汽車零件設(shè)計技術(shù)的振動性能研究

引言

汽車的行駛平順性以及聲學(xué)性能的改進(jìn)，除了需要花費精力對組成系統(tǒng)的單個零件進(jìn)行細(xì)致的分析設(shè)計之外，更重要的是需要對整個懸架系統(tǒng)以及組成系統(tǒng)的零部件之間的相互作用進(jìn)行精確研究。通常，由于對單個零件在系統(tǒng)性能中的影響估計不足，有些公司在花費大量的人力物力對懸架或阻尼系統(tǒng)元件進(jìn)行單獨研發(fā)后，得到的系統(tǒng)性能卻不盡如人意。

威巴克公司作為全球汽車工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)振動和聲學(xué)控制技術(shù)的領(lǐng)先者，在多年的產(chǎn)品研究和開發(fā)實踐中積累了豐富的經(jīng)驗，形成了自己獨特而有效的產(chǎn)品開發(fā)體系。在威巴克公司，無論是開發(fā)新的汽車底盤零件或是對現(xiàn)有底盤零件進(jìn)行性能優(yōu)化，總是先從整體上對汽車子系統(tǒng)的振動性能進(jìn)行研究，識別現(xiàn)存的性能改進(jìn)空間，然后再通過零件設(shè)計技術(shù)對單個產(chǎn)品的性能進(jìn)行優(yōu)化，最終通過多個階段的測試來驗證所開發(fā)的零件成功與否。

零件開發(fā)及試驗驗證技術(shù)

基于臺架試驗研究所獲得的詳細(xì)的系統(tǒng)特性信息，可以用來建立計算機(jī)模擬模型。模型包含了所有懸架元件，還有控制臂或連接桿件，有時還會包含具有理想剛性的副車架，元件之間通過耦合元件或力單元相互連接（見圖1）。模型通過對舒適性有影響的零件特性參數(shù)來描述。通過開關(guān)變量來控制被模擬零件的開或關(guān)，以便對比試驗結(jié)果和計算結(jié)果，分析零件對系統(tǒng)性能的影響以及估計解決方案對系統(tǒng)性能的改進(jìn)空間。系統(tǒng)中的每個零件都可用具有理想特性的元件替代進(jìn)行性能貢獻(xiàn)分析，以評價它們各自對系統(tǒng)性能的影響。被優(yōu)化零件的性能改進(jìn)空間則可以通過初始狀態(tài)和理想狀態(tài)下的性能對比來估計。將貢獻(xiàn)分析和性能改進(jìn)潛力分析技術(shù)相結(jié)合，可以大大節(jié)省設(shè)計成本。貢獻(xiàn)分析完成后可以確定主要的被優(yōu)化零件，例如，充液減振器活塞連桿的摩擦力是小激勵下寄生剛度升高的主要來源，但用一個價格昂貴的低摩擦減振器來替代它并非絕對必要，通常為現(xiàn)有減振器匹配一個改進(jìn)后的頂部支撐就可以達(dá)到所需的舒適性效果。

大多數(shù)懸架零件都表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性特性，這意味著其動力學(xué)特性依賴于振動幅值、預(yù)應(yīng)力和溫度等因素。測量非線性零件時，選擇試驗參數(shù)以及試驗條件，同實際使用條件一致這一點非常重要。威巴克公司開發(fā)了一整套的標(biāo)準(zhǔn)試驗用于汽車振動控制類零件的測試，包括零件剛度特性的準(zhǔn)靜態(tài)測試、識別動剛度對試驗頻率依賴性的頻率測試、零件的動剛度同激勵幅值之間的依賴特性的掃幅測量以及確定幾何非線性特性對動剛度影響的預(yù)載荷試驗等。首先，原型樣件將按這些標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行評價，測試結(jié)果同零件設(shè)計圖紙相比較，如果原型樣件達(dá)到了所有技術(shù)要求則會被安裝到車橋上進(jìn)行總成臺架測試。

