楊 光， 李 偉

(中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司， 天津 300300)

懸架系統(tǒng)開發(fā)一般處于整車開發(fā)前期。在懸架系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證方面，主機(jī)廠為了縮短開發(fā)周期并快速發(fā)現(xiàn)潛在問題，主要采用臺(tái)架試驗(yàn)[1-6]。臺(tái)架試驗(yàn)前需要解決兩大問題：一是由于處于開發(fā)前期，白車身無法得到，無法進(jìn)行路譜采集，相關(guān)數(shù)據(jù)無法獲得；二是懸架系統(tǒng)如何約束。

大部分主機(jī)廠一般前期會(huì)建立多體動(dòng)力學(xué)模型、輪胎模型等，使“組裝”的車輛虛擬模型在虛擬路面上“行駛”，從而獲得零部件的虛擬載荷(如輪心六分力、各桿件的內(nèi)部力等)。這些數(shù)據(jù)可以直接用于臺(tái)架試驗(yàn)，作為臺(tái)架試驗(yàn)迭代過程的目標(biāo)信號(hào)。

在臺(tái)架上進(jìn)行懸架可靠性試驗(yàn)不同于整車，各種路面下低頻成分的能量需要復(fù)現(xiàn)，因此懸架系統(tǒng)需要固定反力約束，一般通過設(shè)計(jì)與硬點(diǎn)位置匹配的工裝實(shí)現(xiàn)。由于安裝方式往往都是剛性夾持，導(dǎo)致懸架連接點(diǎn)處的剛度過大，與車輛懸架處真實(shí)受力情況出現(xiàn)較大差異，連接部件出現(xiàn)的失效無法確定是否可信。本文通過在硬點(diǎn)安裝位置安裝力傳感器，并將其定義為臺(tái)架迭代過程中的控制通道，有效地控制懸架硬點(diǎn)受力情況，保證了懸架系統(tǒng)在臺(tái)架試驗(yàn)中復(fù)現(xiàn)得到的受力狀態(tài)更加真實(shí)全面。本文的試驗(yàn)方法提升了懸架系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1 工裝設(shè)計(jì)及傳感器布點(diǎn)

根據(jù)某車型后懸架系統(tǒng)內(nèi)的硬點(diǎn)位置和空間布局，設(shè)計(jì)了固定反力工裝，如圖1所示。圖1中的減振器上安裝點(diǎn)和縱臂托盤安裝點(diǎn)即為該懸架系統(tǒng)的硬點(diǎn)。

圖1 固定反力工裝

縱臂和減振器的安裝點(diǎn)(即硬點(diǎn))受力狀態(tài)是本次試驗(yàn)最主要的關(guān)注點(diǎn)，因此在減振器與工裝之間串聯(lián)單軸力傳感器以獲得減振器軸向力[7]。在縱臂托盤與工裝之間安裝3個(gè)三分力傳感器，通過力的合成計(jì)算可以獲得該位置的三向力，如圖2所示?？v臂托盤與工裝之間的單個(gè)三分力縱向力表示為Fnx，側(cè)向力表示為Fny，垂向力表示為Fnz，其中，n取1，2，3，表示三分力的位置?？v臂托盤與工裝之間的合力為：

Fx=∑Fnx，F(xiàn)y=∑Fny，F(xiàn)z=∑Fnz

(1)

由于縱臂托盤處側(cè)向力較小，因此此次臺(tái)架試驗(yàn)不將其作為響應(yīng)信號(hào)，對(duì)其忽略，主要關(guān)注縱向力和垂向力。

本次試驗(yàn)使用的輪心六分力數(shù)據(jù)、各桿件的內(nèi)部力數(shù)據(jù)是運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)分析方法獲得的，對(duì)應(yīng)的工況包括扭曲路、坑洼路、壞路制動(dòng)路、比利時(shí)路、搓板路等。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

將工裝上的安裝點(diǎn)進(jìn)行三坐標(biāo)測量并適當(dāng)調(diào)整安裝位置，保證和懸架系統(tǒng)硬點(diǎn)安裝位置一致。此次三坐標(biāo)測量精度均在0.8 mm以內(nèi)，滿足裝配要求。

