申 娟，陳 宇，胡 宏，徐文雅，王萬(wàn)英

（1.中國(guó)汽車(chē)工程研究院，重慶 401122； 2.重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司，重慶 401120）

乘用車(chē)下控制臂總成道路模擬試驗(yàn)開(kāi)發(fā)

申 娟1，陳 宇1，胡 宏1，徐文雅1，王萬(wàn)英2

（1.中國(guó)汽車(chē)工程研究院，重慶 401122； 2.重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司，重慶 401120）

以乘用車(chē)下控制臂總成為研究對(duì)象，介紹其道路模擬試驗(yàn)方案及開(kāi)發(fā)流程，包括載荷譜采集、道路模擬試驗(yàn)裝置開(kāi)發(fā)、臺(tái)架迭代和耐久性試驗(yàn)等，重點(diǎn)介紹了下控制臂總成道路模擬裝置的結(jié)構(gòu)及其解耦原理。迭代及耐久性試驗(yàn)結(jié)果證明，下控制臂總成道路模擬試驗(yàn)方案及開(kāi)發(fā)流程是有效的，所開(kāi)發(fā)的下控制臂總成道路模擬試驗(yàn)裝置能夠成功模擬試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)。

下控制臂總成；道路模擬試驗(yàn)；試驗(yàn)臺(tái)；解耦；迭代

汽車(chē)零部件耐久性試驗(yàn)是評(píng)估零部件可靠度的有效方法，一般有用戶(hù)道路試驗(yàn)、試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)、室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)三種形式。前兩種為零部件真實(shí)受載，反映零部件真實(shí)壽命，但周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、重復(fù)性不好。室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)周期短、費(fèi)用低、重復(fù)性好、可控性高，已成為零部件耐久性驗(yàn)證的主要手段。隨著技術(shù)的發(fā)展，臺(tái)架試驗(yàn)也要求能適當(dāng)?shù)胤从沉悴考趯?shí)車(chē)道路試驗(yàn)中的載荷工況，過(guò)于薄弱起不到驗(yàn)證作用，而過(guò)于保守則會(huì)造成設(shè)計(jì)成本的增加以及試驗(yàn)周期的延長(zhǎng)[1]。于是，以道路模擬試驗(yàn)驗(yàn)證零部件耐久性已成為一種趨勢(shì)。

乘用車(chē)下控制臂總成作為汽車(chē)關(guān)鍵零部件，具有導(dǎo)向、承載等重要功能，其可靠度一般要求達(dá)到B10及以上。本研究基于乘用車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)規(guī)范開(kāi)發(fā)了下控制臂總成道路模擬臺(tái)架試驗(yàn)，有效地考核了該零部件的耐久性。

1 道路模擬試驗(yàn)原理

道路模擬試驗(yàn)采用時(shí)間歷程再現(xiàn)模擬方法，在室內(nèi)臺(tái)架上模擬試件在道路上的實(shí)際工作載荷，達(dá)到與道路試驗(yàn)等效的目的。該試驗(yàn)技術(shù)涉及累積疲勞損傷理論、數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)、遠(yuǎn)程參數(shù)控制RPC技術(shù)[2]。行業(yè)內(nèi)普遍采取的方案是先進(jìn)行零部件實(shí)車(chē)載荷工況分析，確定疲勞損傷等效參數(shù)，然后按試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范采集表征該參數(shù)的物理信號(hào)，再將該信號(hào)在臺(tái)架上復(fù)現(xiàn)，進(jìn)行疲勞耐久性試驗(yàn)。其開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

圖1 道路模擬試驗(yàn)開(kāi)發(fā)流程

2 下控制臂總成道路模擬試驗(yàn)方案

道路模擬試驗(yàn)方案里最關(guān)鍵的是確定模擬參數(shù)，有兩種方式：一是選取零部件危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力作為模擬參數(shù)，有針對(duì)性地考核危險(xiǎn)點(diǎn)疲勞壽命，使零部件上的缺陷在早期設(shè)計(jì)階段就能被診斷并加以改進(jìn)和優(yōu)化；二是選取零部件所承受的載荷作為模擬參數(shù)，反映實(shí)車(chē)工況，考核零部件整體壽命[3]。

某車(chē)型麥弗遜式獨(dú)立前懸下控制臂總成如圖2所示，包括下控制臂金屬本體、襯套、球銷(xiāo)。本研究考核的主要對(duì)象是下控制臂金屬本體和球銷(xiāo)。選定下控制臂主要輸入載荷作為模擬參數(shù)，考核下控制臂總成金屬部分的壽命。

