王 斌，李 耀，龐方超，楊清淞

(中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司 天津 300301)

汽車行駛過(guò)程中，底盤懸架控制臂、副車架、轉(zhuǎn)向節(jié)、減振器等結(jié)構(gòu)件主要承受和傳遞來(lái)自路面的載荷，因此其強(qiáng)度及耐久性對(duì)整車的性能及安全性起著非常重要的作用[1]。目前，針對(duì)底盤的耐久驗(yàn)證有很多種方法，常用的試驗(yàn)方法是試驗(yàn)場(chǎng)的整車耐久性道路試驗(yàn)和懸架總成臺(tái)架耐久。其中，懸架總成臺(tái)架試驗(yàn)可以準(zhǔn)確控制零件載荷，有利于進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，避免了極端工況時(shí)試驗(yàn)員安全問(wèn)題；同時(shí)不受惡劣天氣影響，臺(tái)架試驗(yàn)周期顯著縮短，有效節(jié)省人力物力[2]。

應(yīng)用底盤臺(tái)架耐久試驗(yàn)時(shí)，需要將底盤結(jié)構(gòu)件按照整車裝配要求組成懸架總成，并針對(duì)其進(jìn)行耐久試驗(yàn)，是一種相對(duì)有效且精度較高的驗(yàn)證方法。試驗(yàn)主要分為單軸、多軸正弦波、多軸道路模擬3種[3]。本文主要針對(duì)多軸正弦波加載進(jìn)行理論分析，并就在臺(tái)架上的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。其中，涉及懸架實(shí)際受力分析、固定反力式約束工裝設(shè)計(jì)、完整臺(tái)架搭建以及通過(guò)軟件迭代實(shí)現(xiàn)帶彈性元件的懸架總成的加載 方法。

1 多軸正弦波加載懸架耐久試驗(yàn)介紹

懸架總成多軸正弦波加載耐久試驗(yàn)，首先需要將懸架總成按照整車狀態(tài)進(jìn)行裝配，再將懸架固定點(diǎn)安裝到相應(yīng)的剛性?shī)A具系統(tǒng)上，用來(lái)約束懸架的硬點(diǎn)位置，最后通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，測(cè)量各個(gè)固定點(diǎn)位置的空間坐標(biāo)，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)實(shí)際試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行調(diào)整，使臺(tái)架的最終安裝精度與整車模型保持在一定的誤差范圍之內(nèi)，從而保證懸架總成的準(zhǔn)確受力狀態(tài)。

本文以后懸架總成為例進(jìn)行研究和驗(yàn)證。懸架總成耐久試驗(yàn)臺(tái)架裝配模型如圖1所示。

懸架總成右側(cè)與試驗(yàn)臺(tái)架的安裝點(diǎn)從左到右依次為：副車架與試驗(yàn)臺(tái)連接右后點(diǎn)、右后減振器總成與試驗(yàn)臺(tái)連接點(diǎn)、副車架與試驗(yàn)臺(tái)連接右前點(diǎn)、右縱 臂與試驗(yàn)臺(tái)連接點(diǎn)。圖1右下部箭頭所示方向?yàn)檐囄仓赶蜍囶^方向。

除圖1這種常用夾具系統(tǒng)模型外，如果試驗(yàn)條件允許，也可將白車身作為夾具，來(lái)約束懸架硬點(diǎn)位置，同時(shí)再設(shè)計(jì)一套剛性?shī)A具系統(tǒng)來(lái)約束白車身。需要注意的是，此方法在試驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程中需要對(duì)白車身進(jìn)行焊接加固，且當(dāng)白車身出現(xiàn)損壞時(shí)，維修和更換較為繁瑣。

2 加載工況

懸架總成耐久試驗(yàn)的加載方式一般為雙作動(dòng)缸加載，通過(guò)模擬實(shí)際行駛狀態(tài)可以得到5種加載工況：制動(dòng)工況、側(cè)向加載、縱向加載、垂向顛簸、垂向回彈。制動(dòng)工況和縱向加載為模擬車輛制動(dòng)時(shí)，輪胎接地點(diǎn)和軸頭位置分別受到的作用力的情況；側(cè)向加載為模擬車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，輪胎接地點(diǎn)受到向心力的情況；垂向顛簸為模擬車輛單輪過(guò)坑時(shí)，軸頭的受力狀態(tài)；垂向回彈為模擬輪胎脫離地面時(shí)，軸頭的受力狀態(tài)。各工況力加載曲線如表1所示。

表1 加載工況示意圖Tab.1 Schematic diagram of loading conditio ns

3 臺(tái)架加載反饋系統(tǒng)介紹

首先，需要分析懸架、試驗(yàn)臺(tái)、作動(dòng)缸和控制柜組成的激勵(lì)反饋系統(tǒng)。此激勵(lì)反饋系統(tǒng)相互關(guān)系如圖2所示。

