乘用車懸架系統(tǒng)道路模擬試驗臺的研究

杜書 巫洋 劉明 劉志遠(yuǎn) 盧青天

（中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：懸架系統(tǒng) 道路模擬試驗系統(tǒng) 懸架固定系統(tǒng) 模擬迭代

1 前言

乘用車懸架系統(tǒng)是指車身以及輪胎之間的彈簧和避振器等構(gòu)件組成的整個車體支持系統(tǒng)，包括彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和減振器[1]。由于懸架系統(tǒng)的組成零件多，而且裝配和安裝的尺寸精度要求較高，目前針對懸架的臺架試驗主要是單獨的零部件試驗且大多以單向加載為主，與實車狀態(tài)下復(fù)雜的受力情況相差較大，導(dǎo)致臺架的失效形式與實際失效形式不一致，無法真正起到檢驗產(chǎn)品的作用。而道路模擬試驗可以快速、準(zhǔn)確暴露懸架的薄弱環(huán)節(jié)，能夠有效評價懸架的耐久性。因此近年來懸架道路模擬試驗受到了國內(nèi)外汽車工程界的普遍重視。

從實際出發(fā)，基于道路模擬試驗系統(tǒng)，通過載荷測試、CAE分析和RPC模擬迭代等技術(shù)，利用CATIA軟件等工具設(shè)計了懸架固定系統(tǒng)，最終搭建懸架系統(tǒng)道路模擬試驗臺并成功進(jìn)行了試驗，驗證了懸架系統(tǒng)道路模擬試驗臺符合相關(guān)要求，也證明了懸架固定系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

2 道路模擬試驗臺組成和工作流程

道路模擬試驗系統(tǒng)是由六分力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和軸耦合道路模擬試驗系統(tǒng)組成。其工作原理為：對被試驗車輛按照試驗?zāi)途眯砸?guī)范在汽車試驗場進(jìn)行典型路況載荷譜采集，這個過程主要是靠六分力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成的；載荷譜采集完成后對信號進(jìn)行分析處理，包括時域分析、頻域分析、加速處理以確定期望響應(yīng)信號；載荷譜信號分析完成后在軸耦合道路模擬系統(tǒng)上，利用RPC軟件通過迭代控制技術(shù)還原期望響應(yīng)信號，并獲取臺架驅(qū)動信號；最后利用驅(qū)動信號進(jìn)行整車或懸架系統(tǒng)道路模擬試驗[2]。

3 懸架道路模擬固定系統(tǒng)組成和功能

3.1 設(shè)計構(gòu)思

通常懸架系統(tǒng)道路模擬試驗的約束方式有兩種，為慣性反力式和固定反力式。慣性反力式是由車身或車架固定懸架系統(tǒng)后與道路模擬機(jī)相連，試驗時懸架系統(tǒng)可以獲得良好響應(yīng)，但由于車身或車架質(zhì)量或剛度等原因，車身或車架會被經(jīng)常的維修、焊接，所以用固定反力的約束方式來替代慣性反力的約束方式，懸架固定反力式約束系統(tǒng)可簡稱為懸架固定系統(tǒng)。

懸架固定系統(tǒng)的設(shè)計要依據(jù)軸耦合道路模擬試驗機(jī)的客觀條件和載荷譜綜合考慮懸架固定系統(tǒng)各個部分剛度、頻響、解耦因素對試驗的影響，同時在限定載荷范圍內(nèi)滿足試驗壽命要求。基座裝置應(yīng)充分考慮工裝夾具的通用性和耐久性，調(diào)整裝置應(yīng)充分考慮懸架與車身替代點處的連接方式，避免懸架系統(tǒng)在模擬迭代中改變受力狀態(tài)，影響試驗結(jié)果。結(jié)合上述各影響因素，完成懸架道路模擬固定系統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)計示意如圖1所示。

圖1 固定系統(tǒng)設(shè)計示意

3.2 組成和功能

懸架道路模擬固定系統(tǒng)包括基座部分和調(diào)整部分。基座部分由底座、鐵地板和龍門組成；調(diào)整裝置由橫梁、側(cè)向調(diào)整支架、減振器支架、彈簧支架和縱向平面調(diào)整支架組成，能根據(jù)不同車型的懸架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行調(diào)整。

底座為固定高度或高度可調(diào)的基座（上表面有螺紋孔），用于固定連接鐵地板并支撐鐵地板、龍門和調(diào)整部分；鐵地板表面有12個通孔，用于與底座固定連接，又有兩條T型槽，用于與龍門沿第一水平方向可滑動連接；龍門底座四周有若干個通孔，用以固定連接鐵地板，兩側(cè)有橫、豎方向長槽孔，其保證調(diào)整部分尺寸可調(diào)；側(cè)向調(diào)整支架可在龍門側(cè)平面合適位置固定，同時連接縱向平面調(diào)整支架；縱向調(diào)整支架與橫向調(diào)整支架沿第二水平方向可滑動連接，用于固定副車架車身安裝點；橫梁與龍門沿第一水平方向可滑動連接，用以調(diào)整懸架輪心位置，其上固定減振器支架和彈簧支架；減振器支架和彈簧支架用以調(diào)整減振器或彈簧的相對角度。由于前懸架系統(tǒng)的彈簧和減振器多為一體式結(jié)構(gòu)，而后懸架系統(tǒng)的彈簧和減振器常常是分開的，所以一般前懸架系統(tǒng)的減振器支架和彈簧支架設(shè)計是合并為一的，而拆分為二的設(shè)計，多用于后懸架系統(tǒng)。