圖2 下控制臂總成

下控制臂總成在實(shí)車(chē)上的分布如圖3所示，其與轉(zhuǎn)向節(jié)和副車(chē)架分別相連，主要承受轉(zhuǎn)向節(jié)從球銷(xiāo)輸入的作用力，再通過(guò)兩個(gè)襯套傳遞給副車(chē)架。根據(jù)力的作用與反作用原理，可將兩個(gè)襯套連接點(diǎn)視為固定點(diǎn)，下控制臂總成承受轉(zhuǎn)向節(jié)從球銷(xiāo)處傳來(lái)的6個(gè)作用力Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz。運(yùn)用MSC. ADAMAS進(jìn)行軸頭載荷分解，F(xiàn)z、Mx、My、Mz均很小，對(duì)于考核控制臂總成金屬本體，由于損傷貢獻(xiàn)很小，可以忽略不計(jì)。所以該下控制臂總成模擬參數(shù)選定為Fx、Fy，具體開(kāi)發(fā)流程如下：

（1）在試驗(yàn)場(chǎng)采集標(biāo)桿車(chē)下控制臂總成載荷譜。

（2）將載荷譜進(jìn)行預(yù)處理，得到用于臺(tái)架迭代的載荷譜。

（3）搭建下控制臂總成道路模擬試驗(yàn)臺(tái)。

（4）在臺(tái)架上進(jìn)行載荷譜迭代，形成驅(qū)動(dòng)載荷譜。

（5） 播放驅(qū)動(dòng)載荷譜，進(jìn)行下控制臂耐久性試驗(yàn)。

圖3 下控制臂總成在實(shí)車(chē)上的分布

圖4 下控制臂道路模擬試驗(yàn)原理

3 載荷譜采集及處理

3.1 確定采集信號(hào)

載荷譜采集關(guān)鍵是確定采集信號(hào)，以確保在道路模擬試驗(yàn)時(shí)的迭代控制點(diǎn)以及試件關(guān)鍵點(diǎn)的損傷與在試驗(yàn)場(chǎng)道路工況下保持一致[4]。

下控制臂球銷(xiāo)受力后產(chǎn)生彎曲變形，在球銷(xiāo)x向或y向?qū)ΨQ(chēng)兩面貼單片（BE350-3AA），組成半橋測(cè)取彎曲變形。球銷(xiāo)受力應(yīng)與彎曲變形成線(xiàn)性關(guān)系，可通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)標(biāo)定，如圖5所示。下控制臂襯套兩端固定，在球銷(xiāo)端用伺服缸沿x向或y向加載。測(cè)取加載力和彎曲應(yīng)變，標(biāo)定曲線(xiàn)及系數(shù)如圖6和圖7所示。從標(biāo)定結(jié)果可以看出，單方向作用力與彎曲變形線(xiàn)性關(guān)系很好。所以Fx、Fy可通過(guò)采集兩組應(yīng)變信號(hào)獲得，同時(shí)應(yīng)變信號(hào)也可以較好地反映結(jié)構(gòu)疲勞。

圖5 下控制臂標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)

圖6 下控制臂x向標(biāo)定曲線(xiàn)

圖7 下控制臂y向標(biāo)定曲線(xiàn)

為監(jiān)測(cè)對(duì)比下控制臂受力，通過(guò)CAE分析確定危險(xiǎn)點(diǎn)，在下控制臂危險(xiǎn)點(diǎn)上貼應(yīng)變花，如圖8所示。

圖8 下控制臂危險(xiǎn)點(diǎn)貼片

3.2 載荷譜采集

道路模擬耐久性試驗(yàn)一般模擬試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)，主機(jī)廠針對(duì)每個(gè)平臺(tái)車(chē)型都有完整的試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范，與用戶(hù)路面有明確的關(guān)聯(lián)關(guān)系。試驗(yàn)場(chǎng)底盤(pán)可靠性試驗(yàn)主要是強(qiáng)化試驗(yàn)路段，其強(qiáng)化系數(shù)高，從而試驗(yàn)周期更短。下控制臂總成選定西部墊江試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行載荷譜采集，其可靠性試驗(yàn)路線(xiàn)如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)場(chǎng)路線(xiàn)

為消除偶然因素和駕駛習(xí)慣的影響，使采集的載荷譜具有典型的代表性，由3個(gè)駕駛員分別進(jìn)行駕駛，每個(gè)駕駛員采集兩個(gè)樣本，總共6個(gè)樣本。

3.3 載荷譜處理

試驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是速度快。道路模擬試驗(yàn)精確模擬使用載荷，一般僅采用刪除“小量”法，因?yàn)檫@種方法獲得的濃縮信號(hào)有效地保持了原始信號(hào)的疲勞損傷特性[5-6]。

