關鍵詞：汽車動態(tài)載荷；傳遞函數(shù)；動態(tài)載荷譜；載荷譜預測；虛擬試驗場

0 前言

通過平臺化開發(fā)的汽車，其系列產品之間的載荷譜具有一定的相關性，主要原因在于載荷的傳遞路徑保持不變，但整車傳遞函數(shù)會根據(jù)平臺的結構參數(shù)、零件性能參數(shù)的不同而發(fā)生變化。在整車耐久性規(guī)范開發(fā)的前期，在沒有樣車時，根據(jù)同平臺開發(fā)的汽車產品載荷譜，并結合整車的傳遞特性，可預測新產品的載荷譜。

李飛等［1］針對汽車動態(tài)載荷預測方法進行了研究?；谡噧勺杂啥日駝幽Ｐ?，通過對路面隨機激勵傳遞函數(shù)進行分析，可獲取整車參數(shù)或狀態(tài)改變后簧上與簧下的傳遞函數(shù)比，基于此，可對汽車不同狀態(tài)下的動態(tài)載荷進行預測?；谔摂M試驗場的耐久性載荷譜對載荷譜預測方法進行驗證，結果發(fā)現(xiàn)可以有效預測不同載重狀態(tài)下的汽車動態(tài)載荷譜。本文提出了一種可預測汽車動態(tài)載荷譜的方法，以期為汽車平臺化開發(fā)時在已有平臺載荷譜的基礎上確定相關系數(shù)提供理論依據(jù)。

1 汽車動態(tài)載荷預測方法

1. 1 汽車隨機激勵傳遞分析

采用具有車身和車輪2 個自由度的汽車振動模型進行分析，汽車在行駛過程中所受到的路面隨機激勵見圖1。其中，K 為懸架剛度；C 為懸架阻尼器的阻尼系數(shù)；K_t為輪胎剛度；M 為簧上質量；m 為簧下質量；x_m 為簧上質量車身位移；x_t 為簧下質量軸頭位移；f 為地面作用到輪胎接地點的垂向力；x_st為路面起伏量。

1. 2 傳遞函數(shù)比

汽車的參數(shù)或狀態(tài)（簧上質量、簧下質量、激勵頻率、懸架剛度和阻尼）發(fā)生變化后，路面隨機激勵傳遞到簧下質量和簧上質量的傳遞函數(shù)由Hi（ ω）變?yōu)镠i′（ ω），進而導致簧下和簧上的加速度和位移均發(fā)生變化。定義傳遞函數(shù)比R_i為：

2 基于虛擬路面的耐久性載荷預測方法驗證

2. 1 驗證模型與工況

采用基于虛擬試驗場的載荷譜提取方法，使整車在預設的虛擬路面上行駛，可獲取不同狀態(tài)下汽車部件所受到的載荷譜?；谀硞€狀態(tài)下的載荷譜和動態(tài)載荷譜預測方法，可以預測其他狀態(tài)下的載荷譜，并將其與載荷譜仿真結果進行對比驗證。

整車模型以初始速度為13.3 m/s 在長為105 m的虛擬路面上行駛，在路面中部存在幅值為0.01 m、波長為1.2 m 的正弦激勵，路面長為40 m，寬為2 m，路面摩擦系數(shù)為0.9。

以載重狀態(tài)變化為案例，分別分析整車模型在空載、半載和滿載條件下簧上和簧下載荷譜的響應情況，其中半載ΔM=250 kg，滿載ΔM′=400 kg。采用所提載荷譜預測方法，基于空載狀態(tài)獲取載荷譜，預測半載和滿載狀態(tài)下的載荷譜，并將其結果與仿真載荷譜進行對比，以驗證所提方法的準確性。

2. 2 傳遞函數(shù)比曲面

當確定整車懸架剛度、阻尼、簧下輪胎剛度等參數(shù)后，傳遞函數(shù)比是關于載重質量和路面激勵頻率的函數(shù)。路面激勵頻率一般在0～50 Hz 內，載重分為空載、半載和滿載3 種狀態(tài)。在不同載重狀態(tài)下，簧上和簧下的傳遞函數(shù)比隨路面激勵頻率的變化情況如圖2 所示。

