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自路面的載荷，因此其強(qiáng)度及耐久性對整車的性能及安全性起著非常重要的作用[1]。目前，針對底盤的耐久驗(yàn)證有很多種方法，常用的試驗(yàn)方法是試驗(yàn)場的整車耐久性道路試驗(yàn)和懸架總成臺架耐久。其中，懸架總成臺架試驗(yàn)可以準(zhǔn)確控制零件載荷，有利于進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，避免了極端工況時試驗(yàn)員安全問題；同時不受惡劣天氣影響，臺架試驗(yàn)周期顯著縮短，有效節(jié)省人力物力[2]。

應(yīng)用底盤臺架耐久試驗(yàn)時，需要將底盤結(jié)構(gòu)件按照整車裝配要求組成懸架總成，并針對其進(jìn)行耐久試驗(yàn)，是一種相對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]。本文主要針對多軸正弦波加載進(jìn)行理論分析，并就在臺架上的實(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)、完整臺架搭建以及通過軟件迭代實(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)的剛性夾具系統(tǒng)上，用來約束懸架的硬點(diǎn)位置，最后通過三坐標(biāo)測量儀，測量各個固定點(diǎn)位置的空間坐標(biāo)，并根據(jù)測量結(jié)果對實(shí)際試驗(yàn)臺架進(jìn)行調(diào)整，使臺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)臺架裝配模型如圖1所示。

懸架總成右側(cè)與試驗(yàn)臺架的安裝點(diǎn)從左到右依次為：副車架與試驗(yàn)臺連接右后點(diǎn)、右后減振器總成與試驗(yàn)臺連接點(diǎn)、副車架與試驗(yàn)臺連接右前點(diǎn)、右縱 臂與試驗(yàn)臺連接點(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，來約束懸架硬點(diǎn)位置，同時再設(shè)計(jì)一套剛性夾具系統(tǒng)來約束白車身。需要注意的是，此方法在試驗(yàn)準(zhǔn)備過程中需要對白車身進(jìn)行焊接加固，且當(dāng)白車身出現(xiàn)損壞時，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缸加載，通過模擬實(shí)際行駛狀態(tài)可以得到5種加載工況：制動工況、側(cè)向加載、縱向加載、垂向顛簸、垂向回彈。制動工況和縱向加載為模擬車輛制動時，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，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坑時，軸頭的受力狀態(tài)；垂向回彈為模擬輪胎脫離地面時，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 臺架加載反饋系統(tǒng)介紹

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

臺架搭建完成后，螺栓都按照規(guī)定的扭矩緊固，系統(tǒng)可以被看作線性時不變系統(tǒng)。控制柜發(fā)出驅(qū)動信號指令，作動缸在固定的加載點(diǎn)進(jìn)行加載，并通過傳感器得到力和位移反饋，并修正驅(qū)動信號，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，形式較為簡單，理論上有2種方法可以實(shí)現(xiàn)：一種是通過MPT軟件，直接編輯目標(biāo)驅(qū)動，播放驅(qū)動信號達(dá)到相應(yīng)的加載曲線；另外一種是通過RPC軟件對目標(biāo)信號迭代，來得到相應(yīng)的位移驅(qū)動信號(即：通過位移信號迭代力信號，使加載力滿足目標(biāo)信號要求)。第一種方法對系統(tǒng)的剛度要求較高，同時PID調(diào)節(jié)精度依賴性較強(qiáng)，但是實(shí)現(xiàn)起來較為方便；第二種方法則對系統(tǒng)的剛度和PID調(diào)節(jié)精度要求不高，因而更加適合對剛度較小的系統(tǒng)進(jìn)行加載。

4 各工況加載說明

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

4.1 制動工況加載

對于制動工況，由于加載過程中制動盤被卡緊，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)向工況加載與制動方向加載類似，剛度較大，可以通過調(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，同樣可以直接通過調(diào)節(jié)PID值實(shí)現(xiàn)加載。需要注意的是，此時的加載曲線為反向加載，在左側(cè)加載過程中，左側(cè)受力會有一部分通過穩(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，作動缸在加載過程中，會受到減振器滑柱和彈簧的反作用力，而彈性元件的存在會大幅降低總成在垂向的剛度，導(dǎo)致作動缸直接按照曲線加載無法實(shí)現(xiàn)。此時，調(diào)節(jié)PID值已經(jīng)無法滿足加載要求，需要針對目標(biāo)信號進(jìn)行迭代，使作動缸通過調(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 迭代過程

現(xiàn)以垂向顛簸工況為例，說明迭代過程。

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

②針對作動缸-懸架總成-臺架組成的系統(tǒng)，計(jì)算其傳遞函數(shù)。為此創(chuàng)建一個隨機(jī)白噪聲信號，一般為作動缸的位移(單位為mm)，對于每一個頻率，該信號有足夠的幅值來刻畫測試系統(tǒng)響應(yīng)，響應(yīng)信號根據(jù)試驗(yàn)需要確定，可以是力、位移或加速度等等信號。需要考慮的參數(shù)包括信號的頻譜信息(截止頻率下限、拐點(diǎn)頻率和截止頻率上限)和幅值。白噪聲信號必須保證足夠的強(qiáng)度可以激勵測試系統(tǒng)，同時信號不會損害懸架總成部件。通過白噪聲信號激勵此系統(tǒng)，并從作動缸力傳感器獲得加載點(diǎn)的力值。利用試驗(yàn)臺架系統(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；Y為測試系統(tǒng)響應(yīng)信號。

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

式中，X0為初始驅(qū)動信號；YesD為目標(biāo)道路信號；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)動信號，獲得系統(tǒng)初始響應(yīng)信號并通過計(jì)算目標(biāo)道路信號和輸出響應(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。

⑤計(jì)算驅(qū)動修正。在驅(qū)動修正計(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)動信號的修正值。

式中，C0為驅(qū)動信號的修正值；G0為系統(tǒng)誤差增益。

⑥計(jì)算下一個驅(qū)動信號。將驅(qū)動修正值與上次驅(qū)動信號相加得下一個驅(qū)動信號。

式中，X1為系統(tǒng)第二次驅(qū)動信號。

⑦重復(fù)進(jìn)行迭代。運(yùn)行下一個驅(qū)動信號，獲得測試車各傳感器的響應(yīng)，持續(xù)重復(fù)迭代過程，直至在臺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

按照圖1的模型搭載懸架總成試驗(yàn)臺架，并通過實(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。

針對迭代結(jié)果，有2點(diǎn)需要特別說明：

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其中一個作動缸在保持狀態(tài)時，作動缸的力值無法準(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)動狀態(tài)的作動缸會通過結(jié)構(gòu)件將力傳導(dǎo)到另外的假輪上，進(jìn)而影響另一個作動缸，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。需要特別說明的是，回彈工況中，由于作動缸和假輪工裝之間為球鉸連接，屬于非剛性連接，故在力值為零的過程中會有輕微松動，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)對樣品的考核相對較準(zhǔn)確，且易于實(shí)施，很多實(shí)車道路測試的問題都可以在臺架上得到驗(yàn)證。本文針對臺架測試多軸正弦加載的幾個典型工況做了詳細(xì)分析和試驗(yàn)方案確定，并特 別針對垂向顛簸和垂向回彈2個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實(shí)現(xiàn)一些特殊的加載曲線，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性。本研究通過迭代曲線的方法，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。