某乘用車前懸擺臂多工況道路載荷譜采集技術研究

陳宇，申娟

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

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某乘用車前懸擺臂多工況道路載荷譜采集技術研究

陳宇，申娟

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

以某乘用車麥弗遜式前懸擺臂為研究對象，采集整車在汽車試驗場強化道路各工況的應變，通過臺架標定的方法獲得擺臂載荷與應變關系，計算出相應工況下擺臂所受載荷。通過分析載荷譜時域和頻域，得到利于零部件設計的參數，同時為結構設計人員進行CAE分析提供數據支持，為零部件疲勞壽命試驗提供試驗條件。

擺臂；載荷譜；數據采集技術

0　引言

麥弗遜式獨立懸掛是最為常見的一種懸掛，多應用于家用轎車的前懸掛。如圖1所示，麥弗遜式獨立懸掛主要由擺臂和減振機構組成。

圖1　麥弗遜式前懸架

其中擺臂發揮著重要作用，用于約束轉向節在側向(Y)的位移、在縱向(X)的位移。擺臂如有質量問題，會導致車輛失控，會帶來致命安全事故。所以采集整車滿載情況下、在汽車試驗場強化耐久道路測試中各工況的載荷譜顯得尤為重要。結構設計人員可以利用該載荷譜對擺臂、前副車架和轉向節進行CAE分析。通過計算機仿真技術用載荷譜模擬和加載，預測壽命和反饋優化。這可以把試驗時間壓縮到原來的1/10、1/100，大大降低開發成本，縮短開發周期。在產品開發驗證階段，通過制定載荷譜試驗規范，按照規范要求的載荷譜對擺臂、前副車架和轉向節施加載荷。與傳統的等幅譜加載相比，使用載荷譜加載可以更加真實地反映上述零部件在用戶道路中的疲勞壽命。

1　擺臂受力分析及應變采集原理

如圖2所示，擺臂通過兩個襯套與副車架相連，通過一個球頭銷與轉向節相連，共3個連接點。對于擺臂而言，兩個襯套與副車架相連的兩個點為固定約束點。外來載荷通過與轉向節相連的球頭銷傳遞給擺臂縱向力Fx、側向力Fy、垂向力Fz。由于擺臂受到的垂向力被擺臂上面的兩個襯套較大程度地釋放，導致擺臂在垂向上的疲勞損傷非常小。因此對擺臂的載荷譜采集只選擇采集與轉向節相連的球頭銷受到的縱向力Fx和側向力Fy。如圖3所示，選擇在球頭銷的X和Y方向貼應變片。

圖2　擺臂

圖3　球頭銷貼片照片

將應變片貼在球頭銷上，使應變片隨球頭銷受力彎曲變形一起伸縮，促使應變片的金屬合金因伸縮變形改變電阻，通過測量電阻的變化實現對應變的測定。常見的應變片敏感柵使用銅鉻合金，其電阻變化率為常數，與應變呈正比例關系。即：

式中：R為應變片的原電阻值；ΔR為伸縮引起的電阻變化；K為比例常數(應變常數)；ε為應變。

由于應變是相當微小的變化，所以產生的電阻變化也極其微小。為了便于測量，需要使用惠斯通電橋將應變的電阻變化轉換成電壓信號，并放大電壓信號。考慮球頭銷貼片的空間比較小，在同一測量方向貼裝兩個應變片，組建具有溫度補償功能的半橋。半橋輸出電壓公式為：

式中：K為比例常數(應變常數)；ε為應變；Vo為電橋輸出電壓；Vi為電橋輸入電壓。

2　試驗樣件標定

模擬整車約束擺臂兩襯套安裝點，分別對擺臂X和Y向加載力，得到力和應變的標定曲線，由此得到標定系數。圖4和圖5分別為擺臂X和Y方向力-應變標定曲線。從圖中可以看出線性回歸方程中R2都逼近于1，說明力-應變關系線性度好，也說明了應變片的貼裝良好。

