某汽車懸架耐久性實(shí)驗(yàn)載荷譜的采集

陳 敏

CHEN Min

（上海匯眾汽車制造有限公司 產(chǎn)品工程部，上海 200122）

某汽車懸架耐久性實(shí)驗(yàn)載荷譜的采集

The collection of the automotive suspension’s load spectrum in the durability test

陳 敏

CHEN Min

（上海匯眾汽車制造有限公司 產(chǎn)品工程部，上海 200122）

為了研究某汽車懸架系統(tǒng)耐久性快速評價(jià)技術(shù)，需要對懸架進(jìn)行實(shí)車道路載荷譜的采集。文中主要介紹了載荷譜采集前的方案確定、傳感器標(biāo)定，以及采集過程中實(shí)驗(yàn)道路與工況選擇、儀器設(shè)備安裝連接等。本文的工作，可為其他新開發(fā)的汽車零部件的載荷譜測定提供系統(tǒng)的技術(shù)參考，為提高我國汽車的研發(fā)水平和競爭能力提供技術(shù)支持。

汽車懸架；載荷譜；應(yīng)變片；傳感器

0 引言

長期以來，我國汽車業(yè)的整車和零部件的設(shè)計(jì)開發(fā)和耐久性評價(jià)技術(shù)相對滯后，研究積累比較薄弱，只注重車型開發(fā)，忽視了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累，特別是載荷譜的積累。而載荷譜是汽車先進(jìn)開發(fā)和耐久性評價(jià)的核心基礎(chǔ)，它可為汽車耐久性實(shí)驗(yàn)和評價(jià)提供依據(jù)。毋庸置疑，這制約了整車開發(fā)的水平。本文將以汽車懸架為對象，探討載荷譜采集的一些關(guān)鍵技術(shù)。

汽車懸架是汽車上影響汽車安全性、平順性、操穩(wěn)性、耐久性和可靠性的關(guān)鍵部件，懸架的主要功用就是傳遞來自車輪的力并承受車身的質(zhì)量。為了研究某汽車懸架的耐久性快速評價(jià)技術(shù)，需要知道進(jìn)行室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)時(shí)準(zhǔn)確的零部件工作載荷，即對應(yīng)的耐久性實(shí)驗(yàn)載荷譜。通常，該耐久性實(shí)驗(yàn)載荷譜由實(shí)車道路試驗(yàn)的載荷譜數(shù)據(jù)（在實(shí)際運(yùn)用地區(qū)的公路以及試驗(yàn)場測得）進(jìn)行評估和外延得到[1]。近些年發(fā)展了六分力測量輪技術(shù)，可以比較準(zhǔn)確的記錄下行駛過程中車輪上的六個(gè)分力，這樣對整車進(jìn)行道路模擬時(shí)可以獲得更精確的當(dāng)量關(guān)系。但是要研究具體零件（如懸架桿系結(jié)構(gòu)）上的受力時(shí)，需要對這些分力進(jìn)行轉(zhuǎn)換，仍然會產(chǎn)生數(shù)據(jù)偏差，且不方便。所以，具體零件的載荷采集仍不可缺少。下面介紹某汽車懸架載荷譜采集的全過程。

1 懸架系統(tǒng)載荷譜采集方案的確定

本文的研究對象為某汽車的后懸架，其結(jié)構(gòu)形式為滑柱（桿）連桿（擺臂）式，也稱為麥弗遜式，它由前后橫臂、縱臂、螺旋彈簧及減振器組成，如圖1所示。該懸架結(jié)構(gòu)雖然比較簡單，但受力情況比較復(fù)雜。本試驗(yàn)主要測量參量是懸架桿系的應(yīng)變響應(yīng)、汽車行駛過程中車身相對車輪的位移和輪心加速度。

圖1 懸架結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 載荷受力形式分析

車輛在行駛中，車輪受到來自地面縱向（X）、側(cè)向(Y)和垂向(Z)三個(gè)方向的力（如圖2所示）。

圖2 左后懸架受力示意圖

觀察圖2所示懸架結(jié)構(gòu)，車輪三個(gè)方向的力傳遞到懸架上，對各桿件分別產(chǎn)生拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)的作用，得到懸架上主要零件的受力情況如表 1所示。

