摘要

應用整車道路模擬試驗進行懸架系統(tǒng)的耐久性驗證成本高，而在試車場強化試驗周期較長。針對該問題，提出一種懸架系統(tǒng)道路模擬試驗方法。通過對懸架系統(tǒng)道路模擬試驗的固定反力式裝置進行設計，結(jié)合某乘用車后懸架系統(tǒng)，利用新建立的懸架道路模擬試驗臺成功進行了道路模擬試驗。達到縮短懸架系統(tǒng)的驗證周期，節(jié)約試驗成本的目的。

室內(nèi)道路模擬試驗不受天氣、人力及場地因素影響，在室內(nèi)又能夠方便地進行一些研究和解決發(fā)現(xiàn)的實際問題，因此道路模擬試驗在產(chǎn)品開發(fā)中占有重要地位。目前，室內(nèi)道路模擬試驗主要是指整車道路模擬試驗，整車道路模擬試驗是對整車可靠性的綜合試驗，若單獨考核和研究懸架系統(tǒng)，進行整車道路模擬試驗成本較高，采用試車場測試周期較長。文章針對此問題，對懸架系統(tǒng)的道路模擬試驗進行了研究。

1 Miner 理論

Miner理論是線性疲勞累積損傷理論中的一類，由于文章研究的某乘用車后懸架系統(tǒng)所受的載荷較小，產(chǎn)生塑性變形的趨勢也比較小，屬于高周疲勞范疇，故采用Miner理論對各級應力循環(huán)造成的損傷進行累加來得到各單元的疲勞壽命值。估算完待測懸架系統(tǒng)的疲勞壽命后，就可以判斷各零部件的臺架模擬迭代結(jié)果和實際試車場路試結(jié)果的損傷誤差。

2 載荷譜采集

懸架在整車結(jié)構上處于車輪與車身之間，功能上承載著乘客、車身、發(fā)動機、變速箱等質(zhì)量，同時在道路行駛中直接承受著地面對車輪的作用力。當汽車在路面上行駛時，車輪所受的力可以分解為垂直力、側(cè)向力、縱向力、側(cè)向彎矩、制動力矩、轉(zhuǎn)向彎矩6個分力或力矩。所以為了采集較為精準的懸架系統(tǒng)道路載荷譜，需要根據(jù)懸架結(jié)構和關注部件的不同，選擇合適量程和精度的傳感器合理安裝在目標車輛上。其中，信號采集點的選擇原則通常為：

1）盡量選取靠近臺架各通道激勵點的位置作為控制采集點，這是考慮到離激勵點越遠，系統(tǒng)的非線性越大，模擬精度越低的緣故；

2）控制采集點的選取應盡可能與某一激勵載荷成線性關系，而與其它激勵載荷成正交關系，以便于迭代能夠盡快收斂。

以要進行試驗的懸架系統(tǒng)為對象，部分測試通道信息，如表1所示。



另外，為了保證載荷譜數(shù)據(jù)的準確性和有效性，還要防止采集到的數(shù)據(jù)發(fā)生信號混淆現(xiàn)象，所以數(shù)據(jù)采集頻率必須滿足采樣定理。根據(jù)實際情況，結(jié)合采樣定理，最終選定試驗數(shù)據(jù)采集頻率為512Hz。

3 數(shù)據(jù)處理

采回的懸架系統(tǒng)載荷譜數(shù)據(jù)不能直接作為臺架試驗的期望響應信號，必須加以編輯和處理，具體步驟如下：

1）數(shù)據(jù)檢查，剔除異常信號，去除趨勢項；

2）對信號進行頻域分析，濾除因干擾噪聲等引起的高頻信號；

3）去除試驗場過渡路載荷信號，保留典型路況載荷信號；

4）對5個循環(huán)數(shù)據(jù)進行疲勞損傷計算，選取可靠度為5%的損傷樣本，作為道路模擬試驗迭代目標信號（疲勞損傷計算時可以應用斜率k=5的疲勞壽命曲線）。

4 固定反力式裝置設計和試驗臺架建立

懸架系統(tǒng)道路模擬試驗的約束方式一般有慣性載荷反應式和固定載荷反應式2種。慣性載荷反應式的約束方式是指懸架系統(tǒng)直接固定在車身或車架上，雖然懸架系統(tǒng)會獲得良好的響應，但常造成車身或車架先于懸架部件破壞，所以使用固定載荷反應式的約束方式進行懸架道路模擬試驗。這就需要設計一套固定懸架系統(tǒng)的反力式裝置。在認真考慮懸架系統(tǒng)與反力固定裝置的連接剛度匹配和對其進行強度、通用性的研究后，設計整個反力固定裝置包括基座、鐵地板、龍門和一些調(diào)整支架。通過后期的試驗證明，該固定裝置不僅強度和剛度滿足試驗要求，而且可以針對不同的懸架系統(tǒng)進行道路模擬試驗。其3D設計示意圖，如圖1所示?；谳S耦合道路模擬機和設計制作完成后的懸架固定裝置，結(jié)合某乘用車后懸架系統(tǒng)，建立了懸架系統(tǒng)道路模擬試驗臺，如圖2所示。