圖4　擺臂X方向力-應變曲線圖

圖5　球頭銷Y方向力-應變曲線

3　試驗場工況選擇

文中主要研究擺臂在典型路況中的載荷，所以選擇重慶西部汽車試驗場的耐久強化路及綜合評價路中28個典型工況進行載荷采集。具體路況見表1。

表1　耐久路及綜合評價路典型工況明細

4　多工況載荷譜采集

采用HBM公司的Somat eDAQ移動數據采集系統對載荷數據進行采集。如圖6所示，采集到擺臂X和Y方向的多工況載荷譜，可以獲得：X方向的峰值載荷為(10.41 kN,-6.524 kN)，Y方向的峰值載荷為(9.848 kN,-9.769 kN)。圖7所示為擺臂載荷譜頻域，可以得知X和Y方向能量主要集中在頻段0.5～2.5 Hz和15～25 Hz。

圖6　擺臂X和Y方向在多工況載荷譜

圖7　擺臂載荷譜頻域

5　載荷譜的應用

相比仿真或其他理論計算方式得到的擺臂載荷譜，通過試驗采集的擺臂載荷譜更能反映車輛在實際工況運行中擺臂的受力情況，為擺臂的設計和臺架試驗提供更為真實可靠的載荷輸入。基于實際工況采集到的擺臂受力載荷譜，為擺臂的設計和

臺架試驗提供以下幾個方面的支持：

(1)采集的擺臂載荷譜可以直接反映擺臂在實際工況下的受力情況，可以計算出襯套在各工況下的受力情況，方便襯套的優化設計；

(2)CAE分析時導入擺臂載荷譜，校驗擺臂、球頭銷和前副車架出現的最大應力小于所采用材料的最大允許應力，為擺臂、球頭銷和前副車架強度設計提供判定條件；

(3)CAE分析時導入擺臂載荷譜，對擺臂、球頭銷和前副車架進行疲勞壽命仿真計算，以滿足整車開發設計目標，大大減少了產品開發周期和成本；

(4)為模態分析提供載荷輸入，通過分析擺臂載荷譜的頻域，擺臂和前副車架的固有頻率應遠離功率譜中能量較大的頻率段，防止零部件在行駛中因出現嚴重共振帶來的過早失效；

(5)在臺架驗證試驗中，擺臂載荷譜為擺臂、球頭銷和前副車架進行載荷譜、八級譜、等幅譜加載試驗提供試驗條件和轉換依據。

6　結論

針對某乘用車麥弗遜式前懸架的擺臂，采集汽車試驗場強化耐久道路測試中的載荷譜，并對載荷譜時域和頻域進行了分析，獲取了擺臂在實際工況下的受力情況，為該乘用車的擺臂、副車架、襯套、球頭銷機構設計和改進、強度及CAE分析提供準確的數據來源，為后期的相應零部件試驗室臺架試驗提供有力的數據支撐。

【1】余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2007.

【2】王霄鋒.汽車可靠性工程基礎[M].北京：清華大學出版社，2007.

【3】趙少汴.抗疲勞設計[M].北京：機械工業出版社，1997.

Study on Load Spectrum Acquisition Technology for a Passenger Vehicle Front Suspension Sway Arm

CHEN Yu, SHEN Juan

(China Automotive Engineering Research Institute Co.,Ltd., Chongqing 401122, China)

Taking the MacPherson suspension sway arm of a passenger car as the research objective, the strains of the vehicle under different road conditions in a proving ground were collected. By bench calibration method, the relations between sway arm load and strain were obtained, the loads suffered by the sway arm under the corresponding conditions were calculated. The optimal parameters for parts design could be gotten by analyzing the load spectrum time domain and frequency domain. It provides data support for structure design personnel in CAE analysis, and provides test conditions for component fatigue life test.

Sway arm; Load spectrum; Data acquisition technology

2016-05-17

陳宇(1987—)，男，學士，助理工程師,主要研究方向為結構疲勞耐久。E-mail:chenyu@caeri.com.cn。

申娟(1985—)，E-mail:shenjuan@caeri.com.cn。

U463.33

B

1674-1986(2016)08-007-03