由圖2 可知，整車處于空載狀態(tài)時，簧上和簧下的傳遞函數(shù)比均為1。當整車為半載和滿載時，簧上傳遞函數(shù)比呈先增大后減小的趨勢，最終穩(wěn)定在1 附近；簧下傳遞函數(shù)比呈先減小后增大的趨勢，最終也穩(wěn)定在1 附近。在路面隨機激勵下，簧上和簧下的傳遞函數(shù)比峰值分別出現(xiàn)在4.8 Hz、6.5 Hz 頻率處，表明傳遞函數(shù)比對這2 個頻率下的激勵尤為敏感。

2. 3 載荷譜預測

整車以初始速度為13.3 m/s 在正弦路面上行駛，加速達到最大速度（13.8 m/s）。路面的激勵頻率可通過ω = v λ 計算得到，其中v 為駕駛速度，λ為路面波長。由于速度在一定范圍內變化，因此基于路面的波長和駕駛速度，可以得到路面的激勵頻率在5.4 Hz 附近。

在確定路面激勵頻率和載重狀態(tài)后，在傳遞函數(shù)比曲面上找到相應的傳遞函數(shù)比R_i（ω，ΔM）。為了對耐久性載荷譜進行保守估計，采用在路面激勵頻率范圍內較大的傳遞函數(shù)比進行載荷譜預測。

基于所提載荷譜預測方法，半載和滿載狀態(tài)下載重變化分別為ΔM=250 kg 和ΔM′=400 kg。在半載和滿載狀態(tài)下，簧下的傳遞函數(shù)比分別為0.9749和0.9685，簧上的傳遞函數(shù)比分別為1.174 1和1.1110。

2. 4 結果與分析

2. 4. 1 簧下輪心垂向力預測與驗證

基于虛擬路面分析得到的半載和滿載狀態(tài)下輪心垂向力載荷譜與基于預測方法得到的輪胎力見圖3。

由圖3 可知，在半載和滿載2 種狀態(tài)下，輪胎力載荷仿真值與預測值的吻合程度較高，兩者幅值基本保持一致。2 種載重狀態(tài)下，基于仿真方法得到的載荷譜相比預測曲線有所滯后。主要原因在于預測載荷譜是在空載狀態(tài)下仿真載荷譜的基礎上通過線性變化得到的，當載重發(fā)生變化后，汽車懸架系統(tǒng)的阻尼特性將發(fā)生變化，從而導致載荷譜仿真曲線比預測曲線有所滯后。

2. 4. 2 簧下軸頭加速度預測與驗證

基于虛擬路面分析得到的半載和滿載狀態(tài)下軸頭加速度與基于預測方法得到的加速度對比如圖4 所示。

由圖4 可知，在半載和滿載2 種狀態(tài)下，軸頭加速度仿真值與預測值的吻合程度較高，兩者幅值基本保持一致，同樣存在相位滯后現(xiàn)象。主要原因在于整車質量的變化引起汽車懸架系統(tǒng)的阻尼特性發(fā)生變化，導致載荷譜仿真值比預測值有所滯后，其滯后程度取決于阻尼的變化程度。對預測載荷譜相位進行修正時，需要輸入真實的阻尼特性，則可以消除滯后現(xiàn)象。

3 結論

采用兩自由度模型，分析了整車在不同載重狀態(tài)下簧上和簧下的傳遞函數(shù)比?；谄嚹碃顟B(tài)下所采集到的載荷譜和傳遞函數(shù)比，可預測汽車其他狀態(tài)下的動態(tài)載荷。根據(jù)理論分析和基于虛擬路面的方法驗證，可得到如下結論：

（1） 傳遞函數(shù)比是關于簧上質量、簧下質量、路面激勵頻率、懸架剛度和阻尼的函數(shù)。當汽車的參數(shù)或狀態(tài)發(fā)生變化后，傳遞函數(shù)同樣發(fā)生變化，根據(jù)傳遞函數(shù)比可預測汽車部件的動態(tài)載荷譜。

（2） 基于虛擬試驗場載荷譜提取的仿真方法，驗證了汽車在不同載重狀態(tài)下動態(tài)載荷譜預測方法的有效性。

（3） 在半載和滿載2 種載重狀態(tài)下，由于質量的變化引起汽車懸架系統(tǒng)的阻尼特性發(fā)生變化，導致載荷譜仿真值比預測值有所滯后。