某乘用车前悬摆臂多工况道路载荷谱采集技术研究

陈宇，申娟

(中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122)



某乘用车前悬摆臂多工况道路载荷谱采集技术研究

陈宇，申娟

(中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122)

以某乘用车麦弗逊式前悬摆臂为研究对象，采集整车在汽车试验场强化道路各工况的应变，通过台架标定的方法获得摆臂载荷与应变关系，计算出相应工况下摆臂所受载荷。通过分析载荷谱时域和频域，得到利于零部件设计的参数，同时为结构设计人员进行CAE分析提供数据支持，为零部件疲劳寿命试验提供试验条件。

摆臂；载荷谱；数据采集技术

0　引言

麦弗逊式独立悬挂是最为常见的一种悬挂，多应用于家用轿车的前悬挂。如图1所示，麦弗逊式独立悬挂主要由摆臂和减振机构组成。

图1　麦弗逊式前悬架

其中摆臂发挥着重要作用，用于约束转向节在侧向(Y)的位移、在纵向(X)的位移。摆臂如有质量问题，会导致车辆失控，会带来致命安全事故。所以采集整车满载情况下、在汽车试验场强化耐久道路测试中各工况的载荷谱显得尤为重要。结构设计人员可以利用该载荷谱对摆臂、前副车架和转向节进行CAE分析。通过计算机仿真技术用载荷谱模拟和加载，预测寿命和反馈优化。这可以把试验时间压缩到原来的1/10、1/100，大大降低开发成本，缩短开发周期。在产品开发验证阶段，通过制定载荷谱试验规范，按照规范要求的载荷谱对摆臂、前副车架和转向节施加载荷。与传统的等幅谱加载相比，使用载荷谱加载可以更加真实地反映上述零部件在用户道路中的疲劳寿命。

1　摆臂受力分析及应变采集原理

如图2所示，摆臂通过两个衬套与副车架相连，通过一个球头销与转向节相连，共3个连接点。对于摆臂而言，两个衬套与副车架相连的两个点为固定约束点。外来载荷通过与转向节相连的球头销传递给摆臂纵向力Fx、侧向力Fy、垂向力Fz。由于摆臂受到的垂向力被摆臂上面的两个衬套较大程度地释放，导致摆臂在垂向上的疲劳损伤非常小。因此对摆臂的载荷谱采集只选择采集与转向节相连的球头销受到的纵向力Fx和侧向力Fy。如图3所示，选择在球头销的X和Y方向贴应变片。

图2　摆臂

图3　球头销贴片照片

将应变片贴在球头销上，使应变片随球头销受力弯曲变形一起伸缩，促使应变片的金属合金因伸缩变形改变电阻，通过测量电阻的变化实现对应变的测定。常见的应变片敏感栅使用铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变呈正比例关系。即：

式中：R为应变片的原电阻值；ΔR为伸缩引起的电阻变化；K为比例常数(应变常数)；ε为应变。

由于应变是相当微小的变化，所以产生的电阻变化也极其微小。为了便于测量，需要使用惠斯通电桥将应变的电阻变化转换成电压信号，并放大电压信号。考虑球头销贴片的空间比较小，在同一测量方向贴装两个应变片，组建具有温度补偿功能的半桥。半桥输出电压公式为：

式中：K为比例常数(应变常数)；ε为应变；Vo为电桥输出电压；Vi为电桥输入电压。

2　试验样件标定

模拟整车约束摆臂两衬套安装点，分别对摆臂X和Y向加载力，得到力和应变的标定曲线，由此得到标定系数。图4和图5分别为摆臂X和Y方向力-应变标定曲线。从图中可以看出线性回归方程中R2都逼近于1，说明力-应变关系线性度好，也说明了应变片的贴装良好。

图4　摆臂X方向力-应变曲线图

图5　球头销Y方向力-应变曲线

3　试验场工况选择

文中主要研究摆臂在典型路况中的载荷，所以选择重庆西部汽车试验场的耐久强化路及综合评价路中28个典型工况进行载荷采集。具体路况见表1。

表1　耐久路及综合评价路典型工况明细

4　多工况载荷谱采集

采用HBM公司的Somat eDAQ移动数据采集系统对载荷数据进行采集。如图6所示，采集到摆臂X和Y方向的多工况载荷谱，可以获得：X方向的峰值载荷为(10.41 kN,-6.524 kN)，Y方向的峰值载荷为(9.848 kN,-9.769 kN)。图7所示为摆臂载荷谱频域，可以得知X和Y方向能量主要集中在频段0.5～2.5 Hz和15～25 Hz。

图6　摆臂X和Y方向在多工况载荷谱

图7　摆臂载荷谱频域

5　载荷谱的应用

相比仿真或其他理论计算方式得到的摆臂载荷谱，通过试验采集的摆臂载荷谱更能反映车辆在实际工况运行中摆臂的受力情况，为摆臂的设计和台架试验提供更为真实可靠的载荷输入。基于实际工况采集到的摆臂受力载荷谱，为摆臂的设计和

台架试验提供以下几个方面的支持：

(1)采集的摆臂载荷谱可以直接反映摆臂在实际工况下的受力情况，可以计算出衬套在各工况下的受力情况，方便衬套的优化设计；

(2)CAE分析时导入摆臂载荷谱，校验摆臂、球头销和前副车架出现的最大应力小于所采用材料的最大允许应力，为摆臂、球头销和前副车架强度设计提供判定条件；

(3)CAE分析时导入摆臂载荷谱，对摆臂、球头销和前副车架进行疲劳寿命仿真计算，以满足整车开发设计目标，大大减少了产品开发周期和成本；

(4)为模态分析提供载荷输入，通过分析摆臂载荷谱的频域，摆臂和前副车架的固有频率应远离功率谱中能量较大的频率段，防止零部件在行驶中因出现严重共振带来的过早失效；

(5)在台架验证试验中，摆臂载荷谱为摆臂、球头销和前副车架进行载荷谱、八级谱、等幅谱加载试验提供试验条件和转换依据。

6　结论

针对某乘用车麦弗逊式前悬架的摆臂，采集汽车试验场强化耐久道路测试中的载荷谱，并对载荷谱时域和频域进行了分析，获取了摆臂在实际工况下的受力情况，为该乘用车的摆臂、副车架、衬套、球头销机构设计和改进、强度及CAE分析提供准确的数据来源，为后期的相应零部件试验室台架试验提供有力的数据支撑。

【1】余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2007.

【2】王霄锋.汽车可靠性工程基础[M].北京：清华大学出版社，2007.

【3】赵少汴.抗疲劳设计[M].北京：机械工业出版社，1997.

Study on Load Spectrum Acquisition Technology for a Passenger Vehicle Front Suspension Sway Arm

CHEN Yu, SHEN Juan

(China Automotive Engineering Research Institute Co.,Ltd., Chongqing 401122, China)

Taking the MacPherson suspension sway arm of a passenger car as the research objective, the strains of the vehicle under different road conditions in a proving ground were collected. By bench calibration method, the relations between sway arm load and strain were obtained, the loads suffered by the sway arm under the corresponding conditions were calculated. The optimal parameters for parts design could be gotten by analyzing the load spectrum time domain and frequency domain. It provides data support for structure design personnel in CAE analysis, and provides test conditions for component fatigue life test.

Sway arm; Load spectrum; Data acquisition technology

2016-05-17

陈宇(1987—)，男，学士，助理工程师,主要研究方向为结构疲劳耐久。E-mail:chenyu@caeri.com.cn。

申娟(1985—)，E-mail:shenjuan@caeri.com.cn。

U463.33

B

1674-1986(2016)08-007-03