將每個(gè)樣本按工況截取，刪除對(duì)疲勞影響不大的連接路面，總計(jì)39個(gè)工況。截取后每個(gè)工況總共有6個(gè)樣本，挑選出每個(gè)工況的最優(yōu)樣本，最后得到39個(gè)最優(yōu)工況樣本。39個(gè)最優(yōu)工況樣本還可進(jìn)行濾波、消除奇異點(diǎn)、消除趨勢(shì)項(xiàng)等處理。最后處理好的部分工況曲線(xiàn)如圖10所示。

圖10 下控制臂總成部分工況載荷譜

4 下控制臂總成道路模擬試驗(yàn)臺(tái)

室內(nèi)零部件耐久性試驗(yàn)的本質(zhì)是在室內(nèi)模擬零部件在道路行駛中所承受的載荷，其技術(shù)基礎(chǔ)是道路模擬試驗(yàn)臺(tái)[7]。試驗(yàn)臺(tái)模擬施加何種載荷取決于試驗(yàn)對(duì)象在道路行駛中所承受的載荷。本研究所開(kāi)發(fā)的下控制臂總成道路模擬試驗(yàn)臺(tái)主要模擬下控制臂總成在實(shí)車(chē)上所承受的Fx、Fy載荷。試驗(yàn)臺(tái)主要由MTS伺服加載系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、應(yīng)變采集器以及自行設(shè)計(jì)制造的多軸加載夾具系統(tǒng)組成，如圖4所示。伺服加載系統(tǒng)給下控制臂施加力，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制加載力的大小。應(yīng)變采集器接入下控制臂上的應(yīng)變信號(hào)，并反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

多軸加載夾具系統(tǒng)包括反力架、副車(chē)架、復(fù)合夾具等，實(shí)現(xiàn)下控制臂的安裝固定以及與加載缸的連接，如圖11所示。多軸加載臺(tái)架里的復(fù)合夾具有效地實(shí)現(xiàn)了下控制臂加載力的解耦。復(fù)合夾具中間部分與下控制臂球銷(xiāo)相連，x向一側(cè)通過(guò)兩端鉸接的加載桿與伺服缸1相連，y向一側(cè)通過(guò)兩端鉸接的加載桿與伺服缸2相連，從而把下控制臂球銷(xiāo)所受的力分解成兩垂直方向力，實(shí)現(xiàn)了加載力在夾具上的解耦。

圖11 下控制臂道路模擬試驗(yàn)臺(tái)

5 臺(tái)架迭代

臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)中迭代控制信號(hào)的選擇是道路模擬試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵。迭代控制信號(hào)應(yīng)對(duì)加載輸入比較敏感，這樣有利于提高信號(hào)的信噪比，同時(shí)還應(yīng)靠近加載缸，有利于迭代收斂[8]。

下控制臂總成道路模擬試驗(yàn)選擇球銷(xiāo)上應(yīng)變作為迭代控制信號(hào)。通過(guò)標(biāo)定可以看出，x向應(yīng)變與x向加載力成線(xiàn)性關(guān)系，而與y向加載力成正交關(guān)系，并且離加載端近，對(duì)加載力比較敏感。y向同理。所示該迭代控制信號(hào)的選擇是比較理想的。

將臺(tái)架上的下控制臂應(yīng)變信號(hào)作為反饋信號(hào)接入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)后，通過(guò)MTS RPC遠(yuǎn)程參數(shù)控制軟件在臺(tái)架上進(jìn)行迭代，已處理好的39個(gè)最優(yōu)工況樣本作為迭代目標(biāo)。迭代步驟如下：

（1）將臺(tái)架上的下控制臂球銷(xiāo)兩方向?qū)崪y(cè)應(yīng)變響應(yīng)信號(hào)RSP通過(guò)HBM eDAQ采集器接入MTS RPC控制器。

（2）將在試驗(yàn)場(chǎng)采集的、已處理好的每個(gè)方向39個(gè)最優(yōu)工況樣本輸入計(jì)算機(jī)，作為迭代目標(biāo)信號(hào)DES。

（3）產(chǎn)生白噪聲信號(hào)，通過(guò)與采集的下控制臂球銷(xiāo)應(yīng)力信號(hào)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)H(f)。

（4）將傳遞函數(shù)求逆，得到 H-1( f )，與目標(biāo)信號(hào)DES、GAIN 相乘，得到原始驅(qū)動(dòng)信號(hào)DRV_0。

