷通道外，其他通道載荷未發(fā)生明顯變化，其中緩沖塊載荷通道相對損傷為0.22，即調(diào)校后載荷下降明顯，因懸架行程增大，彈簧行程也同步增大，且其剛度較原方案未發(fā)生變化，故彈簧載荷較優(yōu)化前略有增大。彈簧載荷整體較小，遠(yuǎn)小于緩沖塊載荷，對耐久性的影響有限。

圖15 車身相關(guān)載荷通道相對損傷

由以上對比結(jié)果可以初步判斷，該調(diào)校優(yōu)化方案可有效改善車身耐久性能，為進(jìn)一步確認(rèn)該方案對車身耐久性的影響，基于調(diào)校后的載荷對車身進(jìn)行耐久仿真。如圖16 所示，焊點損傷大幅降低，仿真結(jié)果滿足目標(biāo)要求。

圖16 優(yōu)化后車身耐久分析結(jié)果

4.2.2 舒適性虛擬驗證

為校核調(diào)校方案對整車舒適性的影響，在車輛過減速帶沖擊的典型工況下進(jìn)行仿真分析。搭建整車仿真模型如圖17所示，減速帶寬度和高度分別300 mm、35 mm，通過車速為30 km/h，分別采用調(diào)校前、后的緩沖塊方案進(jìn)行仿真，調(diào)校前、后車身加速度對比結(jié)果如圖18所示。緩沖塊行程增大后，該工況下車身加速度峰值明顯降低，下降幅度達(dá)68.7%。

圖17 舒適性仿真模型

圖18 仿真結(jié)果對比

4.2.3 實車驗證

由上述虛擬驗證結(jié)果可以看出，調(diào)校方案對車身耐久性及過減速帶工況舒適性均有很大改善。在試驗場對搭載調(diào)校方案的實車進(jìn)行了道路耐久性試驗，車身及底盤均未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；同時進(jìn)行了調(diào)校前、后實車的主觀評價，調(diào)校方案對于過減速帶工況沖擊感有明顯改善。

5 結(jié)束語

本文基于虛擬試驗場技術(shù)進(jìn)行了整車耐久性載荷仿真及對標(biāo)試驗，基于實車載荷對車身進(jìn)行了耐久性仿真，針對車身后緩沖塊安裝位置耐久仿真損傷大的問題，通過對后懸架緩沖塊進(jìn)行虛擬調(diào)校，減小了車身載荷，實車順利通過耐久路試驗證，且整車舒適性也同步提升。

后續(xù)將嘗試綜合考慮操縱穩(wěn)定性、平順性及耐久等性能的調(diào)校優(yōu)化，以期尋求最優(yōu)的懸架參數(shù)組合，從而實現(xiàn)最佳的車輛性能表現(xiàn)。