基于道路载荷谱的汽车下横臂疲劳试验

曹宏伟

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

随着用户对汽车安全性和可靠性需求的日益增加，汽车零部件的疲劳强度已成为汽车产品品质的重要因素，因而台架试验在车辆设计和开发过程中也发挥着不可或缺的作用。得益于现代计算机技术的高速发展，试验方法也从以前的程序加载发展到目前广泛应用的实时模拟加载[1]。文章采用道路模拟和台架试验相结合的方式，利用双通道加载，基于实车道路载荷谱完成对汽车前悬架下横臂疲劳强度的考核。该方法对研究汽车下横臂在麦弗逊等类型悬架的载荷传递上具有重要的意义，并且在对其疲劳强度的评价上更加客观真实。

1 道路载荷谱的获得

文章主要研究对象为某国产车型前悬架下横臂，如图1所示。按照试验流程首先要进行应变片的安装调试及获得实际道路的载荷谱。

图1 某国产车型前悬架下横臂

1.1 应变片布置

对于汽车用麦弗逊式悬架，下横臂连接副车架、转向节及减振机构。路面对车轮的垂直载荷依次通过转向节、下球头销、下横臂及减振机构传递到车身和车架上；而纵向力、侧向力与力矩均由转向节和导向机构及下横臂和球头销传递。由于文章中双通道加载只涉及到纵向力和侧向力，因而经过分析以及考虑贴应变片的可行性和方便性，选择在下横臂工艺孔及翻边处布置应变片。如图2所示，下横臂上应变测量位置共7处，其中1和2处位置为全桥连接；3，4，6，7处位置为半桥连接；5处为1/4桥单片连接测量。

图2 汽车下横臂应变片安装位置

1.2 道路载荷谱采集

试验场采集路谱的行驶规程及路段的选择应具有代表性，能重现汽车实际使用中的重要事件，使测得的载荷历程具有典型性、概括性及集中性[2]。因此，本次载荷谱数据采集试验选择北京通州试车场8字路、卵石路、轻比利时路及扭曲路等典型路段。各个路段的比例应能够保证所选的试验场路段总和的路谱雨流矩阵与用户目标使用路面的路谱雨流矩阵一致。

本次数据采集设备为LMS公司的SCADAS Mobile便携式数据采集器，采集软件为LMS.TestLab。每种路面载荷信号采集3次，选取最优数据。由于路面过多，无法全部列举，仅以轻比利时路为例进行说明，该路面主要由方形石块组成。图3示出最终得到的轻比利时路面载荷信号数据。

图3 轻比利时路面载荷数据显示界面

2 标定及通道选取

2.1 试验台架搭建

为满足双通道加载需求，利用2个MTS公司生产的液压线性作动缸作为加载输入。在固定方式上，充分考虑实际装配情况，利用批量状态的螺栓按照实际装车扭矩将前悬横梁固定在夹具上。下横臂同样以实车状态安装在前悬横梁上，加载点采用连杆吊装方式，连杆两端由球铰连接。2个作动器分别通过换向装置，将加载力分别传递到加载位置，按照整车坐标系，分别为X向加载和Y向加载。试验台架及加载方向，如图4所示。

图4 汽车下横臂双通道加载试验台加载方向示意图

2.2 标定及有效信号通道选取

为了降低后期迭代难度及提高迭代效率，文章选取了2个通道作为后期迭代信号。具体步骤为：1）在台架上分2次在每个方向分别单独加载一个±4 kN的正弦波作为信号标定，得到的全部通道响应信号，如图5所示；2）考虑到后期信号迭代收敛问题，最终选取的2个通道必须具备X与Y向标定加载响应相关性较低的特征，即选择一个X向响应大同时Y向响应较小的通道，和一个与之相反（Y向响应大且X向响应小）的通道。根据筛选，最终确定选取3号通道与6号通道作为迭代信号。

