某汽車懸架耐久性實驗載荷譜的采集

陳 敏

CHEN Min

（上海匯眾汽車制造有限公司 產品工程部，上海 200122）

某汽車懸架耐久性實驗載荷譜的采集

The collection of the automotive suspension’s load spectrum in the durability test

陳 敏

CHEN Min

（上海匯眾汽車制造有限公司 產品工程部，上海 200122）

為了研究某汽車懸架系統耐久性快速評價技術，需要對懸架進行實車道路載荷譜的采集。文中主要介紹了載荷譜采集前的方案確定、傳感器標定，以及采集過程中實驗道路與工況選擇、儀器設備安裝連接等。本文的工作，可為其他新開發的汽車零部件的載荷譜測定提供系統的技術參考，為提高我國汽車的研發水平和競爭能力提供技術支持。

汽車懸架；載荷譜；應變片；傳感器

0 引言

長期以來，我國汽車業的整車和零部件的設計開發和耐久性評價技術相對滯后，研究積累比較薄弱，只注重車型開發，忽視了基礎數據的積累，特別是載荷譜的積累。而載荷譜是汽車先進開發和耐久性評價的核心基礎，它可為汽車耐久性實驗和評價提供依據。毋庸置疑，這制約了整車開發的水平。本文將以汽車懸架為對象，探討載荷譜采集的一些關鍵技術。

汽車懸架是汽車上影響汽車安全性、平順性、操穩性、耐久性和可靠性的關鍵部件，懸架的主要功用就是傳遞來自車輪的力并承受車身的質量。為了研究某汽車懸架的耐久性快速評價技術，需要知道進行室內道路模擬試驗時準確的零部件工作載荷，即對應的耐久性實驗載荷譜。通常，該耐久性實驗載荷譜由實車道路試驗的載荷譜數據（在實際運用地區的公路以及試驗場測得）進行評估和外延得到[1]。近些年發展了六分力測量輪技術，可以比較準確的記錄下行駛過程中車輪上的六個分力，這樣對整車進行道路模擬時可以獲得更精確的當量關系。但是要研究具體零件（如懸架桿系結構）上的受力時，需要對這些分力進行轉換，仍然會產生數據偏差，且不方便。所以，具體零件的載荷采集仍不可缺少。下面介紹某汽車懸架載荷譜采集的全過程。

1 懸架系統載荷譜采集方案的確定

本文的研究對象為某汽車的后懸架，其結構形式為滑柱（桿）連桿（擺臂）式，也稱為麥弗遜式，它由前后橫臂、縱臂、螺旋彈簧及減振器組成，如圖1所示。該懸架結構雖然比較簡單，但受力情況比較復雜。本試驗主要測量參量是懸架桿系的應變響應、汽車行駛過程中車身相對車輪的位移和輪心加速度。

圖1 懸架結構示意圖

1.1 載荷受力形式分析

車輛在行駛中，車輪受到來自地面縱向（X）、側向(Y)和垂向(Z)三個方向的力（如圖2所示）。

圖2 左后懸架受力示意圖

觀察圖2所示懸架結構，車輪三個方向的力傳遞到懸架上，對各桿件分別產生拉壓、彎曲和扭轉的作用，得到懸架上主要零件的受力情況如表 1所示。

表1 懸架左后輪各桿件受力分析

由于前后橫臂和縱臂與車輪車身以及橫向穩定桿和車身連接處等都是通過襯套的柔性連接，當承受載荷時，襯套的變形可以抵消部分零件的應變。因此，部分載荷的作用在測取時可以忽略，如垂向力對前后橫臂的彎曲和側向力對橫向穩定桿產生的拉壓應變。

1.2 傳感器類型選擇

懸架桿系的應變響應由應變傳感器測??；為了考察在汽車行駛過程中車身相對車輪的位移,即減振器的位移,選擇拉線式位移傳感器進行測量；汽車行駛過程中側向、縱向和垂向三個方向加速度變化情況由壓電式三向加速度傳感器測量。

1.3 傳感器布置

應變傳感器的布置涉及到兩個問題:測點位置和測量方向的確定。根據工程經驗，應變測點位置，總是選定在結構動應力最敏感的地方，特別是應力集中點?？筛鶕Y構受力分析選擇測點，并利用結構對稱性，以最少的測點達到最佳的測量效果；應變測量方向，應沿主應力方向，若主應力方向未知，應采用應變花測量。

為了防止臺架試驗中迭代驅動信號時出現多軸耦合的現象，在應變測量時可以忽略對測量部位應變貢獻不大的力的作用，具體要在粘貼應變片時通過布片方式來排除。根據試驗經驗，分別選取橫臂和縱臂拉壓應變信號與立柱拉壓信號作為側向、縱向和垂向載荷的迭代目標信號，同時測取橫臂和縱臂彎曲和扭轉信號及橫向穩定桿的扭轉、彈簧扭轉信號、立柱的側向彎曲等信號作為監測信號。