將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與臺(tái)架站臺(tái)機(jī)柜進(jìn)行連接，對(duì)信號(hào)通道的單位、量程和極性等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定并體現(xiàn)真實(shí)的臺(tái)架樣件物理模型，對(duì)臺(tái)架的12個(gè)控制通道逐一進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。至此所有準(zhǔn)備工作完成。

3 頻響函數(shù)評(píng)估

將臺(tái)架和懸架系統(tǒng)看作一個(gè)多輸入多輸出的線性系統(tǒng)，如圖3所示。x代表臺(tái)架的輸入信號(hào)(驅(qū)動(dòng)信號(hào))，y代表樣件的輸出信號(hào)(響應(yīng)信號(hào))。x包括左右兩側(cè)臺(tái)架縱向力、側(cè)向力、垂向位移、外傾力矩、制動(dòng)力矩和回正力矩共12個(gè)輸入信號(hào)。y包括輪心六分力、減振器軸向力、縱臂托盤三分力、懸架位移和各連桿內(nèi)部力等輸出信號(hào)。信號(hào)的數(shù)量由需要控制通道的數(shù)量決定。在臺(tái)架進(jìn)行迭代操作之前，必須了解輸入與輸出的關(guān)系，因此需要獲得系統(tǒng)的頻響函數(shù)。

圖3 多輸入多輸出的線性系統(tǒng)

一般通過設(shè)置頻率信息和幅值信息，生成白噪聲信號(hào)，利用該信號(hào)激勵(lì)系統(tǒng)。根據(jù)激勵(lì)信號(hào)及測得的響應(yīng)信號(hào)計(jì)算系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣H(f)，其表達(dá)式為：

Y(f)=H(f)X(f)

(2)

在后續(xù)迭代過程中，頻響函數(shù)逆矩陣H-1(f)的質(zhì)量更為重要，其直接參與臺(tái)架驅(qū)動(dòng)信號(hào)的計(jì)算，表達(dá)式為：

X(f)=H-1(f)Y(f)

(3)

在逆矩陣H-1(f)中，最為關(guān)心的是相關(guān)性較高元素。其中，輪心六分力信號(hào)(12個(gè))與臺(tái)架驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)系最為重要。在0～50 Hz控制頻帶內(nèi)，頻響函數(shù)質(zhì)量必須保證，是后續(xù)臺(tái)架迭代過程的根本。

本文在響應(yīng)通道內(nèi)添加了減振器軸向力通道和縱臂托盤三分力通道，因此在逆矩陣H-1(f)中對(duì)應(yīng)的幅頻、相頻曲線需要關(guān)注。減振器軸向力與臺(tái)架垂向位移驅(qū)動(dòng)信號(hào)相關(guān)性最高，縱臂托盤縱向力與臺(tái)架縱向力驅(qū)動(dòng)信號(hào)相關(guān)性最高，縱臂托盤垂向力與臺(tái)架垂向位移驅(qū)動(dòng)信號(hào)相關(guān)性最高。得到高質(zhì)量的頻響函數(shù)，一方面驗(yàn)證了先前傳感器布置方案的準(zhǔn)確性，另一方面為后續(xù)迭代過程中控制對(duì)應(yīng)位置受力狀態(tài)奠定了基礎(chǔ)。

4 迭代結(jié)果

由于懸架系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等都存在非線性，而式(2)求取的頻響函數(shù)表征了線性關(guān)系。使用線性頻響關(guān)系模擬非線性系統(tǒng)，獲得的響應(yīng)必然存在誤差。因此需要通過迭代逐步修正驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)趨近目標(biāo)信號(hào)[8-12]。迭代過程如圖4所示。當(dāng)所有通道的均方根誤差占比小于15%時(shí)，終止迭代，生成的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以用來驅(qū)動(dòng)臺(tái)架進(jìn)行疲勞耐久試驗(yàn)。

圖4 迭代過程示意圖

本文采用兩種臺(tái)架控制策略進(jìn)行迭代[13]，能夠更加全面地對(duì)比硬點(diǎn)受力狀態(tài)。策略A：只控制車輪六分力通道，其他通道作為監(jiān)控通道；策略B：車輪六分力通道和各硬點(diǎn)力通道均作為控制通道。選取搓板路作為迭代路面。

