王長明 王仕偉 李云鵬

（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 130011）

1 前言

目前，乘用車懸架系統(tǒng)及其零部件的強度評價方法主要有試驗驗證和虛擬試驗驗證兩種，試驗驗證分為懸架系統(tǒng)級試驗和零部件級試驗。對此，王新偉、劉再生和范璐等[1-3]對乘用車懸架系統(tǒng)的耐久試驗就其原理、試驗方法和優(yōu)缺點等方面進行了分析與研究。系統(tǒng)級試驗可綜合考查懸架系統(tǒng)在整車大部分工況下的使用強度，其試驗結(jié)果對車型開發(fā)更具指導(dǎo)意義，缺點是試驗成本高、周期長；零部件級試驗則無法考慮懸架系統(tǒng)中各零部件的強度匹配關(guān)系，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效未發(fā)生在易更換的零部件，產(chǎn)生極高的維修成本，優(yōu)點是易搭建、低成本和短周期等。本文以某C 級轎車多連桿后懸架系統(tǒng)和臺架試驗系統(tǒng)為研究對象，在ADAMS/CAR中建立該車后懸架系統(tǒng)多體動力學(xué)模型和虛擬臺架模型，采用軟件型虛擬試驗技術(shù)中的半解析法[4-5]進行后懸架系統(tǒng)虛擬靜強度和耐久試驗載荷分析，并與臺架試驗結(jié)果進行對比，驗證該虛擬試驗?zāi)Ｐ偷姆治鼍取?/p>

2 臺架試驗

懸架系統(tǒng)臺架試驗主要有靜強度和耐久試驗兩種，表1所示為較常見的試驗項目。其中，懸架系統(tǒng)靜強度試驗為準(zhǔn)靜態(tài)的單軸加載試驗，懸架系統(tǒng)耐久試驗為動態(tài)單軸或多軸加載試驗。

表1 懸架系統(tǒng)臺架試驗項目

2.1 靜強度試驗

圖1 所示為某C 級轎車多連桿后懸架系統(tǒng)垂向和縱向靜強度試驗裝置。將螺旋彈簧和后副車架總成按照設(shè)計硬點與替代車身的剛性支架進行固定，用銷軸將固定盤和輪轂鎖死，防止加載中制動盤轉(zhuǎn)動。減振器采用實車結(jié)構(gòu)，通過龍門梁調(diào)整加載車輪的中心位置。加載點在車輪中心，并分別按照垂向目標(biāo)載荷18.6 kN 和縱向目標(biāo)載荷24.7 kN進行分級加載。

圖1 后懸架系統(tǒng)靜強度試驗裝置

2.2 耐久試驗

圖2 所示為某C 級轎車多連桿后懸架系統(tǒng)實物耐久加載臺架試驗裝置，試驗總體固定和約束方式與圖1基本相同，主要區(qū)別在于耐久試驗的減振器可采用剛性桿替代或采用實車結(jié)構(gòu)。加載點在車輪中心，分別開展后懸架系統(tǒng)8通道和12通道動態(tài)載荷譜激勵疲勞試驗。

圖2 后懸架系統(tǒng)耐久臺架試驗裝置

2.3 臺架試驗載荷測試

對試驗對象開展臺架試驗的方案設(shè)計、測點布置和數(shù)據(jù)采集等工作。其中，臺架試驗除采集表2中的測試項目外，還需采集作動器的力與位移信號和兩側(cè)輪心六分力信號，用于后續(xù)的載荷分析與驗證。

表2 臺架試驗4個控制臂測試項目

二力桿件測試應(yīng)變/力主要采用臺架試驗標(biāo)定和理論計算2種方法，此處僅對標(biāo)準(zhǔn)二力桿件理論計算原理進行說明：

式中，ε為應(yīng)變；σ為應(yīng)力；E為彈性模量；F為軸向力；A為橫截面積；D為桿件直徑。

3 虛擬試驗

虛擬試驗分析的目的是在虛擬試驗環(huán)境下，借助交互式技術(shù)和試驗分析技術(shù)，在汽車設(shè)計階段即可對產(chǎn)品的性能進行評價或者驗證。

載荷分析使用的虛擬試驗分析建模流程為：后懸架系統(tǒng)多體動力學(xué)模型建立；虛擬臺架多體動力學(xué)模型建立；多體動力學(xué)模型子系統(tǒng)總裝和調(diào)校；載荷分解與提取。

3.1 分析模型

3.1.1 后懸架系統(tǒng)

懸架系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)包括硬點、彈性元件（含襯套、彈簧和減振器）參數(shù)、質(zhì)量和幾何運動關(guān)系等，其中彈性元件參數(shù)均來源于試驗數(shù)據(jù)，將上述數(shù)據(jù)輸入模型，得到后懸架緩沖塊的實測剛度特性和副車架前點襯套的實測徑向剛度特性分別如圖3 和圖4 所示。在ADAMS/CAR中建立后懸架系統(tǒng)動力學(xué)模型，如圖5所示。

