乘用车悬架系统道路模拟试验技术

杜书 于长清 巫洋 李云鹏 孙野

（中国第一汽车股份有限公司研发总院；汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室）

室内道路模拟试验不受天气、人力及场地因素影响，在室内又能够方便地进行一些研究和解决发现的实际问题，因此道路模拟试验在产品开发中占有重要地位。目前，室内道路模拟试验主要是指整车道路模拟试验，整车道路模拟试验是对整车可靠性的综合试验，若单独考核和研究悬架系统，进行整车道路模拟试验成本较高，采用试车场测试周期较长。文章针对此问题，对悬架系统的道路模拟试验进行了研究。

1 Miner 理论

Miner 理论是线性疲劳累积损伤理论中的一类，由于文章研究的某乘用车后悬架系统所受的载荷较小，产生塑性变形的趋势也比较小，属于高周疲劳范畴，故采用Miner 理论对各级应力循环造成的损伤进行累加来得到各单元的疲劳寿命值[1]。估算完待测悬架系统的疲劳寿命后，就可以判断各零部件的台架模拟迭代结果和实际试车场路试结果的损伤误差。

2 载荷谱采集

悬架在整车结构上处于车轮与车身之间，功能上承载着乘客、车身、发动机、变速箱等质量，同时在道路行驶中直接承受着地面对车轮的作用力。当汽车在路面上行驶时，车轮所受的力可以分解为垂直力、侧向力、纵向力、侧向弯矩、制动力矩、转向弯矩6 个分力或力矩[2]。所以为了采集较为精准的悬架系统道路载荷谱，需要根据悬架结构和关注部件的不同，选择合适量程和精度的传感器合理安装在目标车辆上。其中，信号采集点的选择原则通常为：

1）尽量选取靠近台架各通道激励点的位置作为控制采集点，这是考虑到离激励点越远，系统的非线性越大，模拟精度越低的缘故；

2）控制采集点的选取应尽可能与某一激励载荷成线性关系，而与其它激励载荷成正交关系，以便于迭代能够尽快收敛。

以要进行试验的悬架系统为对象，部分测试通道信息，如表1 所示。

表1 某悬架系统测试通道信息

另外，为了保证载荷谱数据的准确性和有效性，还要防止采集到的数据发生信号混淆现象，所以数据采集频率必须满足采样定理[3]。根据实际情况，结合采样定理，最终选定试验数据采集频率为512 Hz。

3 数据处理

采回的悬架系统载荷谱数据不能直接作为台架试验的期望响应信号，必须加以编辑和处理，具体步骤如下：

1）数据检查，剔除异常信号，去除趋势项；

2）对信号进行频域分析，滤除因干扰噪声等引起的高频信号；

3）去除试验场过渡路载荷信号，保留典型路况载荷信号；

4）对5 个循环数据进行疲劳损伤计算，选取可靠度为50%的损伤样本，作为道路模拟试验迭代目标信号（疲劳损伤计算时可以应用斜率k=5 的疲劳寿命曲线）。

4 固定反力式装置设计和试验台架建立

悬架系统道路模拟试验的约束方式一般有惯性载荷反应式和固定载荷反应式2 种。惯性载荷反应式的约束方式是指悬架系统直接固定在车身或车架上，虽然悬架系统会获得良好的响应，但常造成车身或车架先于悬架部件破坏，所以使用固定载荷反应式的约束方式进行悬架道路模拟试验。这就需要设计一套固定悬架系统的反力式装置。在认真考虑悬架系统与反力固定装置的连接刚度匹配和对其进行强度、通用性的研究后，设计整个反力固定装置包括基座、铁地板、龙门和一些调整支架。通过后期的试验证明，该固定装置不仅强度和刚度满足试验要求，而且可以针对不同的悬架系统进行道路模拟试验。其3D 设计示意图，如图1 所示。基于轴耦合道路模拟机和设计制作完成后的悬架固定装置，结合某乘用车后悬架系统，建立了悬架系统道路模拟试验台，如图2 所示。

