馮金芝，王 斌，鄭松林,2，吳 濤

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.機(jī)械工業(yè)汽車機(jī)械零部件強(qiáng)度與可靠性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093)

汽車懸架系統(tǒng)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性、行駛安全性和平順性有重要影響，在行車過程中懸架系統(tǒng)會(huì)受到隨時(shí)間變化的隨機(jī)動(dòng)態(tài)載荷[1-2]。以不同車速行駛的汽車的平均使用壽命不同，表明汽車動(dòng)態(tài)載荷的大小與汽車行駛的車速有關(guān)。對(duì)不同測(cè)點(diǎn)不同車速下的載荷譜進(jìn)行研究分析，得到路面載荷隨車速的變化規(guī)律，掌握載荷隨車速的變化規(guī)律，對(duì)制定整車及懸架系統(tǒng)的測(cè)試規(guī)范具有重要意義[3]。

在ADAMS軟件中建立懸架模型，將試車場(chǎng)采集到的載荷譜加載到懸架模型中進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[4]。利用nCode軟件對(duì)不同車速下不同測(cè)點(diǎn)的載荷譜進(jìn)行分析處理，得到了載荷譜時(shí)域范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)特征。對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，得到載荷譜隨車速的變化規(guī)律[5]。

1 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)與試驗(yàn)工況的確定

1.1 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)確定的原則

懸架的主要功能是傳遞來自地面的力，起到緩沖減震的作用，提高汽車的操縱穩(wěn)定性與行駛的平順性[6]。本文研究所用轎車后懸架為雙橫臂懸架，當(dāng)汽車在路面行駛時(shí)，懸架系統(tǒng)主要受到來自地面的縱向、側(cè)向與垂向3個(gè)方向的力與力矩[7]。車輪在力的作用下對(duì)各懸架桿件分別產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、彎曲和拉壓的效果，表1為懸架左后輪各桿件受力情況。由于橫向穩(wěn)定桿、前后橫臂和縱臂與車輪車身等都是由襯套進(jìn)行連接，當(dāng)施以載荷時(shí)，襯套的變形會(huì)抵消部分零件的受力，因此在載荷測(cè)量時(shí)可以忽略部分載荷的效果[4]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，測(cè)量橫向穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)、彈簧扭轉(zhuǎn)信號(hào)、立柱的側(cè)向彎曲、縱臂彎曲等信號(hào)作為監(jiān)督信號(hào)，并選擇縱臂、橫臂與立柱拉壓信號(hào)作為縱向、側(cè)向和垂向載荷迭代的目標(biāo)信號(hào)[8]。

表1 懸架左后輪各桿件受力分析

表2 路試工況

1.2 試驗(yàn)道路和試驗(yàn)工況

本文選擇了某試車場(chǎng)路面情況相對(duì)惡劣的強(qiáng)化比利時(shí)路，全長(zhǎng)為430 m。為充分研究不同車速與載荷的變化規(guī)律，按車速與裝載情況共測(cè)試了輕載與重載情況五個(gè)不同車速下的行駛工況，車輛載荷情況與行駛車速如表2所示。

2 章懸架模型的建立與仿真

按照車輛獨(dú)立后懸架的三維幾何模型以及各零部件的連接方式，在ADAMS軟件中創(chuàng)建了車輛懸架的多體動(dòng)力學(xué)模型[10]。對(duì)所建立的后懸架模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到零部件不同測(cè)試車速下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)載荷譜，為建立車速—載荷關(guān)系模型提供基礎(chǔ)技術(shù)信息[9]。

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

在對(duì)懸架模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析之前，首先應(yīng)設(shè)置質(zhì)心高度、軸距、簧上質(zhì)量等參數(shù)，并以此確定后懸架的基本屬性[10]，各參數(shù)具體數(shù)值如表3所示。