圖3 后懸架緩沖塊的實測剛度特性

圖4 副車架前點襯套的實測徑向剛度特性

圖5 后懸架系統(tǒng)多體動力學(xué)模型

3.1.2 虛擬臺架

作動器加載模型和臺架邊界約束是虛擬臺架[6-8]系統(tǒng)建模的關(guān)鍵，其中作動器加載模型構(gòu)建包括垂向、縱向和多軸加載3種模型。

作動器可簡化為1 個圓柱副（Cylindrical Joint）和1個作用力制動器，制動器的加載條件來自于實際臺架試驗的作動器加載力，圖6所示為后懸架總成縱向靜強度試驗的作動器加載力。實際臺架約束方式的有效體現(xiàn)是載荷正確傳遞的重要保障，建模時將圖1a、圖1b中實際臺架約束方式分別簡化為平面副（Planer Joint）和移動副（Translational Joint）。

圖6 后懸架總成縱向靜強度試驗的作動器加載力

3.2 模型總裝與調(diào)校

將建立的后懸架系統(tǒng)和虛擬臺架多體動力學(xué)模型在ADAMS/CAR中進行子系統(tǒng)組裝，如圖7所示。

圖7 后懸架總成虛擬臺架模型

為了保證載荷分析的準(zhǔn)確性，必須對總裝后的模型進行調(diào)校，保證虛擬試驗分析模型與實際臺架試驗狀態(tài)一致，以提升模型精度和載荷分解質(zhì)量。模型組裝和調(diào)校應(yīng)主要考慮以下內(nèi)容：

a.后懸架系統(tǒng)和虛擬臺架模型通訊器匹配測試；

b.模型參數(shù)修正，以臺架實際測量的緩沖塊間隙測試值對模型進行修正；

c.K&C調(diào)校，保證后懸架模型的K特性和C特性與實車K&C試驗結(jié)果一致；

d.靜平衡調(diào)校，保證虛擬試驗分析姿態(tài)與實際臺架試驗姿態(tài)一致，同時對各響應(yīng)通道信號清零以保證和實際臺架信號采集初始狀態(tài)一致。

3.3 載荷分解與提取

根據(jù)建立的懸架系統(tǒng)多體動力學(xué)模型和虛擬臺架模型，進行后懸架系統(tǒng)靜強度與耐久臺架試驗等虛擬試驗載荷分解，完成后提取左側(cè)4個控制臂的軸向應(yīng)變和載荷計算信號，得到用于后續(xù)試驗驗證的對比分析數(shù)據(jù)。

4 對比驗證

以后懸架系統(tǒng)的垂向和縱向靜強度臺架試驗和耐久臺架試驗方式1 為例進行臺架試驗與虛擬試驗的對比分析。

靜強度試驗主要從系統(tǒng)剛度和載荷分析特性進行虛擬試驗?zāi)Ｐ蛯Ρ确治?，耐久試驗主要從系統(tǒng)試驗隨機輸入和響應(yīng)信號的時域、頻域和系統(tǒng)傳遞特性等方面進行對比分析。

4.1 靜強度試驗

圖8 所示為臺架試驗和虛擬試驗的后懸架系統(tǒng)垂向和縱向剛度特性，表3 所示為臺架試驗和虛擬試驗4個控制臂軸向極限載荷。由圖8和表3可知，臺架試驗和虛擬試驗系統(tǒng)剛度和控制臂應(yīng)變對比結(jié)果一致性較好，說明虛擬試驗?zāi)Ｐ蛣偠群洼d荷分配與實際的后懸架系統(tǒng)試驗一致性較好。

驗證結(jié)果表明：后懸架系統(tǒng)靜強度虛擬試驗分析可有效再現(xiàn)實際的后懸架系統(tǒng)線性段剛度和載荷分配關(guān)系，除試驗過程中損壞的測點2外，其余3個測點的極限載荷誤差范圍為-2.63%～8.8%。

圖8 臺架試驗和虛擬試驗的后懸架系統(tǒng)剛度特性

表3 臺架試驗和虛擬試驗4個控制臂軸向極限載荷對比

4.2 耐久試驗

4.2.1 時域?qū)Ρ?/p>

圖9所示為臺架試驗和虛擬試驗測點1軸向應(yīng)變的時間歷程信號，表4所示為臺架試驗和虛擬試驗4個測點軸向載荷的統(tǒng)計量對比。由圖9和表4可知，臺架試驗與虛擬臺架試驗各測點軸向載荷統(tǒng)計量一致性較好，說明虛擬試驗分析可較好地再現(xiàn)后懸架系統(tǒng)試驗動態(tài)時域響應(yīng)特性。

