基于虛擬隨機(jī)譜的汽車懸架耐久開發(fā)

蔡其剛，劉新，畢世勛，戴強(qiáng)

(1.寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司，浙江寧波 315336；2.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

0 引言

在汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中,耐久性試驗(yàn)是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一,它既是檢驗(yàn)產(chǎn)品是否滿足設(shè)計(jì)要求的有效途徑,又為進(jìn)一步的修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。同時(shí)，隨著虛擬載荷譜技術(shù)的不斷發(fā)展，以及試驗(yàn)設(shè)備的不斷升級(jí)完善，汽車在室內(nèi)開展虛擬隨機(jī)譜耐久試驗(yàn)又將迎來(lái)一次突破性的進(jìn)展,本文作者對(duì)虛擬隨機(jī)譜試驗(yàn)在汽車懸架耐久性領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析介紹,為汽車懸架虛擬隨機(jī)譜耐久性試驗(yàn)的深入研究打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

1 乘用車底盤懸架耐久性能虛擬隨機(jī)譜試驗(yàn)方法

工程人員運(yùn)用虛擬隨機(jī)譜進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)會(huì)自然地要求作用在試件上的隨機(jī)過程的臺(tái)架響應(yīng)譜(Response Spectrum，RSP)與預(yù)期的隨機(jī)過程的原始目標(biāo)譜(Destination Spectrum，EDT)盡可能一樣。這個(gè)問題就是按指定的RSP來(lái)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行加載。當(dāng)試驗(yàn)系統(tǒng)存在明顯的模型誤差時(shí)，要按指定的RSP來(lái)模擬載荷譜就十分困難。因?yàn)榻o系統(tǒng)輸入一個(gè)RSP，則這個(gè)RSP不但受到系統(tǒng)傳遞函數(shù)的加權(quán)，而且還受到模型誤差的干擾。由于試驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)固定，所以還需要用到一些先進(jìn)的濾波方法(如維納濾波、卡爾曼濾波等)來(lái)消除系統(tǒng)的模型誤差以達(dá)優(yōu)化系統(tǒng)的目的。

1.1 虛擬隨機(jī)譜原理

為解決汽車懸架系統(tǒng)的疲勞耐久性能評(píng)估，近年來(lái)，很多工程人員及學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的分析與研究[5]。而隨機(jī)譜是汽車先進(jìn)開發(fā)和耐久性評(píng)價(jià)的核心基礎(chǔ)，它可為汽車耐久性試驗(yàn)和評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

傳統(tǒng)的隨機(jī)譜[1-4]，是通過使用實(shí)車在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)車采集得來(lái)。這種信號(hào)受外界及個(gè)體的干擾較大(如車速、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置及懸架襯套參數(shù)等)。而虛擬隨機(jī)譜，首先將試驗(yàn)場(chǎng)的路面特征進(jìn)行掃描，并輸入到CAE軟件中，作為虛擬樣車基于虛擬路面的激勵(lì)信號(hào)。然后將虛擬樣車輪心及各關(guān)鍵受力點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)采集下來(lái)。稱之為虛擬隨機(jī)(載荷)譜。該信號(hào)的穩(wěn)健性遠(yuǎn)優(yōu)于實(shí)車采集信號(hào)。

1.2 虛擬載荷譜輸入?yún)?shù)

CAE部門通過Adams軟件，模擬實(shí)車在道路上的運(yùn)行情況，將輪心及各個(gè)零部件的受力情況進(jìn)行虛擬采集。涉及的輸入?yún)?shù)包括整車質(zhì)量，前后軸荷，簧下質(zhì)量，質(zhì)心坐標(biāo)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，硬點(diǎn)，前后懸架襯套、彈簧、減震器、穩(wěn)定桿參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)，輪胎參數(shù)及四輪定位參數(shù)等。圖1為某雙橫臂前懸架減震器的阻尼力曲線。圖2為基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的輪胎模型，其幾何結(jié)構(gòu)包含鋼絲層、胎體、胎面外輪廓，最大半徑，動(dòng)態(tài)滾動(dòng)周長(zhǎng)等[6]。

圖1 某雙橫臂前懸架減震器的阻尼力曲線

圖2 輪胎模型

1.3 虛擬隨機(jī)譜輸出參數(shù)

虛擬隨機(jī)譜仿真輸出結(jié)果，主要包括Strength Load，Chassis rig Load，Body Rig Load。

表1為底盤懸架系統(tǒng)耐久循環(huán)工況(部分)。

表1 底盤懸架系統(tǒng)耐久循環(huán)工況(部分)

2 懸架系統(tǒng)臺(tái)架耐久試驗(yàn)方法

試驗(yàn)需要借助專門的12通道試驗(yàn)設(shè)備方能開展，針對(duì)主動(dòng)懸架系統(tǒng)，如果試驗(yàn)過程中需要體現(xiàn)主動(dòng)懸架功能，還需要提供空氣彈簧壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及CCD主動(dòng)減震器供電系統(tǒng)。文中以被動(dòng)懸架系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。

2.1 試驗(yàn)樣件的標(biāo)定

貼片標(biāo)定[1]，是支持試驗(yàn)開展的基礎(chǔ)。以前懸架為例，通常需要標(biāo)定的點(diǎn)包括：上擺臂球心、下擺臂球心、轉(zhuǎn)向橫拉桿(僅軸向力)、穩(wěn)定桿連接桿(僅軸向力)、左右減震器(僅軸向力及軸向位移)，輪心處六分力設(shè)備(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)，無(wú)需單獨(dú)貼片。圖3為某雙橫臂前懸架穩(wěn)定桿連桿貼片標(biāo)定樣件及標(biāo)定結(jié)果。

