一种扭力梁式悬架轮心的动态载荷获取方法与流程

本发明涉及汽车整车及零部件的结构设计领域，尤其涉及一种扭力梁式悬架结构的轮心动态载荷获取方法。

背景技术：

汽车整车及零部件的结构设计，研发前期需经过CAE分析、优化和DV试验层层验证，满足设计目标后才能开展后续的整车可靠性道路试验验证，其中关键环节是快速获取轮心动态载荷。

目前，整车载荷获取主要采用半解析法，即通过六分力采集轮心动态载荷，结合多体动力学仿真及迭代，将采集的轮心载荷分解到各系统零部件，作为CAE疲劳分析的载荷输入，进行结构疲劳分析及优化。采用六分力传感器能精确地测量整车行驶过程中路面激励在轮心处的响应，其优点是系统稳定、测试精度高，缺点是六分力仪的购买及维护费用昂贵，使用门槛较高，适配器制作周期长，导致采集周期长，难以保证项目载荷分析进度。因此，采用一些获取成本较低、周期短的替代方法相对精准地获取轮心动态载荷，具有非常现实的工程价值。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种扭力梁式悬架轮心动态载荷获取方法，解决用六分力传感器测量行驶过程中路轮心处的响应而产生的测量设备昂贵、保养和维修成本高以及响应采集周期长的问题，同时保证扭力梁式悬架轮心动态载荷获取精度，为CAE分析、试验验证提供载荷输入。

为实现发明目的采用的技术手段如下：

一种扭力梁式悬架轮心的动态载荷获取方法，具体步骤如下：

第一步：载荷灵敏度分析：建立后悬架系统有限元分析模型；并按照标准工况，采用非线性有限元软件对后悬架系统有限元分析模型进行应力分析，获取扭力梁在各标准工况下的应力状态，罗列出载荷敏感应力点及其表面应力状态和云图。

第二步：试验方案制定及实施：根据扭力梁在各标准工况下的应力状态和云图，结合惠斯通电桥特点，制定扭力梁测量应变片粘贴位置及组桥方案；然后，组建扭力梁标定实物台架，并依据试验台架标定数据建立总体标定系数矩阵；在然后，利用整车装配标定验证总体标定系数矩阵是否满足对角占优的条件；若不满足，则重新制定扭力梁测量应变片粘贴位置及组桥方案；若满足，继续下一步；

第三步：动态荷载采集：完成整车可靠性道路动态载荷采集，获取扭力梁测量应变片的动态应变信号以及其他内部信号；

第四步：动态载荷解耦：结合第二步的总体标定系数矩阵和第三步的测量应变片动态应变信号，完成解耦并获得扭力梁悬架轮心动态载荷；

第五步：动态载荷校验：根据第四步获得的扭力梁悬架轮心动态载荷，进一步完成合力及特殊工况荷载校验，然后将荷载校验结果输入多体仿真模型，对比仿真模型的输出结果与第三步中采集的内部信号相对应的动态载荷信号的一致性；若两者的一致性不满足，跳转至第二步重复流程；若两者的一致性满足，则直接输出扭力梁悬架轮心三向动态载荷。

具体地，所述后悬架系统有限元分析模型包括扭力梁、减震器、螺旋弹簧及衬套组成的有限元分析模型。

具体地，内部信号包括后轴左右螺旋弹簧位移、后轴左右轴头加速度、后轴左右减震器力和GPS信号。

具体地，所述动态载荷解耦的具体计算方法是：假设共有m个激励作用于结构件，分别记为F_i，i＝1,2...m，建立n组，且n＝m响应信号采集单元，记为R_j，j＝1,2...n；按向量将激励和响应信号分别记为和

当将m个激励单独施加到结构件上，进行单激励下的标定试验，则每个激励均记录n组响应，最终标定试验中的响应信号向量扩展为m×n阶向量，新的响应信号向量记为R_ij，其中i＝1,2...m，j＝1,2...n，建立矩阵方程(3)：

其中，K_ij为标定系数矩阵，为响应信号与激励的比值；A为总体标定系数矩阵；总体标定系数矩阵应尽量满足对角矩阵；

将结构件安装到整车中，在道路上进行载荷谱采集试验，通过标定时建立的n组响应信号采集单元得到n组响应信号记为：

将总体标定矩阵A求逆，乘以即得到结构件在道路上的随机激励信号

前期标定时的激励处于轮心处，则此时获的激励信号即为悬架轮心处的动态载荷。

本发明通过CAE仿真确定应变片测量方案，利用加载设备和载荷传感器分别进行轮心载荷与应变标定试验，得到应变与各载荷的标定系数，通过总体标定系数矩阵获取各载荷的参与因子，进而将测试应变信号转换获得扭力梁式悬架轮心动态载荷时域信号。相对于六分力仪，本发明由于采用粘贴应变片测量应变响应，从而间接地获得扭力梁式悬架轮心载荷，其成本较低、采集周期短，且与六分力仪采集的轮心载荷一致性较好。

附图说明

图1是动态载荷获取流程图；

图2是后悬架系统有限元分析模型示意图；

图3是后悬架系统有限元分析标准工况示意图；

图4是标准工况中扭力梁应力状态和云图；

图5是应变片粘贴示意图；

图6是解耦获得的后悬轮心动态载荷与六分力采集信号对比示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明进一步阐述。