圖9 臺架試驗和虛擬試驗測點1軸向應(yīng)變的時間歷程信號

驗證結(jié)果表明：后懸架系統(tǒng)耐久試驗虛擬試驗分析可有效再現(xiàn)實際后懸架系統(tǒng)軸載荷統(tǒng)計量，軸向載荷幅值最小值誤差均在5%以內(nèi)，軸向載荷幅值最大值誤差除測點1和測點2外均在3%以內(nèi)，軸向載荷幅值標(biāo)準(zhǔn)差誤差除測點1外均在5.20%以內(nèi)。

表4 臺架試驗和虛擬試驗4個測點軸向載荷的統(tǒng)計量對比

4.2.2 頻域?qū)Ρ?/p>

圖10和表5所示分別為0～40 Hz范圍內(nèi)臺架試驗和虛擬臺架試驗測點1軸向應(yīng)變的功率譜密度曲線和4個測點軸向應(yīng)變的標(biāo)準(zhǔn)差對比，圖11所示為臺架試驗和虛擬臺架試驗4 個測點軸向應(yīng)變的相對損傷對比。由圖10、圖11 和表5 可知，臺架試驗與虛擬臺架試驗各測點軸向應(yīng)變的頻域特性和相對損傷一致性較好，說明虛擬試驗分析可較好地再現(xiàn)實際后懸架系統(tǒng)頻域響應(yīng)特性。

圖10 臺架試驗和虛擬試驗測點1應(yīng)變的功率譜密度曲線

表5 臺架試驗和虛擬試驗4個測點應(yīng)變的標(biāo)準(zhǔn)差對比

驗證結(jié)果表明：軸向應(yīng)變在0～40 Hz 范圍內(nèi)4 個測點的標(biāo)準(zhǔn)差誤差范圍為-9.43%～2.88%，軸向應(yīng)變的相對損傷除測點1 外均在0.60～1.22 范圍內(nèi)，后懸架系統(tǒng)耐久試驗虛擬試驗分析可有效再現(xiàn)實際后懸架系統(tǒng)軸向應(yīng)變頻域特性和相對損傷。

圖11 臺架試驗和虛擬試驗4個測點軸向應(yīng)變的相對損傷對比

4.2.3 系統(tǒng)傳遞特性對比

圖12和圖13分別為0～40 Hz范圍內(nèi)臺架試驗和虛擬臺架試驗輪心垂向力對測點1 軸向應(yīng)變的系統(tǒng)傳遞特性和各向輪心力對各軸向應(yīng)變載荷傳遞特性的標(biāo)準(zhǔn)差。由圖12和圖13可知，臺架試驗與虛擬臺架試驗各向輪心力對各軸向應(yīng)變的系統(tǒng)傳遞特性曲線及其標(biāo)準(zhǔn)差一致性較好，說明虛擬試驗?zāi)Ｐ椭械南到y(tǒng)傳遞特性與實際后懸架系統(tǒng)試驗一致。

圖12 輪心垂向力對測點1軸向應(yīng)變的系統(tǒng)傳遞特性曲線

圖13 各向輪心力對各軸向應(yīng)變的系統(tǒng)傳遞特性標(biāo)準(zhǔn)差對比

驗證結(jié)果表明：后懸架系統(tǒng)耐久試驗虛擬試驗分析可較好再現(xiàn)實際的0～20 Hz 內(nèi)的系統(tǒng)傳遞特性，20～40 Hz 的系統(tǒng)傳遞特性稍差，各向輪心力對各軸向應(yīng)變的系統(tǒng)傳遞特性在0～40 Hz 范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差誤差為-5.53%～11.46%。

綜上所述，基于后懸架系統(tǒng)虛擬試驗分析可有效再現(xiàn)實際后懸架系統(tǒng)剛度、載荷分配關(guān)系，以及隨機激勵下的響應(yīng)信號時域、頻域和系統(tǒng)傳遞特性，但仍需不斷積累和完善虛擬試驗分析方法才能得到較為可靠的系統(tǒng)級試驗載荷，為懸架系統(tǒng)級及其零部件的剛度、強度和疲勞壽命分析[9-11]及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效的載荷邊界條件。

此外，對比驗證結(jié)果表明虛擬試驗分析精度還存在一定的誤差，引起誤差的主要原因為虛擬試驗分析無法模擬后懸架系統(tǒng)安裝配合間隙、結(jié)構(gòu)件局部形變，虛擬試驗?zāi)Ｐ蜑槎鄤傮w簡化等。

5 結(jié)束語

本文以多連桿后懸架系統(tǒng)臺架試驗的測試載荷為分析目標(biāo)，對其虛擬試驗分析模型的建模、調(diào)校和載荷提取等方面展開論述，并重點對兩種載荷數(shù)據(jù)進行較為充分對比驗證。結(jié)果表明：虛擬試驗分析可以較好地再現(xiàn)實際的后懸架系統(tǒng)線性段剛度和載荷分配關(guān)系，以及懸架系統(tǒng)臺架試驗響應(yīng)信號的時域、頻域和系統(tǒng)傳遞特性，說明該虛擬試驗分析模型可為懸架系統(tǒng)及其零部件的剛度、強度和疲勞壽命分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有效的載荷邊界條件。