（5）將原始驅(qū)動(dòng)信號(hào)DRV_0輸入系統(tǒng)進(jìn)行迭代，系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)RSP_0與目標(biāo)信號(hào)DES相減，得到迭代誤差信號(hào)ERR_0，計(jì)算迭代誤差RMS ERROR（時(shí)域內(nèi)目標(biāo)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)之差的均方根與目標(biāo)信號(hào)均方根比值）。

圖12 迭代流程圖

（6）經(jīng)一次迭代，迭代誤差RMS ERROR值一般比較大。將ERR_0與H-1(f )、GAIN相乘，得到修正信號(hào)COR_0。DRV_0與COR_0相加，得到第一次驅(qū)動(dòng)信號(hào)DRV_1，再繼續(xù)進(jìn)行下一次迭代。一般迭代次數(shù)n在10次以下。當(dāng)?shù)`差RMS ERROR達(dá)到10%以下并不能繼續(xù)減小時(shí)，即迭代成功，如圖13所示。

圖13 迭代誤差曲線(xiàn)

通過(guò)迭代，39個(gè)最優(yōu)工況樣本迭代精度均達(dá)到5%以下，部分工況迭代結(jié)果見(jiàn)表1。迭代結(jié)果說(shuō)明所研究的下控制臂總成道路模擬試驗(yàn)臺(tái)是成功的。在迭代過(guò)程中，還監(jiān)測(cè)了下控制臂危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)，并與試驗(yàn)場(chǎng)采集的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比曲線(xiàn)如圖14所示。兩信號(hào)的一致性進(jìn)一步說(shuō)明了本研究中的乘用車(chē)下控制臂總成道路模擬試驗(yàn)原理的正確性。

表1 部分工況迭代精度

彈跳坑 1 . 5 1 . 6（路緣）沖擊路 0 . 9 1 . 5路障 1 . 9 2 . 0井蓋 0 . 9 1 . 7 8字區(qū) 0 . 5 1 . 0鐵軌路 1 . 3 2 . 5倒車(chē) 0 . 4 1 . 6極限轉(zhuǎn)向 0 . 7 0 . 8

圖14 危險(xiǎn)點(diǎn)目標(biāo)信號(hào)與迭代監(jiān)測(cè)信號(hào)對(duì)比

6 臺(tái)架耐久性試驗(yàn)

將臺(tái)架迭代生成的39個(gè)最優(yōu)工況驅(qū)動(dòng)載荷譜按試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范進(jìn)行組合，得到試驗(yàn)程序譜，等效整車(chē)道路試驗(yàn)24萬(wàn)公里。將試驗(yàn)程序譜在計(jì)算機(jī)上播放，進(jìn)行下控制臂總成臺(tái)架耐久性試驗(yàn)。共試驗(yàn)了3個(gè)下控制臂總成樣品，均未失效，與試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)結(jié)果一致。繼續(xù)試驗(yàn)，直至破壞，均在球銷(xiāo)處發(fā)生斷裂，與虛擬疲勞壽命[9-10]分析斷裂位置一致，如圖15所示。更換1件的球銷(xiāo)，繼續(xù)試驗(yàn)，直至下控制臂失效，失效位置與虛擬疲勞壽命分析結(jié)果仍一致。

圖15 虛擬疲勞與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

7 結(jié)論

迭代結(jié)果和耐久性試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，整個(gè)下控制臂總成道路模擬試驗(yàn)開(kāi)發(fā)流程是有效的，所開(kāi)發(fā)的下控制臂總成道路模擬試驗(yàn)臺(tái)能夠成功模擬試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)。并且由于道路模擬試驗(yàn)臺(tái)可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)程序譜還可等效加速，所以道路模擬試驗(yàn)還可提高效率，從而達(dá)到快速、有效地驗(yàn)證下控制臂總成耐久性的目的，也提高了整車(chē)的開(kāi)發(fā)效率。

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）：

[1]ENSOR D F. 關(guān)聯(lián)用戶(hù)用途的試車(chē)技術(shù) [J]. 中國(guó)機(jī)械工程，1998，9(11)：24-26. ENSOR D F. A Vehicle Proving Test Procedure with Customer Correlation [J]. China Mechanical Engineering，1998，9(11)：24-26. (in Chinese)

[2]LEE Y L，PAN J，HATHAWAY R，et al. Fatigue Testing and Analysis：Theory and Practice [M]. Burlington：Elsevier，2005.