圖2 車橋試驗臺架

威巴克公司自主開發(fā)建造了多種類型的車橋試驗臺架（見圖2）用于汽車車橋總成的試驗分析。所有試驗中，車橋都通過3軸向載荷測量單元連接到試驗臺架的剛性框架結(jié)構(gòu)上。這些載荷測量單元位于車橋同車身相互作用點的位置，用于檢測車橋和車身之間的內(nèi)部力。與零件的臺架試驗相比，車橋分析中的主要挑戰(zhàn)在于它是一個單輸入/多輸出系統(tǒng)。如果輪轂在一個方向上被激勵，在所有同汽車底盤相互作用的界面上都會產(chǎn)生響應(yīng)力。

圖3 傳遞路徑分析

通過對不帶車輪的車橋進(jìn)行測試可以得到輸入剛度和傳遞剛度。對于相同的輸入位移，大的傳遞剛度意味著在輸出端會產(chǎn)生大的力，相應(yīng)地，這些動態(tài)力對于汽車的振動和聲學(xué)舒適性負(fù)有主要責(zé)任。圖3所示為傳遞剛度同頻率之間的關(guān)系。圖中，每一條線代表一個傳遞路徑，顏色是剛度分布的度量。圖中同時還展示了傳遞路徑作為頻率的函數(shù)隨頻率的變化而變化的特征。隨著頻率的變化，最大力會出現(xiàn)在車身不同的位置上。這可以為整車廠提供有關(guān)車橋同車身之間可能發(fā)生的相互作用信息。整車設(shè)計中非常關(guān)鍵的一點是要保證車身的共振頻率與車橋的共振頻率錯開。

分析了懸架的輸入和傳遞剛度后就需要對帶有車輪的車橋進(jìn)行研究了。通過液力激振器對轉(zhuǎn)轂進(jìn)行正弦和隨機(jī)激振來實現(xiàn)對車橋的試驗分析。除了前面提到的力測量技術(shù)，該試驗還可以采用高速光學(xué)測量系統(tǒng)進(jìn)行檢測（見圖4）。光學(xué)測量系統(tǒng)測試所得的數(shù)據(jù)揭示了懸架在瞬態(tài)激勵下垂直方向上車輪跳動的運(yùn)動曲線，以及對車橋的減振行為的評價，該評價分別在車輛的垂直方向和前后方向上進(jìn)行。對垂直方向上的減振性能起決定性影響的零件是減振器，另外，汽車所采用的前后副車架懸置的阻尼還會對汽車的操縱性能產(chǎn)生影響。

圖4 高速光學(xué)測量系統(tǒng)的安裝

除了所需的剛度特性和曲線外，零件設(shè)計中還需要考慮零件的使用壽命問題。威巴克公司很多年前就已成功地利用有限元技術(shù)進(jìn)行零件的使用壽命預(yù)測，目標(biāo)是如何在首次樣車上滿足零件使用壽命的要求。首先通過有限元工具將載荷/時間曲線轉(zhuǎn)化成應(yīng)力或應(yīng)變/時間曲線以便作出耐久性預(yù)測。計數(shù)技術(shù)，比如雨流計數(shù)，被用來對結(jié)果進(jìn)行分級，在下一步中，該結(jié)果將同材料特性聯(lián)系起來。材料的疲勞特性通過Woehler曲線或Haigh圖的形式來表示。計算所得的損壞因子為工程師提供了在實際載荷條件下零件使用壽命的指標(biāo)。

如果車橋總成臺架試驗結(jié)果與計算所得的結(jié)果一致，零件將被安裝在原型車上，最終設(shè)計是否成功將通過對整車的主觀以及客觀評價進(jìn)行驗證。

結(jié)語

為了實現(xiàn)對汽車的行駛平順性和內(nèi)部聲學(xué)特性的改進(jìn)，不僅需要對單個零件進(jìn)行改進(jìn)，還需要對整個懸架系統(tǒng)的振動影響進(jìn)行分析。

本文所述為威巴克公司在底盤系統(tǒng)振動控制零件開發(fā)時所采用的有關(guān)方法。試驗和模擬相結(jié)合的方法使得新一代車橋的開發(fā)過程在時間和成本上效率更高。

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