表3 懸架模型仿真參數(shù)設(shè)置

2.2 仿真結(jié)果與分析

車輛在行駛過程中車輪受到來自地面三個(gè)方向的力與力矩的共同作用，其中車輪受到的垂向力是造成車輛零部件疲勞失效的主要原因[7]。將處理過后的輪心處加速度載荷譜加載到ADAMS軟件中，對(duì)懸架模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，獲取零部件各個(gè)測(cè)點(diǎn)在不同測(cè)試車速下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)載荷譜，為車速與載荷分析提供載荷條件[11]。

圖1為懸架模型輸入載荷譜與彈簧響應(yīng)載荷譜的對(duì)比圖。從圖中可以看出，后懸架軸頭的輸入載荷譜與彈簧響應(yīng)具有一定的相關(guān)性，輸出載荷譜的幅值相對(duì)輸入值較小。將仿真得到的各測(cè)點(diǎn)響應(yīng)載荷譜導(dǎo)出，并在nCode軟件中對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各測(cè)點(diǎn)在不同車速下載荷的最大應(yīng)變值[12]，如表4所示。

圖1 左側(cè)車輪彈簧載荷與減振器載荷譜對(duì)比圖

測(cè)點(diǎn)L20L25L30L35L40G20G25G30G35G40后橫臂61.22796.587150.73175.31133.69209.45183.38190.47243.67224.78縱臂83.717109.4899.433123.69118.33133.68135.43143.67152.11136.25減震器立柱47.58344.13550.67459.12162.347173.72169.75203.73246.57287.65彈簧-1561-1119-1004-862-577-2938-3122-2498-2633-2122

3 疲勞統(tǒng)計(jì)載荷譜分析

通過統(tǒng)計(jì)得到載荷譜的基本特征參數(shù)，包括各測(cè)點(diǎn)的時(shí)域特性，并與仿真得到的響應(yīng)載荷譜的特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，重點(diǎn)分析了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的應(yīng)變值隨車速變化的曲線，以此驗(yàn)證載荷隨車速改變的變化規(guī)律是否與虛擬試驗(yàn)場(chǎng)模擬仿真的結(jié)果相吻合[13]。

3.1 載荷統(tǒng)計(jì)參數(shù)

動(dòng)態(tài)載荷可以用峰值σmax和谷值σmin兩個(gè)參數(shù)來表征，它們反映動(dòng)態(tài)載荷的波動(dòng)范圍。通過峰谷值可以計(jì)算一個(gè)載荷循環(huán)的波動(dòng)幅度和波動(dòng)中心的位置，即幅值σa和均值σm。通過一段載荷譜中峰值的最大值和谷值的最小值，可以得到載荷的最大幅值σmax。該值反映了載荷譜的極限范圍，經(jīng)常作為試驗(yàn)載荷和設(shè)計(jì)載荷

(1)

(2)

載荷信號(hào)的總體均值，反映了載荷譜的靜態(tài)載荷的大小。樣本時(shí)間歷程x(t)的平均值E(X)可以用式(3)來求得。

(3)

(4)

均方值用來表示載荷的一般強(qiáng)度，反映出載荷動(dòng)態(tài)與靜態(tài)總的能量的平均水平，均方值的平方差叫做均方根值(Root Mean Square，RMS)。

(5)

3.2 載荷譜時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征分析

對(duì)后橫臂、縱臂、減震器立柱和彈簧四處測(cè)點(diǎn)不同車速下的載荷譜的最大值、最小值、最大變程、均值、均方根值等時(shí)域特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究載荷隨車速的變化規(guī)律[14]。本文僅以各不同車速下后橫臂拉壓信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)進(jìn)行分析，來研究載荷與車速的關(guān)系。