為了減少通道數，由于前后橫臂受力情況基本一樣，只選擇前橫臂中間部分測扭轉，后橫臂車輪端和車身端測彎曲進行對比和中間端測拉壓，縱臂中間測拉壓，一端測彎一端測扭。

綜合以上分析，總共需要貼11組應變片。懸架測點方案如表2所示。

表2 懸架測點方案

位移傳感器和三向加速度壓電傳感器，布置比較簡單，主要是分別固定在后減振器上和輪心處即可。

2 傳感器制作

確定好應變測點之后，接下來就要在各測點粘貼應變片。應變片的粘貼是一項極具細心及經驗的工作，整個過程包括了設計布片方案、選片、打磨、畫線、清洗、粘貼、固化、檢查、固定導線、對貼片構件進行測試等步驟[2]。貼片后的零件如圖3所示。

圖3 貼片后的懸架零件

3 傳感器標定

懸架系統受力比較復雜，為了得到采集到的應變信號和懸架部件實際載荷的關系，在道路測試前需要對各測試部件進行標定，得到載荷-應變標定曲線。

本試驗的目的是得到快速耐久性試驗加載譜，而臺架上迭代時主要使用橫縱臂拉壓應變信號和減振器立柱上的拉壓信號，彈簧是實際使用中最容易發生斷裂的部件，其剪切應變信號可以作為評價懸架系統壽命的依據，因此，這里主要給出以上四種信號的標定曲線。如圖4-圖7所示。

圖4為懸架后橫臂承受拉壓載荷時載荷-應變標定曲線，經擬合，標定系數為-0.0322KN/με。

圖4 后橫臂拉壓載荷標定曲線

圖5為懸架縱臂承受拉壓載荷時載荷-應變標定曲線，經擬合，標定系數為0.0328KN/με。

圖5 縱臂拉壓載荷標定曲線

圖6、圖7為懸架減振器承受拉壓載荷時立柱及彈簧載荷-應變標定曲線，經擬合，立柱標定系數為0.0418KN/με，彈簧標定系數為0.0009KN/με。

圖6 立柱拉壓載荷標定曲線

圖7 彈簧拉壓載荷標定曲線

4 懸架載荷譜采集

4.1 試驗道路和試驗工況

道路試驗選擇430m強化的比利時路；按裝載情況和車速共采集10個工況，如表3所示。

表3 路試工況

4.2 試驗設備安裝與連接

試驗車一輛，Imc公司CRONOS-PL2-DIO-ET多通道數據采集儀2臺，裝有Imc數據采集軟件的筆記本電腦一臺，路由器一個，蓄電池兩組，拉線式位移傳感器一個，壓電式三向加速度傳感器一個，120Ω（3×5）電阻應變片若干，T型應變片若干組。

實車道路測試需要將貼有應變片的懸架系統連同數據采集設備一起裝到試驗車，并安裝位移傳感器及三向加速度傳感器。貼片后懸架系統安裝如圖8所示，位移傳感器和加速度傳感器安裝如圖9和圖10 所示。

圖8 懸架系統安裝

圖9 位移傳感器安裝

圖10 加速度傳感器安裝

測試系統連接情況如圖11所示。

載荷測試系統安裝至試驗車后，需要對數據采集軟件進行設置和調試。其中采樣頻率為500HZ，為了防止其他信號干擾，采集時對信號進行80HZ低通濾波。為了得到試驗車自身靜載荷產生的應變，首先將試驗車后輪頂起讓懸架保持自由狀態，對測試系統進行橋路平衡調零，然后將后輪放下采集到靜載數據，作為以后壽命計算的參考。最后，按照事先制訂的試驗工況進行道路測試，并將采集到的數據保存。

圖11 測試系統連接示意圖

5 結論

1）本文根據某汽車懸架系統的結構特點和受力分析情況，確定了載荷譜采集方案，并給出了貼片后主要部件的載荷-應變標定曲線，最后介紹了實車測試的試驗工況及儀器安裝連接情況。通過對本次現場實地測試所得載荷數據進行評估和外延，可制定出供耐久性試驗用的試驗加載譜。2）本文所介紹的載荷譜采集方法與思路可應用于大規模汽車道路載荷譜采集，對于研究汽車耐久性快速評價技術具有重要意義。

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TP391

B

1009-0134(2010)11(上)-0027-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).09

2010-04-23

國家自然科學基金（50875173）；上海市教育委員會科研創新重點項目（09ZZ157）；上海市重點學科建設項目資助（J50503）

陳敏 （1969 -），男，上海人，工程師，本科，主要從事乘用車底盤懸架產品開發等工作。