5 模擬迭代過程和驅(qū)動信號迭代

5.1 迭代過程

懸架系統(tǒng)道路模擬試驗的迭代過程和方法與整車道路模擬試驗的基本一致，都是為了精準復現(xiàn)在試車場所采集的載荷數(shù)據(jù)。在迭代前，需要對試驗系統(tǒng)的電控參數(shù)進行調(diào)節(jié)，然后獲取系統(tǒng)傳遞函數(shù)，求解逆函數(shù)，再對目標信號進行非方陣迭代，設置迭代增益系數(shù)，最后生成驅(qū)動信號。

5.2 迭代算法和結(jié)果對比

驅(qū)動信號迭代算法是模擬迭代的關鍵所在。如果被試系統(tǒng)為線性不變的系統(tǒng)，將系統(tǒng)定義為一個多輸入、多輸出的振動響應系統(tǒng)，應用RPC軟件生成一個寬頻帶的白噪信號對新組建的系統(tǒng)進行輸入，定義為X，得到系統(tǒng)的響應信號，定義為Y，頻響函數(shù)矩陣定義為H，則有：



模擬精度的評價通常采用期望響應與響應信號均方根（RootMeanSquare，即RMS）的相對誤差進行評價，理論上要求控制點模擬迭代RMS差小于10%。但在懸架系統(tǒng)道路模擬的實際應用中，由于車身約束方式與實際不一致，通常需要六分力、懸架相對車身位移及懸架零部件內(nèi)部載荷共同作為控制點一起模擬迭代，一般控制點模擬迭代的RMS平均值在20%以內(nèi)即可終止迭代。以本次進行試驗的懸架系統(tǒng)為對象，其在某路況下的部分控制點模擬迭代RMS收斂程度誤差曲線，如圖3所示，其放大時域曲線對比，如圖4所示。在圖3和圖4中可以看到，控制點模擬迭代RMS小于20%，迭代時間歷程曲線重合度較高，說明迭代結(jié)果較好。



根據(jù)線性疲勞累積損傷理論，每一個載荷循環(huán)過程都會對零部件產(chǎn)生損傷，多個載荷循環(huán)損傷的累積，最終造成零部件的破壞。通過Miner理論，結(jié)合自行定義的S-N曲線，計算出懸架系統(tǒng)各單元的疲勞壽命，把迭代后的結(jié)果和期望信號做對比分析，結(jié)果表明，采用軸頭六分力信號和控制臂應變信號作為迭代期望響應、加速度信號和位移信號作為監(jiān)測迭代效果好壞的迭代方法能夠很好地再現(xiàn)懸架部件與道路相同的載荷激勵。

6 試驗結(jié)果

根據(jù)目標車輛在試車場道路試驗中出現(xiàn)的問題，并結(jié)合CAE計算分析的結(jié)果，對零部件高應力區(qū)噴涂裂紋顯影劑進行觀察，在室溫條件下，對懸架系統(tǒng)進行道路模擬試驗。結(jié)果暴露出減振器緩沖塊開裂、右前束支架限位凸起處斷裂等共7項問題，這些問題與整車在試車場道路試驗中出現(xiàn)的問題一致，證明了該方法的精準性。

7 結(jié)論

文章從提出一種懸架系統(tǒng)道路模擬試驗方法入手，對懸架系統(tǒng)道路模擬試驗進行研究，結(jié)果表明：

1）Miner理論是成功進行懸架道路模擬試驗的理論基礎，可以用于文章的試驗驗證；

2） 文章設計的懸架道路模擬固定裝置拆裝方便、強度高、通用性好，可以根據(jù)不同車型的懸架結(jié)構形式進行調(diào)整；

3）通過對比懸架道路模擬試驗與整車在試車場的道路試驗的結(jié)果，得出二者的懸架系統(tǒng)的試驗結(jié)果一致，表明應用懸架道路模擬試驗系統(tǒng)就可以很好地完成懸架系統(tǒng)的耐久性驗證，從而縮短了懸架系統(tǒng)的驗證周期，節(jié)約了試驗成本。