表1 懸架左后輪各桿件受力分析

由于前后橫臂和縱臂與車輪車身以及橫向穩(wěn)定桿和車身連接處等都是通過襯套的柔性連接，當(dāng)承受載荷時(shí)，襯套的變形可以抵消部分零件的應(yīng)變。因此，部分載荷的作用在測取時(shí)可以忽略，如垂向力對前后橫臂的彎曲和側(cè)向力對橫向穩(wěn)定桿產(chǎn)生的拉壓應(yīng)變。

1.2 傳感器類型選擇

懸架桿系的應(yīng)變響應(yīng)由應(yīng)變傳感器測取；為了考察在汽車行駛過程中車身相對車輪的位移,即減振器的位移,選擇拉線式位移傳感器進(jìn)行測量；汽車行駛過程中側(cè)向、縱向和垂向三個(gè)方向加速度變化情況由壓電式三向加速度傳感器測量。

1.3 傳感器布置

應(yīng)變傳感器的布置涉及到兩個(gè)問題:測點(diǎn)位置和測量方向的確定。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)變測點(diǎn)位置，總是選定在結(jié)構(gòu)動應(yīng)力最敏感的地方，特別是應(yīng)力集中點(diǎn)。可根據(jù)結(jié)構(gòu)受力分析選擇測點(diǎn)，并利用結(jié)構(gòu)對稱性，以最少的測點(diǎn)達(dá)到最佳的測量效果；應(yīng)變測量方向，應(yīng)沿主應(yīng)力方向，若主應(yīng)力方向未知，應(yīng)采用應(yīng)變花測量。

為了防止臺架試驗(yàn)中迭代驅(qū)動信號時(shí)出現(xiàn)多軸耦合的現(xiàn)象，在應(yīng)變測量時(shí)可以忽略對測量部位應(yīng)變貢獻(xiàn)不大的力的作用，具體要在粘貼應(yīng)變片時(shí)通過布片方式來排除。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，分別選取橫臂和縱臂拉壓應(yīng)變信號與立柱拉壓信號作為側(cè)向、縱向和垂向載荷的迭代目標(biāo)信號，同時(shí)測取橫臂和縱臂彎曲和扭轉(zhuǎn)信號及橫向穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)、彈簧扭轉(zhuǎn)信號、立柱的側(cè)向彎曲等信號作為監(jiān)測信號。

為了減少通道數(shù)，由于前后橫臂受力情況基本一樣，只選擇前橫臂中間部分測扭轉(zhuǎn)，后橫臂車輪端和車身端測彎曲進(jìn)行對比和中間端測拉壓，縱臂中間測拉壓，一端測彎一端測扭。

綜合以上分析，總共需要貼11組應(yīng)變片。懸架測點(diǎn)方案如表2所示。

表2 懸架測點(diǎn)方案

位移傳感器和三向加速度壓電傳感器，布置比較簡單，主要是分別固定在后減振器上和輪心處即可。

2 傳感器制作

確定好應(yīng)變測點(diǎn)之后，接下來就要在各測點(diǎn)粘貼應(yīng)變片。應(yīng)變片的粘貼是一項(xiàng)極具細(xì)心及經(jīng)驗(yàn)的工作，整個(gè)過程包括了設(shè)計(jì)布片方案、選片、打磨、畫線、清洗、粘貼、固化、檢查、固定導(dǎo)線、對貼片構(gòu)件進(jìn)行測試等步驟[2]。貼片后的零件如圖3所示。

圖3 貼片后的懸架零件

3 傳感器標(biāo)定

懸架系統(tǒng)受力比較復(fù)雜，為了得到采集到的應(yīng)變信號和懸架部件實(shí)際載荷的關(guān)系，在道路測試前需要對各測試部件進(jìn)行標(biāo)定，得到載荷-應(yīng)變標(biāo)定曲線。

本試驗(yàn)的目的是得到快速耐久性試驗(yàn)加載譜，而臺架上迭代時(shí)主要使用橫縱臂拉壓應(yīng)變信號和減振器立柱上的拉壓信號，彈簧是實(shí)際使用中最容易發(fā)生斷裂的部件，其剪切應(yīng)變信號可以作為評價(jià)懸架系統(tǒng)壽命的依據(jù)，因此，這里主要給出以上四種信號的標(biāo)定曲線。如圖4-圖7所示。