如图1所示，一种扭力梁式悬架轮心的动态载荷获取方法，具体步骤如下：

第一步：载荷灵敏度分析：建立后悬架系统有限元分析模型；并按照图3所示的标准工况，采用非线性有限元软件对后悬架系统有限元分析模型进行应力分析，获取扭力梁在各标准工况下的应力状态，罗列出载荷敏感应力点及其表面应力状态和云图，如图4所示。图4(a)中显示了扭力梁表面应力云图，给出了粘贴应变片的可选位置。图4(b)表明了扭力梁表面应力状态情况，用于确定惠斯通电桥类型。

第二步：试验方案制定及实施：根据扭力梁在各标准工况下的应力状态和云图，结合惠斯通电桥特点，制定扭力梁测量应变片粘贴位置及组桥方案。基本思路是：X向力组建全桥测拉压，Y向力组建全桥测扭转，Z向力组建全桥测弯曲。应变片粘贴于扭力梁1的表面如图5所示，包括轮心垂向力标定桥组7、轮心侧向力标定桥组8、轮心纵向力标定桥组9。以上三个桥组皆为全桥，分别测弯曲、扭转和拉压。

建扭力梁标定实物台架，按照各方向力的作用方式不同，分别在不同作用点单独施加各方向的标准载荷，采用动态数据采集设备记录各应变通道的应变信号、作动缸力信号。以作动缸力信号为X坐标，各应变信号为Y坐标，获得的曲线，其斜率即为标定系数，记为K_mn，其中m为力信号序号，n为应变信号序号。将不同方向力作用下得到的标定系数K_mn组建总体标定系数矩阵。

再然后，整车装配完成后，利用绑带按照标准工况施加载荷，进行定性标定确认。通过动态数据采集设备记录与绑带相连的力传感器信号及各应变信号。获得的力与应变曲线的斜率，确定在整车装配状态下，各应变信号对相应载荷的响应要远高于其他载荷，即标定系数比≥10，从而评估各应变信号的灵敏度及耦合度。与台架标定不同之处在于，整车装配状态下更接近于动态载荷采集的状态，由于各弹性元件参与，会对各载荷作用下应变的响应有较大影响，因此，整车标定能够确定应变通道的合理性。利用整车装配标定验证总体标定系数矩阵是否满足对角占优的条件；若不满足，则重新制定扭力梁测量应变片粘贴位置及组桥方案；若满足，继续下一步；

第三步：动态荷载采集：依据道路试验规范在试验场按照规定的车速和档位驾驶试验车，完成整车可靠性道路动态载荷采集，获取扭力梁测量应变片的动态应变信号以及其他内部信号。内部信号包括后轴左右螺旋弹簧位移、后轴左右轴头加速度、后轴左右减震器力和GPS信号。

第四步：动态载荷解耦：结合第二步的总体标定系数矩阵和第三步的测量应变片动态应变信号，完成解耦并获得扭力梁悬架轮心动态载荷。最终解耦的后轴轮心载荷如图6所示。图6中，解耦左后轮心纵向载荷10，解耦左后轮心横向载荷11，解耦左后轮心垂向载荷12，解耦右后轮心纵向载荷13，解耦右后轮心横向载荷14，解耦右后轮心垂向载荷15，六分力仪测左后轮心纵向载荷16，六分力仪测左后轮心横向载荷17，六分力仪测左后轮心垂向载荷18，六分力仪测右后轮心纵向载荷19，六分力仪测右后轮心横向载荷20，六分力仪测右后轮心垂向载荷21，解耦左后轮心纵向载荷功率谱22，六分力仪测左后轮心纵向载荷功率谱23，解耦左后轮心横向载荷功率谱24，六分力仪测左后轮心横向载荷功率谱25。

第五步：动态载荷校验：根据第四步获得的扭力梁悬架轮心动态载荷，进一步完成合力及特殊工况荷载校验，然后将荷载校验结果输入多体仿真模型，对比仿真模型的输出结果与第三步中采集的内部信号相对应的动态载荷信号的一致性；若两者的一致性不满足，跳转至第二步重复流程；若两者的一致性满足，则直接输出扭力梁悬架轮心三向动态载荷，并结束流程。

具体地，如图2所示，后悬架系统有限元分析模型包括扭力梁1、减震器3、螺旋弹簧5、第一连接衬套2、第二连接衬套4及限位块6组成的有限元分析模型。

具体地，所述动态载荷解耦的具体计算方法是：假设共有m个激励作用于结构件，分别记为F_i，i＝1,2...m，建立n组，且n＝m响应信号采集单元，记为R_j，j＝1,2...n；按向量将激励和响应信号分别记为和

当将m个激励单独施加到结构件上，进行单激励下的标定试验，则每个激励均记录n组响应，最终标定试验中的响应信号向量扩展为m×n阶向量，新的响应信号向量记为R_ij，其中i＝1,2...m，j＝1,2...n，建立矩阵方程(3)：

其中，K_ij为标定系数矩阵，为响应信号与激励的比值；A为总体标定系数矩阵；总体标定系数矩阵应尽量满足对角矩阵；

将结构件安装到整车中，在道路上进行载荷谱采集试验，可以通过标定时建立的n组响应信号采集单元得到n组响应信号记为：

将总体标定矩阵A求逆，乘以即可得到结构件在道路上的随机激励信号

前期标定时的激励处于轮心处，则此时获的激励信号即为悬架轮心处的动态载荷。