圖3 穩(wěn)定桿連桿貼片及標(biāo)定結(jié)果

2.2 臺(tái)架對(duì)標(biāo)

臺(tái)架對(duì)標(biāo)的目的是指按curb+2、curb+5及RTL(Rig Test Load,)配載后，與理論分析的輪心位置點(diǎn)進(jìn)行擬合，并將對(duì)應(yīng)擬合點(diǎn)的輪心6分力及其他貼片點(diǎn)對(duì)應(yīng)的力值提取出來(lái)，然后提供給CAE工程師，以便進(jìn)一步修正CAE模型。

2.3 虛擬隨機(jī)譜RLD(Road Load Data)更新

CAE工程師根據(jù)試驗(yàn)工程師提供的對(duì)標(biāo)信號(hào)更新虛擬隨機(jī)譜，再次輸出給試驗(yàn)工程師。

對(duì)標(biāo)信號(hào)主要包括垂向靜態(tài)工況、垂向動(dòng)態(tài)工況、垂向脈沖工況、縱向靜態(tài)工況、縱向脈沖工況等。以垂向靜態(tài)工況為例(懸架上跳70.4 mm)，圖4為輪心Z向力更新前對(duì)比，圖5為輪心Z向力更新后對(duì)比。

圖4 輪心Z向力更新前對(duì)比結(jié)果

圖5 輪心Z向力更新后對(duì)比結(jié)果

2.4 試驗(yàn)迭代

臺(tái)架初始載荷對(duì)于試驗(yàn)的迭代非常重要，一般從六分力載荷、壓縮量位移、彈簧應(yīng)變3個(gè)維度來(lái)保證。

圖6為Iteration@curb+2的輪心Z向載荷，左側(cè)5 620 N，右側(cè)5 660 N。與臺(tái)架試驗(yàn)初始位置輪心Z向載荷(5 641 N)基本維持一致。

圖6 輪心Z向載荷

按設(shè)定力矩等參數(shù)裝配好的懸架系統(tǒng)通過試驗(yàn)夾具與道路模擬試驗(yàn)臺(tái)(如MTS 329)固聯(lián)。試驗(yàn)系統(tǒng)通過12通道作動(dòng)缸將激勵(lì)作用在試件上，通過試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部的反復(fù)迭代過程，使得試件上承受的響應(yīng)譜RSP與目標(biāo)譜EDT盡可能趨于一致(即最優(yōu)解)。

2.5 迭代結(jié)果損傷統(tǒng)計(jì)

通過計(jì)算每條路面的損傷，然后乘以相應(yīng)的循環(huán)系數(shù)得到總的損傷，最后與目標(biāo)信號(hào)的總損傷進(jìn)行對(duì)比，得到總損傷的占比圖，這是衡量迭代結(jié)果的重要參數(shù)。

表2為響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的總損傷統(tǒng)計(jì)表，所有通道均在50%～200%之間，重要通道維持在80%～120%之間，滿足迭代要求。

表2 響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的總損傷對(duì)比

續(xù)表2

2.6 試驗(yàn)的開展

將正式用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證的懸架系統(tǒng)樣件按技術(shù)要求安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上(如MTS329)，并將左右輪心舉到臺(tái)架試驗(yàn)要求的初始位置，然后各襯套連接螺栓按技術(shù)要求進(jìn)行打緊，并記錄相關(guān)力矩及轉(zhuǎn)角。將上述的迭代結(jié)果作為試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)，按項(xiàng)目要求的試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中需要定時(shí)檢查各樣件狀態(tài)，并做好相關(guān)記錄。

圖7為某雙橫臂前懸架在MTS329道路模擬試驗(yàn)臺(tái)上的測(cè)試圖片。

2.7 試驗(yàn)結(jié)果

(1) 殘余力矩測(cè)試。

表3為試驗(yàn)前后力矩記錄結(jié)果(部分)。

圖7 某雙橫臂前懸架測(cè)試

表3 試驗(yàn)前后力矩記錄結(jié)果(部分)

(2)故障信息記錄

試驗(yàn)結(jié)束后，除了詳細(xì)記錄每個(gè)連接點(diǎn)的力矩信息外，更需要對(duì)每個(gè)被驗(yàn)證件進(jìn)行仔細(xì)觀察、測(cè)量記錄，并拍照留存。圖8為試驗(yàn)100%結(jié)束后，檢查發(fā)現(xiàn)的前副車架開裂部位。

圖8 前副車架開裂部位

3 結(jié)論

(1)通常情況下，虛擬隨機(jī)譜進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)的主要步驟為：關(guān)鍵零部件標(biāo)定→搭建試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行載荷對(duì)標(biāo)→根據(jù)對(duì)標(biāo)結(jié)果更新虛擬隨機(jī)譜→臺(tái)架迭代→更換新件進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。

(2)通過12通道系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試，發(fā)現(xiàn)副車架等結(jié)構(gòu)件的薄弱點(diǎn)與前期CAE仿真結(jié)果基本吻合。進(jìn)一步驗(yàn)證了用虛擬隨機(jī)譜驗(yàn)證懸架結(jié)構(gòu)件耐久性能的可信度。

(3)通過12通道系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試，驗(yàn)證了底盤懸架各個(gè)螺栓連接點(diǎn)的力矩衰退情況，快速驗(yàn)證并識(shí)別理論計(jì)算軸力的準(zhǔn)確度，提前為后續(xù)的整車道路驗(yàn)證識(shí)別了風(fēng)險(xiǎn)。