表5是后橫臂拉壓信號(hào)各工況下的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)。由表中可知，該通道的動(dòng)態(tài)載荷強(qiáng)度隨車速的提高先增加而后減小，當(dāng)車速為35 km·h-1時(shí)，載荷最大值、最大變程、均方根值都高于其他車速。載荷均值隨車速的提高有減小的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在車速為20 km·h-1的工況下。此外，重載工況下的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)載荷強(qiáng)度都高于輕載的情況。因此，后橫臂拉壓應(yīng)變信號(hào)在重載車速35 km·h-1時(shí)載荷強(qiáng)度最大，均方根值為49.754 5 με，載荷波動(dòng)最大，標(biāo)準(zhǔn)偏差為42.293 4 με，最大變程為448.33 με。圖2為輕載、重載工況下最大應(yīng)變值隨車速的變化趨勢(shì)曲線圖。為了進(jìn)一步定量的判斷仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)系，將數(shù)據(jù)擬合成函數(shù)關(guān)系式，圖3為輕載工況下后橫臂實(shí)測(cè)最大應(yīng)變值與仿真計(jì)算的應(yīng)變值隨車速變化圖。圖4為重載工況下后橫臂實(shí)測(cè)最大應(yīng)變值與仿真計(jì)算的應(yīng)變值隨車速的變化圖。

表5 后橫臂拉壓信號(hào)各工況下統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)

圖2 后橫臂拉壓信號(hào)最大應(yīng)變值隨車速變化圖

圖3 輕載后橫臂最大應(yīng)變值隨車速變化

利用MATLAB軟件對(duì)試車場(chǎng)車速與應(yīng)變值的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，并得到以下函數(shù)擬合關(guān)系式，其中f(v)表示實(shí)測(cè)應(yīng)變值，f(v1)表示仿真應(yīng)變值。

f(v)=132.3+30.15×cos(v×0.202 9)+46.32×
sin(v×0.202 9)

(6)

仿真結(jié)果車速(v1)與應(yīng)變值的函數(shù)關(guān)系式

f(v1)=117.6+22.54×cos(v1×0.218)+51.62×
sin(v1×0.218)

(7)

圖4 重載后橫臂最大應(yīng)變隨車速變化

利用MATLAB軟件對(duì)試車場(chǎng)車速與應(yīng)變值關(guān)系進(jìn)行擬合，得到以下函數(shù)關(guān)系式

f(v)=180.4-35.49×cos(v×0.275 7)-13.82×
sin(v×0.275 7)

(8)

f(v1)=208.4-9.433×cos(v1×0.292 4)-31.05×
sin(v1×0.292 4)

(9)

由圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著車速的變化，后橫臂實(shí)測(cè)最大應(yīng)變值與通過仿真計(jì)算得到的應(yīng)變值基本都呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，同時(shí)也說明車速與載荷之間存在著一定的關(guān)系，即試驗(yàn)車在試車場(chǎng)道路上測(cè)試過程中存在載荷最佳響應(yīng)車速。就本文試驗(yàn)結(jié)果而言，該試驗(yàn)車在比利時(shí)路測(cè)試時(shí)的最佳車速為35 km·h-1，此時(shí)后懸架各個(gè)測(cè)點(diǎn)的綜合響應(yīng)效果最好。

本文通過對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域特性進(jìn)行分析，并與仿真得到的響應(yīng)載荷譜的特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，重點(diǎn)分析了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的應(yīng)變值隨車速變化的曲線，以此驗(yàn)證了載荷隨車速改變的變化規(guī)律與虛擬試驗(yàn)場(chǎng)模擬仿真的結(jié)果相吻合[15]。該結(jié)果可用于預(yù)測(cè)載荷隨車速變化的趨勢(shì)，可有效提高試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試的效率。

4 結(jié)束語

本文通過在ADAMS中建立懸架多體動(dòng)力學(xué)模型，并將試車場(chǎng)采集到的實(shí)際道路載荷譜加載到模型中進(jìn)行仿真，研究了不同測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值隨車速的變化規(guī)律。利用nCode軟件對(duì)不同載荷不同車速的載荷譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)載荷隨車速的不同呈現(xiàn)出一定的規(guī)律；得到汽車在不同的路面行駛時(shí)，存在一個(gè)最佳車速使得各測(cè)點(diǎn)響應(yīng)最優(yōu)。該研究成果可為汽車整車和零部件的試車場(chǎng)數(shù)據(jù)分析判斷提供參考，便于進(jìn)一步判斷汽車零部件之間的相互關(guān)系，為試車場(chǎng)制定試驗(yàn)規(guī)范提供依據(jù)。