臺(tái)架搭建完成后，螺栓都按照規(guī)定的扭矩緊固，系統(tǒng)可以被看作線性時(shí)不變系統(tǒng)?？刂乒癜l(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)指令，作動(dòng)缸在固定的加載點(diǎn)進(jìn)行加載，并通過(guò)傳感器得到力和位移反饋，并修正驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其調(diào)節(jié)方式有3種：比例、積分、微分。這里不再贅述。

本研究以MTS公司軟硬件為基礎(chǔ)進(jìn)行分析和驗(yàn)證。上文表1中涉及的曲線均為正弦加載曲線或由正弦曲線拼接得到，形式較為簡(jiǎn)單，理論上有2種方法可以實(shí)現(xiàn)：一種是通過(guò)MPT軟件，直接編輯目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，播放驅(qū)動(dòng)信號(hào)達(dá)到相應(yīng)的加載曲線；另外一種是通過(guò)RPC軟件對(duì)目標(biāo)信號(hào)迭代，來(lái)得到相應(yīng)的位移驅(qū)動(dòng)信號(hào)(即：通過(guò)位移信號(hào)迭代力信號(hào)，使加載力滿足目標(biāo)信號(hào)要求)。第一種方法對(duì)系統(tǒng)的剛度要求較高，同時(shí)PID調(diào)節(jié)精度依賴性較強(qiáng)，但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為方便；第二種方法則對(duì)系統(tǒng)的剛度和PID調(diào)節(jié)精度要求不高，因而更加適合對(duì)剛度較小的系統(tǒng)進(jìn)行加載。

4 各工況加載說(shuō)明

本研究所有工況中，作動(dòng)缸均和假輪工裝通過(guò)球鉸連接加載，現(xiàn)對(duì)不同工況的加載情況做如下分析。

4.1 制動(dòng)工況加載

對(duì)于制動(dòng)工況，由于加載過(guò)程中制動(dòng)盤被卡緊，在加載力的傳遞方向上，懸架總成剛度較大，適當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)PID值，可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，按正弦曲線可以直接加載。左后假輪工裝制動(dòng)工況加載方向及位置如圖3所示。

4.2 側(cè)向工況加載

側(cè)向工況加載與制動(dòng)方向加載類似，剛度較大，可以通過(guò)調(diào)節(jié)PID直接實(shí)現(xiàn)正弦波加載。左后假輪工裝側(cè)向工況加載方向及位置如圖4所示。

4.3 縱向工況加載

縱向加載需要將假輪轉(zhuǎn)動(dòng)90°角，朝輪心方向加載，加載方向上均為剛性部件，同樣可以直接通過(guò)調(diào)節(jié)PID值實(shí)現(xiàn)加載。需要注意的是，此時(shí)的加載曲線為反向加載，在左側(cè)加載過(guò)程中，左側(cè)受力會(huì)有一部分通過(guò)穩(wěn)定桿等其他部件傳遞到右側(cè)，為保持右側(cè)受力為零，需要將作動(dòng)缸設(shè)置為力控狀態(tài)，以保證加載曲線符合要求。左后假輪工裝縱向工況加載方向及位置如圖5所示。

4.4 垂向顛簸工況加載和垂向回彈工況加載

在垂向顛簸和垂向回彈的工況中，作動(dòng)缸在加載過(guò)程中，會(huì)受到減振器滑柱和彈簧的反作用力，而彈性元件的存在會(huì)大幅降低總成在垂向的剛度，導(dǎo)致作動(dòng)缸直接按照曲線加載無(wú)法實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，調(diào)節(jié)PID值已經(jīng)無(wú)法滿足加載要求，需要針對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行迭代，使作動(dòng)缸通過(guò)調(diào)節(jié)位移和速度，逐漸逼近目標(biāo)載荷曲線。左后假輪工裝垂向顛簸和垂向回彈工況加載方向及位置如圖6所示。

5 實(shí)際驗(yàn)證

5.1 迭代過(guò)程

現(xiàn)以垂向顛簸工況為例，說(shuō)明迭代過(guò)程。

①通過(guò)rpc軟件的信號(hào)處理模塊生成目標(biāo)信號(hào)，圖7所示目標(biāo)信號(hào)為了保證最終生成的驅(qū)動(dòng)信號(hào)比較穩(wěn)定，將目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行了多次重復(fù)。

②針對(duì)作動(dòng)缸-懸架總成-臺(tái)架組成的系統(tǒng)，計(jì)算其傳遞函數(shù)。為此創(chuàng)建一個(gè)隨機(jī)白噪聲信號(hào)，一般為作動(dòng)缸的位移(單位為mm)，對(duì)于每一個(gè)頻率，該信號(hào)有足夠的幅值來(lái)刻畫測(cè)試系統(tǒng)響應(yīng)，響應(yīng)信號(hào)根據(jù)試驗(yàn)需要確定，可以是力、位移或加速度等等信號(hào)。需要考慮的參數(shù)包括信號(hào)的頻譜信息(截止頻率下限、拐點(diǎn)頻率和截止頻率上限)和幅值。白噪聲信號(hào)必須保證足夠的強(qiáng)度可以激勵(lì)測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)信號(hào)不會(huì)損害懸架總成部件。通過(guò)白噪聲信號(hào)激勵(lì)此系統(tǒng)，并從作動(dòng)缸力傳感器獲得加載點(diǎn)的力值。利用試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)工具計(jì)算頻響函數(shù)FRF(Frequency Response Fuction)，即：