图5 标定载荷下7个通道响应信号显示界面

3 数据迭代及试验

要实现零部件在室内试验台架上再现汽车试验场上试验，其核心要求就是室内试验台架作动器给样车的激励等效于试验场路面激励，从而使样件的响应信号相同[3]。

3.1 远程参数控制（RPC）技术

RPC理论的基础为现代控制理论，可以把数控模块、液压伺服作动器、被试车样件、加载机构及检测单元看成一个汽车试验台架系统。这个系统由许多环节组成。从系统动力学的观点来分析它的输入与输出关系，台架系统可以用一个传递函数矩阵H（t）或H（f）的线性系统来描述。把试件的响应信号Y（t）作为台架系统的输出，把推动作动器的驱动信号X（t）作为台架系统的输入。汽车试验台架系统的输入、输出及作动器的数目相等。台架试验系统输入与输出的数学矩阵模型以频响函数（FRF）的形式来表现。对于试验系统的频响函数，可以通过白噪声信号激励来获得白噪声响应，从而可以获得整个试验系统的数学模型FRF。如果将试验场所得的路谱信号作为目标信号，通过反运算即可得到需要的驱动信号。RPC采用离线迭代的计算方法逐步修正激励信号，使系统的响应信号趋近目标信号。

3.2 数据迭代及试验过程

1）原始数据处理。将前面选取的2个通道的数据导入RPC软件中，并将各个路面的实际响应信号进行编辑及处理，诸如过渡路面的删除、去除尖峰、温度漂移校正及50 Hz低通滤波等。经过这个过程得到的路谱即为下横臂在试验台架系统上再现的路面振动的理想响应信号（Y0（t））。

2）系统频响函数FRF（即H）的测定和分析。用随机的白噪声信号驱动道路模拟试验台架系统并记录响应信号，以计算出整个试验系统（包括电液伺服台架试验系统和被试验对象）的响应与激励之间的频率响应函数矩阵。

3）初始驱动信号（X0（t））的估计：根据第2）步得到的H和第1）步得到的Y0（t），按照X0（t）=H-1Y0（t）得出X0（t）的估计值。

4）驱动信号的迭代修正。整个试验系统（包括试验台架、液压作动器、样件及测量系统等）存在一定程度上的非线性，使得根据线性系统假设计算得到的激振信号去激励系统时，得到的响应和期望目标响应之间存在很大的误差。为了消除非线性的影响，需要通过迭代的计算方法逐步修正激振信号，使系统的响应信号趋近目标信号[4]。

轻比利时路面6号位置经过迭代后得到的响应信号（蓝色）与原始载荷谱信号（黑色）之间的比较，如图6所示。从图6可见，2个信号基本重合，各波峰波谷值也基本一致，迭代结果较好。图7示出最终求得的轻比利时路面X向和Y向线性作动缸的激励信号，以此信号作为激励，对样件同时进行X向与Y向的加载可完成轻比利时路面的道路模拟。

图6 轻比利时路面迭代后响应信号与原始载荷谱信号比较显示界面

图7 轻比利时路加载激励信号显示界面

5）进行台架模拟试验。将迭代完所有路面得到的激励信号根据相应的道路考核行驶规范编制成程序谱，以程序载荷谱驱动台架系统进行该零部件的耐久性试验，直到完成其规定的试验历程。

4 结论

对前悬架下横臂进行疲劳耐久试验对汽车的行驶安全性意义重大，尤其是对经常在路况差的路面上行驶的车辆更是如此。本研究基于实车道路载荷谱，利用RPC技术并采用双通道加载，尽可能地模拟出下横臂在实车道路试验中的受力状态，对样件的疲劳耐久性考核更加趋于实际应用。提出了关于零部件耐久性试验方案的一种思路，可供在其他零部件疲劳试验评价中参考。在具体的试验过程中，还有一些环节可以进一步完善，如应变安装点的选择及试验台架工装的优化设计等，这都是以后需要进一步研究的内容。