汽车悬架总成多轴正弦波加载方法研究

王 斌，李 耀，庞方超，杨清淞

(中汽研汽车检验中心(天津)有限公司 天津 300301)

汽车行驶过程中，底盘悬架控制臂、副车架、转向节、减振器等结构件主要承受和传递来自路面的载荷，因此其强度及耐久性对整车的性能及安全性起着非常重要的作用[1]。目前，针对底盘的耐久验证有很多种方法，常用的试验方法是试验场的整车耐久性道路试验和悬架总成台架耐久。其中，悬架总成台架试验可以准确控制零件载荷，有利于进行重复试验，避免了极端工况时试验员安全问题；同时不受恶劣天气影响，台架试验周期显著缩短，有效节省人力物力[2]。

应用底盘台架耐久试验时，需要将底盘结构件按照整车装配要求组成悬架总成，并针对其进行耐久试验，是一种相对有效且精度较高的验证方法。试验主要分为单轴、多轴正弦波、多轴道路模拟3种[3]。本文主要针对多轴正弦波加载进行理论分析，并就在台架上的实现方法进行验证。其中，涉及悬架实际受力分析、固定反力式约束工装设计、完整台架搭建以及通过软件迭代实现带弹性元件的悬架总成的加载 方法。

1 多轴正弦波加载悬架耐久试验介绍

悬架总成多轴正弦波加载耐久试验，首先需要将悬架总成按照整车状态进行装配，再将悬架固定点安装到相应的刚性夹具系统上，用来约束悬架的硬点位置，最后通过三坐标测量仪，测量各个固定点位置的空间坐标，并根据测量结果对实际试验台架进行调整，使台架的最终安装精度与整车模型保持在一定的误差范围之内，从而保证悬架总成的准确受力状态。

本文以后悬架总成为例进行研究和验证。悬架总成耐久试验台架装配模型如图1所示。

悬架总成右侧与试验台架的安装点从左到右依次为：副车架与试验台连接右后点、右后减振器总成与试验台连接点、副车架与试验台连接右前点、右纵 臂与试验台连接点。图1右下部箭头所示方向为车尾指向车头方向。

除图1这种常用夹具系统模型外，如果试验条件允许，也可将白车身作为夹具，来约束悬架硬点位置，同时再设计一套刚性夹具系统来约束白车身。需要注意的是，此方法在试验准备过程中需要对白车身进行焊接加固，且当白车身出现损坏时，维修和更换较为繁琐。

2 加载工况

悬架总成耐久试验的加载方式一般为双作动缸加载，通过模拟实际行驶状态可以得到5种加载工况：制动工况、侧向加载、纵向加载、垂向颠簸、垂向回弹。制动工况和纵向加载为模拟车辆制动时，轮胎接地点和轴头位置分别受到的作用力的情况；侧向加载为模拟车辆转弯时，轮胎接地点受到向心力的情况；垂向颠簸为模拟车辆单轮过坑时，轴头的受力状态；垂向回弹为模拟轮胎脱离地面时，轴头的受力状态。各工况力加载曲线如表1所示。

表1 加载工况示意图Tab.1 Schematic diagram of loading conditio ns

3 台架加载反馈系统介绍

首先，需要分析悬架、试验台、作动缸和控制柜组成的激励反馈系统。此激励反馈系统相互关系如图2所示。

台架搭建完成后，螺栓都按照规定的扭矩紧固，系统可以被看作线性时不变系统。控制柜发出驱动信号指令，作动缸在固定的加载点进行加载，并通过传感器得到力和位移反馈，并修正驱动信号，其调节方式有3种：比例、积分、微分。这里不再赘述。

本研究以MTS公司软硬件为基础进行分析和验证。上文表1中涉及的曲线均为正弦加载曲线或由正弦曲线拼接得到，形式较为简单，理论上有2种方法可以实现：一种是通过MPT软件，直接编辑目标驱动，播放驱动信号达到相应的加载曲线；另外一种是通过RPC软件对目标信号迭代，来得到相应的位移驱动信号(即：通过位移信号迭代力信号，使加载力满足目标信号要求)。第一种方法对系统的刚度要求较高，同时PID调节精度依赖性较强，但是实现起来较为方便；第二种方法则对系统的刚度和PID调节精度要求不高，因而更加适合对刚度较小的系统进行加载。

4 各工况加载说明

本研究所有工况中，作动缸均和假轮工装通过球铰连接加载，现对不同工况的加载情况做如下分析。

4.1 制动工况加载

对于制动工况，由于加载过程中制动盘被卡紧，在加载力的传递方向上，悬架总成刚度较大，适当调节系统PID值，可以提高系统响应速度，按正弦曲线可以直接加载。左后假轮工装制动工况加载方向及位置如图3所示。