4 懸架道路模擬試驗臺的搭建

首先將側(cè)向調(diào)整支架按照尺寸連接到龍門上，再將縱向平面調(diào)整支架根據(jù)試驗懸架的車身連接點尺寸連接到側(cè)向調(diào)整支架上，連接懸架系統(tǒng)到裝置上，將橫梁根據(jù)尺寸安裝到龍門頂端，然后同樣根據(jù)尺寸連接減振器支架、彈簧支架，連接完成后，把彈簧和減振器與裝置相連，龍門部分搭建完成；將鐵地板通過螺栓連接到底座上，把連接好的龍門通過壓板安裝到鐵地板上，用壓板把底座固定到軸耦合道路模擬試驗區(qū)的合適位置，最后在車輪中心位置連接軸耦合道路模擬機(jī)進(jìn)行迭代和道路模擬試驗。以某乘用車的后懸架系統(tǒng)為例，其試驗臺3D搭建示意和搭建完成圖分別見圖2和圖3。

圖2 試驗臺3D搭建示意

圖3 試驗臺實際搭建

5 懸架試驗?zāi)M迭代

懸架系統(tǒng)試驗臺搭建完成后，應(yīng)用RPC軟件生成白噪信號對新組建的試驗臺進(jìn)行系統(tǒng)識別，對試車場可靠性路面信號進(jìn)行編輯處理，去除掉對疲勞影響不大的中間過度路段信號，剩余的較強(qiáng)信號作為臺架期望響應(yīng)信號。

控制器、伺服閥、作動器、懸架系統(tǒng)、傳感器定義為一個統(tǒng)一系統(tǒng)，求解這一系統(tǒng)的頻響函數(shù)。應(yīng)用RPC軟件生成一個寬頻帶的白噪信號X(f)對新組建的試驗臺進(jìn)行輸入，得到試驗的響應(yīng)信號Y(f)，根據(jù)公式（2）求解得到試驗的頻響函數(shù)H(f)，然后根據(jù)公式（3）對期望響應(yīng)信號進(jìn)行多次模擬迭代，求得最終滿足要求的驅(qū)動信號。

式中，Y(f)為響應(yīng)信號函數(shù)矩陣；X(f)為驅(qū)動信號函數(shù)矩陣；H(f)為系統(tǒng)頻響函數(shù)矩陣。

由公式（1）得：

式中，X-1(f)為驅(qū)動信號傳遞函數(shù)矩陣的逆矩陣。

式中，H-1(f)為試驗頻響函數(shù)矩陣的逆矩陣。

由RPC技術(shù)獲得的響應(yīng)信號并不能百分之百的與期望響應(yīng)信號等同，一般離激勵點越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的非線性越大，模擬精度越低。模擬精度的評價通常采用期望響應(yīng)與響應(yīng)信號均方根（Root Mean Square，RMS）的相對誤差進(jìn)行評價。

利用系統(tǒng)識別的傳遞函數(shù)經(jīng)過多次模擬迭代，求得最終滿足要求的驅(qū)動信號，理論上要求控制點模擬迭代RMS差小于10%[3]。但在懸架系統(tǒng)道路模擬的實際應(yīng)用中，由于車身約束方式與實際不一致，僅將六分力作為控制點，將導(dǎo)致懸架內(nèi)部載荷誤差較大，因此通常需要六分力、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，一般保證控制點模擬迭代的RMS平均值在20%以內(nèi)即可。

參照圖4，以本次進(jìn)行試驗的懸架系統(tǒng)為對象，其誤差曲線如圖4所示，以魚鱗坑作為示例的時域曲線對比的放大如圖5所示。

圖4 懸架系統(tǒng)模擬迭代誤差曲線

圖5 以魚鱗坑為例的時域曲線

6 道路模擬試驗

6.1 試驗方法

根據(jù)懸架系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)要求，將模擬迭代所得的試車場典型路況的驅(qū)動信號進(jìn)行分析處理，編制循環(huán)數(shù)，確定為本試驗的目標(biāo)信號，同時用六分力假體代替六分力傳感器，進(jìn)行道路模擬試驗。部分工況試驗時長及循環(huán)次數(shù)如表1所示。

表1 本次試驗部分循環(huán)工況和循環(huán)次數(shù)列舉

6.2 試驗條件和結(jié)果

根據(jù)CAE計算分析結(jié)果和試車場路試出現(xiàn)的問題，并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗，對零部件高應(yīng)力區(qū)噴涂裂紋顯影劑進(jìn)行觀察，在室溫條件下，對懸架系統(tǒng)進(jìn)行道路模擬試驗。試驗時，做好設(shè)備、減振器和橡膠液壓懸置的冷卻，同時做好試驗檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。試驗結(jié)果顯示，該懸架系統(tǒng)完成了當(dāng)量用戶里程，懸架系統(tǒng)樣件無損壞。

7 結(jié)論

通過設(shè)計懸架固定系統(tǒng)，基于道路模擬試驗系統(tǒng)，應(yīng)用RPC模擬迭代等技術(shù)，搭建懸架道路模擬試驗臺，完成道路模擬迭代及耐久試驗。結(jié)果表明，設(shè)計的道路模擬試驗臺可以很好再現(xiàn)懸架在道路上的載荷激勵，并能成功進(jìn)行懸架道路模擬試驗，且懸架固定系統(tǒng)無損壞。從而驗證了懸架道路模擬試驗臺符合相關(guān)要求，懸架固定系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。這不僅為懸架系統(tǒng)開發(fā)提供了可靠的數(shù)據(jù)，也對線性作動器耐久試驗臺的設(shè)計和應(yīng)用提供了參考。