在控制策略A和控制策略B下，車輪六分力信號(hào)中垂向力通道迭代響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)時(shí)域和統(tǒng)計(jì)特征值結(jié)果的比較如圖5所示。

圖5 車輪六分力垂向力時(shí)域響應(yīng)曲線及統(tǒng)計(jì)特征值結(jié)果

從圖5可以看出，在時(shí)域上，目標(biāo)響應(yīng)和迭代響應(yīng)重合度很高，表明臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地復(fù)現(xiàn)軸頭的受力狀態(tài)。此外，兩種策略下迭代響應(yīng)的均方根誤差占比均小于10%，從另一角度再次驗(yàn)證了六分力垂向力通道在兩種控制策略下的迭代結(jié)果都能夠滿足后續(xù)耐久試驗(yàn)的要求。六分力其他通道迭代精度類似垂向力精度。

硬點(diǎn)的受力狀態(tài)是本文研究的重點(diǎn)。為了直觀對(duì)比不同臺(tái)架控制策略下硬點(diǎn)的受力狀態(tài)，將目標(biāo)響應(yīng)、策略A迭代響應(yīng)和策略B迭代響應(yīng)放在同一張圖上。圖6和圖7分別展示了縱臂托盤縱向力和垂向力的響應(yīng)對(duì)比情況。圖8展示了減振器上安裝點(diǎn)軸向力的響應(yīng)對(duì)比情況。

圖6 縱臂托盤縱向力響應(yīng)對(duì)比

圖7 縱臂托盤垂向力響應(yīng)對(duì)比

圖8 減振器上安裝點(diǎn)軸向力響應(yīng)對(duì)比

對(duì)于控制策略A，由于硬點(diǎn)位置受力未參與到迭代控制當(dāng)中，此處的受力狀態(tài)可以理解為“失控”狀態(tài)。從圖6和圖7可以看出，縱臂托盤縱向力以及垂向力均超過目標(biāo)響應(yīng)。對(duì)縱臂托盤的偽損傷是目標(biāo)響應(yīng)損傷的2倍以上。

對(duì)于控制策略B，各硬點(diǎn)力通道均作為控制通道，此處的受力狀態(tài)是“受控”狀態(tài)，從圖6和圖7可以看出，縱臂托盤縱向力以及垂向力均很好地復(fù)現(xiàn)了目標(biāo)響應(yīng)，對(duì)縱臂托盤的偽損傷比值接近1。

對(duì)于減振器上安裝點(diǎn)，策略A下的迭代響應(yīng)小于目標(biāo)響應(yīng)，如圖8所示。在軸頭六分力垂向力復(fù)現(xiàn)較好的基礎(chǔ)上，減振器上安裝點(diǎn)分擔(dān)的垂向力偏小，必定導(dǎo)致其他部件在垂直方向上分擔(dān)的力過大,導(dǎo)致懸架部件的受力狀態(tài)失常。策略B下的迭代響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)相當(dāng)，很好地復(fù)現(xiàn)了受力狀態(tài)。

對(duì)于傳統(tǒng)方法，硬點(diǎn)安裝位置采用剛性連接，且沒有安裝力傳感器監(jiān)控。以此種方法進(jìn)行迭代以及后續(xù)耐久試驗(yàn)，縱臂托盤處的橡膠襯套出現(xiàn)較早開裂失效。較早失效的原因很大程度上來源于此處“失控”的受力狀態(tài)。

5 結(jié)束語

在尚無白車身的基礎(chǔ)上驗(yàn)證懸架的可靠性，工程師應(yīng)該把重點(diǎn)放在與硬點(diǎn)位置匹配工裝的設(shè)計(jì)上。當(dāng)沒有條件將工裝設(shè)計(jì)成與白車身等剛度時(shí)，可以借鑒本文方法，即通過在硬點(diǎn)安裝位置布置力傳感器，有效控制懸架硬點(diǎn)受力情況，使得懸架系統(tǒng)在臺(tái)架試驗(yàn)中的受力狀態(tài)更加真實(shí)和全面。