4.2 侧向工况加载

侧向工况加载与制动方向加载类似，刚度较大，可以通过调节PID直接实现正弦波加载。左后假轮工装侧向工况加载方向及位置如图4所示。

4.3 纵向工况加载

纵向加载需要将假轮转动90°角，朝轮心方向加载，加载方向上均为刚性部件，同样可以直接通过调节PID值实现加载。需要注意的是，此时的加载曲线为反向加载，在左侧加载过程中，左侧受力会有一部分通过稳定杆等其他部件传递到右侧，为保持右侧受力为零，需要将作动缸设置为力控状态，以保证加载曲线符合要求。左后假轮工装纵向工况加载方向及位置如图5所示。

4.4 垂向颠簸工况加载和垂向回弹工况加载

在垂向颠簸和垂向回弹的工况中，作动缸在加载过程中，会受到减振器滑柱和弹簧的反作用力，而弹性元件的存在会大幅降低总成在垂向的刚度，导致作动缸直接按照曲线加载无法实现。此时，调节PID值已经无法满足加载要求，需要针对目标信号进行迭代，使作动缸通过调节位移和速度，逐渐逼近目标载荷曲线。左后假轮工装垂向颠簸和垂向回弹工况加载方向及位置如图6所示。

5 实际验证

5.1 迭代过程

现以垂向颠簸工况为例，说明迭代过程。

①通过rpc软件的信号处理模块生成目标信号，图7所示目标信号为了保证最终生成的驱动信号比较稳定，将目标信号进行了多次重复。

②针对作动缸-悬架总成-台架组成的系统，计算其传递函数。为此创建一个随机白噪声信号，一般为作动缸的位移(单位为mm)，对于每一个频率，该信号有足够的幅值来刻画测试系统响应，响应信号根据试验需要确定，可以是力、位移或加速度等等信号。需要考虑的参数包括信号的频谱信息(截止频率下限、拐点频率和截止频率上限)和幅值。白噪声信号必须保证足够的强度可以激励测试系统，同时信号不会损害悬架总成部件。通过白噪声信号激励此系统，并从作动缸力传感器获得加载点的力值。利用试验台架系统工具计算频响函数FRF(Frequency Response Fuction)，即：

式中，FRF为系统频响函数；X为随机白噪声信号；Y为测试系统响应信号。

③计算起始驱动信号。应用试验台架控制软件，将频响函数逆函数与目标道路信号进行卷积运算得到迭代过程起始的驱动信号。计算公式如下：

式中，X0为初始驱动信号；YesD为目标道路信号；FRF−1为系统传递函数逆函数。

④计算系统响应误差。运行起始驱动信号，获得系统初始响应信号并通过计算目标道路信号和输出响应的差值得到系统响应误差。计算公式如下：

式中，E0为系统响应误差；Y0为系统初始响应信号。

⑤计算驱动修正。在驱动修正计算之前，需选择增益与系统响应误差相乘，迭代过程存在不稳定性，因此增益一般小于1。系统响应误差和频响函数的逆函数进行卷积运算从而获得驱动信号的修正值。

式中，C0为驱动信号的修正值；G0为系统误差增益。

⑥计算下一个驱动信号。将驱动修正值与上次驱动信号相加得下一个驱动信号。

式中，X1为系统第二次驱动信号。

⑦重复进行迭代。运行下一个驱动信号，获得测试车各传感器的响应，持续重复迭代过程，直至在台架上能够很好地再现目标加载曲线。

5.2 验证结果

按照图1的模型搭载悬架总成试验台架，并通过实际曲线进行迭代，得到如下结果。

5.2.1 垂向颠簸工况迭代结果

图8中横坐标代表时间，纵坐标分别为左侧和右侧加载的力值，其中，虚线为目标加载曲线，实线为加载点实际的力值曲线。

针对迭代结果，有2点需要特别说明：

①图中两条曲线最大值和最小值与目标曲线基本一致，迭代效果较好。

②其中一个作动缸在保持状态时，作动缸的力值无法准确保持在零位，主要原因是垂向颠簸工况是双缸反向加载，处于运动状态的作动缸会通过结构件将力传导到另外的假轮上，进而影响另一个作动缸，使其力值很难在零位保持。值得注意的是，此力值基本与目标曲线相差0.2～0.3kN，因相差较小，对结构件造成的额外损伤可以忽略不计。

5.2.2 垂向回弹工况迭代结果

从图9可以看出迭代结果和目标曲线基本一致。需要特别说明的是，回弹工况中，由于作动缸和假轮工装之间为球铰连接，属于非刚性连接，故在力值为零的过程中会有轻微松动，从图9中可以明显看到曲线有微小缺口。

6 结论

悬架总成多轴耐久试验对样品的考核相对较准确，且易于实施，很多实车道路测试的问题都可以在台架上得到验证。本文针对台架测试多轴正弦加载的几个典型工况做了详细分析和试验方案确定，并特 别针对垂向颠簸和垂向回弹2个涉及弹性元件的加载工况，提出用rpc中位移迭代力的方法来实现一些特殊的加载曲线，并通过试验验证了方法的准确性。本研究通过迭代曲线的方法，使设备能够给样件提供准确的加载力，从而提高了耐久试验的精度。