圖4為懸架后橫臂承受拉壓載荷時(shí)載荷-應(yīng)變標(biāo)定曲線，經(jīng)擬合，標(biāo)定系數(shù)為-0.0322KN/με。

圖4 后橫臂拉壓載荷標(biāo)定曲線

圖5為懸架縱臂承受拉壓載荷時(shí)載荷-應(yīng)變標(biāo)定曲線，經(jīng)擬合，標(biāo)定系數(shù)為0.0328KN/με。

圖5 縱臂拉壓載荷標(biāo)定曲線

圖6、圖7為懸架減振器承受拉壓載荷時(shí)立柱及彈簧載荷-應(yīng)變標(biāo)定曲線，經(jīng)擬合，立柱標(biāo)定系數(shù)為0.0418KN/με，彈簧標(biāo)定系數(shù)為0.0009KN/με。

圖6 立柱拉壓載荷標(biāo)定曲線

圖7 彈簧拉壓載荷標(biāo)定曲線

4 懸架載荷譜采集

4.1 試驗(yàn)道路和試驗(yàn)工況

道路試驗(yàn)選擇430m強(qiáng)化的比利時(shí)路；按裝載情況和車速共采集10個(gè)工況，如表3所示。

表3 路試工況

4.2 試驗(yàn)設(shè)備安裝與連接

試驗(yàn)車一輛，Imc公司CRONOS-PL2-DIO-ET多通道數(shù)據(jù)采集儀2臺，裝有Imc數(shù)據(jù)采集軟件的筆記本電腦一臺，路由器一個(gè)，蓄電池兩組，拉線式位移傳感器一個(gè)，壓電式三向加速度傳感器一個(gè)，120Ω（3×5）電阻應(yīng)變片若干，T型應(yīng)變片若干組。

實(shí)車道路測試需要將貼有應(yīng)變片的懸架系統(tǒng)連同數(shù)據(jù)采集設(shè)備一起裝到試驗(yàn)車，并安裝位移傳感器及三向加速度傳感器。貼片后懸架系統(tǒng)安裝如圖8所示，位移傳感器和加速度傳感器安裝如圖9和圖10 所示。

圖8 懸架系統(tǒng)安裝

圖9 位移傳感器安裝

圖10 加速度傳感器安裝

測試系統(tǒng)連接情況如圖11所示。

載荷測試系統(tǒng)安裝至試驗(yàn)車后，需要對數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行設(shè)置和調(diào)試。其中采樣頻率為500HZ，為了防止其他信號干擾，采集時(shí)對信號進(jìn)行80HZ低通濾波。為了得到試驗(yàn)車自身靜載荷產(chǎn)生的應(yīng)變，首先將試驗(yàn)車后輪頂起讓懸架保持自由狀態(tài)，對測試系統(tǒng)進(jìn)行橋路平衡調(diào)零，然后將后輪放下采集到靜載數(shù)據(jù)，作為以后壽命計(jì)算的參考。最后，按照事先制訂的試驗(yàn)工況進(jìn)行道路測試，并將采集到的數(shù)據(jù)保存。

圖11 測試系統(tǒng)連接示意圖

5 結(jié)論

1）本文根據(jù)某汽車懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力分析情況，確定了載荷譜采集方案，并給出了貼片后主要部件的載荷-應(yīng)變標(biāo)定曲線，最后介紹了實(shí)車測試的試驗(yàn)工況及儀器安裝連接情況。通過對本次現(xiàn)場實(shí)地測試所得載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行評估和外延，可制定出供耐久性試驗(yàn)用的試驗(yàn)加載譜。2）本文所介紹的載荷譜采集方法與思路可應(yīng)用于大規(guī)模汽車道路載荷譜采集，對于研究汽車耐久性快速評價(jià)技術(shù)具有重要意義。

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TP391

B

1009-0134(2010)11(上)-0027-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).09

2010-04-23

國家自然科學(xué)基金（50875173）；上海市教育委員會科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目（09ZZ157）；上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助（J50503）

陳敏 （1969 -），男，上海人，工程師，本科，主要從事乘用車底盤懸架產(chǎn)品開發(fā)等工作。