[3]任國(guó)清，陶其銘，余武弦. 基于實(shí)測(cè)載荷譜的整車(chē)疲勞開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)對(duì)比研究 [J]. 汽車(chē)工程學(xué)報(bào)，2013，3(4)：300-304. REN Guoqing，TAO Qiming，YU Wuxian. Research on Vehicle Fatigue Simulation and Experimental Study Based on Road Load Spectra [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2013，3(4)：300-304. (in Chinese)

[4]鄭松林，梁國(guó)清，王治瑞，等. 考慮低幅鍛煉載荷的某轎車(chē)擺臂載荷譜編制 [J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50(16)：147-154. ZHENG Songlin，LIANG Guoqing，WANG Zhirui，et al. Compilation of Automotive Lower Control Arm Spectrum Based on the Low-amplitude Training load [J]. Journal of Mechanical Engineering，2014，50(16)：147-154. (in Chinese)

[5]劉再生，霍福祥，王長(zhǎng)明，等. 轎車(chē)懸架臺(tái)架多軸疲勞試驗(yàn)載荷開(kāi)發(fā)[J]. 汽車(chē)技術(shù)，2012(6)：47-50. LIU Zaisheng，HUO Fuxiang，WANG Changming，et al. Development of Multi-axis Fatigue Test Rig Load for Car Suspension Components [J]. Automotive Technology，2012(6)：47-50. (in Chinese)

[6]彭為，靳曉雄，孫士煒. 道路模擬試驗(yàn)中道路載荷譜的選擇方法 [J]. 上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，18(1)：6-9. PENG Wei，JIN Xiaoxiong，SUN Shiwei. A Selecting Method of Road Loading Spectra Used in Road Simulation [J]. Journal of Shanghai University Engineering Science，2004，18(1)：6-9. (in Chinese)

[7]王霄鋒，田應(yīng)剛，馮正平，等. 轎車(chē)前懸架多軸向加載模擬疲勞試驗(yàn)系統(tǒng) [J]. 汽車(chē)技術(shù)，2001(7)：20-23. WANG Xiaofeng，TIAN Yinggang，F(xiàn)eng Zhengping，et al. Test System of Multi-axial Load and Simulating Fatigue of Front Suspension of Car [J]. Automotive Technology，2001(7)：20-23. (in Chinese)

[8]陳忠良，崔紅偉，駱紅云，等. 室內(nèi)整車(chē)可靠性道路模擬試驗(yàn)方法 [J]. 北京汽車(chē)，2005(2)：10-13. CHEN Zhongliang，CUI Hongwei，LUO Hongyun，et al. Indoor Vehicle Road Simulation Test Methods for Reliability [J]. Beijing Automotive Engineering，2005 (2)：10-13. (in Chinese)

[9]趙禮輝，鄭松林，馮金芝. 基于低載強(qiáng)化特性的疲勞壽命估計(jì)方法 [J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49(8)：115-122. ZHAO Lihui，ZHENG Songlin，F(xiàn)ENG Jinzhi. Fatigue Life Prediction Based on Simplified Low-amplitudeload Strengthening Model [J]. Journal of Mechanical Engineering，2013，49(8)：115-122. (in Chinese)

[10]孫春方. T-car后橋臺(tái)架疲勞試驗(yàn)研究[J]. 汽車(chē)技術(shù)，2006(1)：23-26. SUN Chunfang. Study on Fatigue Tests of the T-car Rear Axle in Test Bench [J]. Automotive Technology，2006(1)：23-26. (in Chinese)

作者介紹

Development of Road Simulation Test for Lower Control Arm on Passenger Cars

SHEN Juan1，CHEN Yu1，HU Hong1，XU Wenya1，WANG Wanying2
（1. China Automotive Engineering Research Institute，Chongqing 401122，China；2. Chongqing Chang'an Automobile Co., Ltd，Chongqing 401120，China）

Road simulation test is an advanced assessment method for component durability. Taking the lower control arm on a passenger car as the research object, the road simulation test plan and development process were introduced in this paper, including the load spectrum acquisition, equipment development, bench test and durability test, etc. The structure of road simulation test bench and its decoupling principle were mainly introduced. The results prove the effectiveness of the test plan and development process.

lower control arm; road simulation test; test bench; decoupling; iteration

申娟（1985-），女，湖北浠水人。碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槠?chē)結(jié)構(gòu)疲勞耐久性。Tel：023-63411359E-mail：shenjuan@caeri.com.cn

U467.3

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.01.10

2016-06-19 改稿日期：2016-07-11

用格式：

申娟，陳宇，胡宏，等. 乘用車(chē)下控制臂總成道路模擬試驗(yàn)開(kāi)發(fā)[J]. 汽車(chē)工程學(xué)報(bào)，2017，7(1)：066-071.

SHEN Juan，CHEN Yu，HU Hong，et al. Development of Road Simulation Test for Lower Control Arm on Passenger Cars [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(1)：066-071. (in Chinese)