式中，F(xiàn)RF為系統(tǒng)頻響函數(shù)；X為隨機(jī)白噪聲信號(hào)；Y為測(cè)試系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)。

③計(jì)算起始驅(qū)動(dòng)信號(hào)。應(yīng)用試驗(yàn)臺(tái)架控制軟件，將頻響函數(shù)逆函數(shù)與目標(biāo)道路信號(hào)進(jìn)行卷積運(yùn)算得到迭代過(guò)程起始的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。計(jì)算公式如下：

式中，X0為初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)；YesD為目標(biāo)道路信號(hào)；FRF?1為系統(tǒng)傳遞函數(shù)逆函數(shù)。

④計(jì)算系統(tǒng)響應(yīng)誤差。運(yùn)行起始驅(qū)動(dòng)信號(hào)，獲得系統(tǒng)初始響應(yīng)信號(hào)并通過(guò)計(jì)算目標(biāo)道路信號(hào)和輸出響應(yīng)的差值得到系統(tǒng)響應(yīng)誤差。計(jì)算公式如下：

式中，E0為系統(tǒng)響應(yīng)誤差；Y0為系統(tǒng)初始響應(yīng)信號(hào)。

⑤計(jì)算驅(qū)動(dòng)修正。在驅(qū)動(dòng)修正計(jì)算之前，需選擇增益與系統(tǒng)響應(yīng)誤差相乘，迭代過(guò)程存在不穩(wěn)定性，因此增益一般小于1。系統(tǒng)響應(yīng)誤差和頻響函數(shù)的逆函數(shù)進(jìn)行卷積運(yùn)算從而獲得驅(qū)動(dòng)信號(hào)的修正值。

式中，C0為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的修正值；G0為系統(tǒng)誤差增益。

⑥計(jì)算下一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。將驅(qū)動(dòng)修正值與上次驅(qū)動(dòng)信號(hào)相加得下一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

式中，X1為系統(tǒng)第二次驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

⑦重復(fù)進(jìn)行迭代。運(yùn)行下一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，獲得測(cè)試車各傳感器的響應(yīng)，持續(xù)重復(fù)迭代過(guò)程，直至在臺(tái)架上能夠很好地再現(xiàn)目標(biāo)加載曲線。

5.2 驗(yàn)證結(jié)果

按照?qǐng)D1的模型搭載懸架總成試驗(yàn)臺(tái)架，并通過(guò)實(shí)際曲線進(jìn)行迭代，得到如下結(jié)果。

5.2.1 垂向顛簸工況迭代結(jié)果

圖8中橫坐標(biāo)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)分別為左側(cè)和右側(cè)加載的力值，其中，虛線為目標(biāo)加載曲線，實(shí)線為加載點(diǎn)實(shí)際的力值曲線。

針對(duì)迭代結(jié)果，有2點(diǎn)需要特別說(shuō)明：

①圖中兩條曲線最大值和最小值與目標(biāo)曲線基本一致，迭代效果較好。

②其中一個(gè)作動(dòng)缸在保持狀態(tài)時(shí)，作動(dòng)缸的力值無(wú)法準(zhǔn)確保持在零位，主要原因是垂向顛簸工況是雙缸反向加載，處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的作動(dòng)缸會(huì)通過(guò)結(jié)構(gòu)件將力傳導(dǎo)到另外的假輪上，進(jìn)而影響另一個(gè)作動(dòng)缸，使其力值很難在零位保持。值得注意的是，此力值基本與目標(biāo)曲線相差0.2～0.3kN，因相差較小，對(duì)結(jié)構(gòu)件造成的額外損傷可以忽略不計(jì)。

5.2.2 垂向回彈工況迭代結(jié)果

從圖9可以看出迭代結(jié)果和目標(biāo)曲線基本一致。需要特別說(shuō)明的是，回彈工況中，由于作動(dòng)缸和假輪工裝之間為球鉸連接，屬于非剛性連接，故在力值為零的過(guò)程中會(huì)有輕微松動(dòng)，從圖9中可以明顯看到曲線有微小缺口。

6 結(jié)論

懸架總成多軸耐久試驗(yàn)對(duì)樣品的考核相對(duì)較準(zhǔn)確，且易于實(shí)施，很多實(shí)車道路測(cè)試的問(wèn)題都可以在臺(tái)架上得到驗(yàn)證。本文針對(duì)臺(tái)架測(cè)試多軸正弦加載的幾個(gè)典型工況做了詳細(xì)分析和試驗(yàn)方案確定，并特 別針對(duì)垂向顛簸和垂向回彈2個(gè)涉及彈性元件的加載工況，提出用rpc中位移迭代力的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)一些特殊的加載曲線，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性。本研究通過(guò)迭代曲線的方法，使設(shè)備能夠給樣件提供準(zhǔn)確的加載力，從而提高了耐久試驗(yàn)的精度。