图1 悬架系统道路模拟试验反力固定装置设计3D 示意图

图2 某悬架系统道路模拟试验台

5 模拟迭代过程和驱动信号迭代

5.1 迭代过程

悬架系统道路模拟试验的迭代过程和方法与整车道路模拟试验的基本一致，都是为了精准复现在试车场所采集的载荷数据。在迭代前，需要对试验系统的电控参数进行调节，然后获取系统传递函数，求解逆函数，再对目标信号进行非方阵迭代，设置迭代增益系数，最后生成驱动信号。

5.2 迭代算法和结果对比

驱动信号迭代算法是模拟迭代的关键所在。如果被试系统为线性不变的系统，将系统定义为一个多输入、多输出的振动响应系统，应用RPC 软件生成一个宽频带的白噪信号对新组建的系统进行输入，定义为X，得到系统的响应信号，定义为Y，频响函数矩阵定义为H，则有：

由式（1）求得：

式中：X-1——驱动信号传递函数矩阵的逆矩阵；

H-1——系统频响函数矩阵的逆矩阵。

定义最终的期望响应信号为Y1（t），经傅里叶变换可得：

定义频域初始驱动信号为X0，令：

则有：

用X0（t）激励系统，获得响应信号Y0（t），定义首次误差信号为ΔY0（t），则有：

式中：∂——迭代增益（迭代过程中要根据台架响应误差不断调整）。

模拟精度的评价通常采用期望响应与响应信号均方根（Root Mean Square，即RMS）的相对误差进行评价，理论上要求控制点模拟迭代RMS 差小于10%。但在悬架系统道路模拟的实际应用中，由于车身约束方式与实际不一致，通常需要六分力、悬架相对车身位移及悬架零部件内部载荷共同作为控制点一起模拟迭代，一般控制点模拟迭代的RMS 平均值在20%以内即可终止迭代。以本次进行试验的悬架系统为对象，其在某路况下的部分控制点模拟迭代RMS 收敛程度误差曲线，如图3 所示，其放大时域曲线对比，如图4 所示。在图3 和图4 中可以看到，控制点模拟迭代RMS 小于20%，迭代时间历程曲线重合度较高，说明迭代结果较好。

图3 样件模拟迭代误差

图4 样件模拟迭代时域曲线对比

根据线性疲劳累积损伤理论，每一个载荷循环过程都会对零部件产生损伤，多个载荷循环损伤的累积，最终造成零部件的破坏[4]。通过Miner 理论，结合自行定义的S-N 曲线，计算出悬架系统各单元的疲劳寿命，把迭代后的结果和期望信号做对比分析，结果表明，采用轴头六分力信号和控制臂应变信号作为迭代期望响应、加速度信号和位移信号作为监测迭代效果好坏的迭代方法能够很好地再现悬架部件与道路相同的载荷激励。

6 试验结果

根据目标车辆在试车场道路试验中出现的问题，并结合CAE 计算分析的结果，对零部件高应力区喷涂裂纹显影剂进行观察，在室温条件下，对悬架系统进行道路模拟试验。结果暴露出减振器缓冲块开裂、右前束支架限位凸起处断裂等共7 项问题，这些问题与整车在试车场道路试验中出现的问题一致，证明了该方法的精准性。

7 结论

文章从提出一种悬架系统道路模拟试验方法入手，对悬架系统道路模拟试验进行研究，结果表明：

1）Miner 理论是成功进行悬架道路模拟试验的理论基础，可以用于文章的试验验证；

2）文章设计的悬架道路模拟固定装置拆装方便、强度高、通用性好，可以根据不同车型的悬架结构形式进行调整；

3）通过对比悬架道路模拟试验与整车在试车场的道路试验的结果，得出二者的悬架系统的试验结果一致，表明应用悬架道路模拟试验系统就可以很好地完成悬架系统的耐久性验证，从而缩短了悬架系统的验证周期，节约了试验成本。