汽车零件设计技术的振动性能研究

引言

汽车的行驶平顺性以及声学性能的改进，除了需要花费精力对组成系统的单个零件进行细致的分析设计之外，更重要的是需要对整个悬架系统以及组成系统的零部件之间的相互作用进行精确研究。通常，由于对单个零件在系统性能中的影响估计不足，有些公司在花费大量的人力物力对悬架或阻尼系统元件进行单独研发后，得到的系统性能却不尽如人意。

威巴克公司作为全球汽车工业领域内振动和声学控制技术的领先者，在多年的产品研究和开发实践中积累了丰富的经验，形成了自己独特而有效的产品开发体系。在威巴克公司，无论是开发新的汽车底盘零件或是对现有底盘零件进行性能优化，总是先从整体上对汽车子系统的振动性能进行研究，识别现存的性能改进空间，然后再通过零件设计技术对单个产品的性能进行优化，最终通过多个阶段的测试来验证所开发的零件成功与否。

零件开发及试验验证技术

基于台架试验研究所获得的详细的系统特性信息，可以用来建立计算机模拟模型。模型包含了所有悬架元件，还有控制臂或连接杆件，有时还会包含具有理想刚性的副车架，元件之间通过耦合元件或力单元相互连接（见图1）。模型通过对舒适性有影响的零件特性参数来描述。通过开关变量来控制被模拟零件的开或关，以便对比试验结果和计算结果，分析零件对系统性能的影响以及估计解决方案对系统性能的改进空间。系统中的每个零件都可用具有理想特性的元件替代进行性能贡献分析，以评价它们各自对系统性能的影响。被优化零件的性能改进空间则可以通过初始状态和理想状态下的性能对比来估计。将贡献分析和性能改进潜力分析技术相结合，可以大大节省设计成本。贡献分析完成后可以确定主要的被优化零件，例如，充液减振器活塞连杆的摩擦力是小激励下寄生刚度升高的主要来源，但用一个价格昂贵的低摩擦减振器来替代它并非绝对必要，通常为现有减振器匹配一个改进后的顶部支撑就可以达到所需的舒适性效果。

大多数悬架零件都表现出很强的非线性特性，这意味着其动力学特性依赖于振动幅值、预应力和温度等因素。测量非线性零件时，选择试验参数以及试验条件，同实际使用条件一致这一点非常重要。威巴克公司开发了一整套的标准试验用于汽车振动控制类零件的测试，包括零件刚度特性的准静态测试、识别动刚度对试验频率依赖性的频率测试、零件的动刚度同激励幅值之间的依赖特性的扫幅测量以及确定几何非线性特性对动刚度影响的预载荷试验等。首先，原型样件将按这些标准方法进行评价，测试结果同零件设计图纸相比较，如果原型样件达到了所有技术要求则会被安装到车桥上进行总成台架测试。

图2 车桥试验台架

威巴克公司自主开发建造了多种类型的车桥试验台架（见图2）用于汽车车桥总成的试验分析。所有试验中，车桥都通过3轴向载荷测量单元连接到试验台架的刚性框架结构上。这些载荷测量单元位于车桥同车身相互作用点的位置，用于检测车桥和车身之间的内部力。与零件的台架试验相比，车桥分析中的主要挑战在于它是一个单输入/多输出系统。如果轮毂在一个方向上被激励，在所有同汽车底盘相互作用的界面上都会产生响应力。

图3 传递路径分析

通过对不带车轮的车桥进行测试可以得到输入刚度和传递刚度。对于相同的输入位移，大的传递刚度意味着在输出端会产生大的力，相应地，这些动态力对于汽车的振动和声学舒适性负有主要责任。图3所示为传递刚度同频率之间的关系。图中，每一条线代表一个传递路径，颜色是刚度分布的度量。图中同时还展示了传递路径作为频率的函数随频率的变化而变化的特征。随着频率的变化，最大力会出现在车身不同的位置上。这可以为整车厂提供有关车桥同车身之间可能发生的相互作用信息。整车设计中非常关键的一点是要保证车身的共振频率与车桥的共振频率错开。

分析了悬架的输入和传递刚度后就需要对带有车轮的车桥进行研究了。通过液力激振器对转毂进行正弦和随机激振来实现对车桥的试验分析。除了前面提到的力测量技术，该试验还可以采用高速光学测量系统进行检测（见图4）。光学测量系统测试所得的数据揭示了悬架在瞬态激励下垂直方向上车轮跳动的运动曲线，以及对车桥的减振行为的评价，该评价分别在车辆的垂直方向和前后方向上进行。对垂直方向上的减振性能起决定性影响的零件是减振器，另外，汽车所采用的前后副车架悬置的阻尼还会对汽车的操纵性能产生影响。

图4 高速光学测量系统的安装

除了所需的刚度特性和曲线外，零件设计中还需要考虑零件的使用寿命问题。威巴克公司很多年前就已成功地利用有限元技术进行零件的使用寿命预测，目标是如何在首次样车上满足零件使用寿命的要求。首先通过有限元工具将载荷/时间曲线转化成应力或应变/时间曲线以便作出耐久性预测。计数技术，比如雨流计数，被用来对结果进行分级，在下一步中，该结果将同材料特性联系起来。材料的疲劳特性通过Woehler曲线或Haigh图的形式来表示。计算所得的损坏因子为工程师提供了在实际载荷条件下零件使用寿命的指标。

如果车桥总成台架试验结果与计算所得的结果一致，零件将被安装在原型车上，最终设计是否成功将通过对整车的主观以及客观评价进行验证。

结语

为了实现对汽车的行驶平顺性和内部声学特性的改进，不仅需要对单个零件进行改进，还需要对整个悬架系统的振动影响进行分析。

本文所述为威巴克公司在底盘系统振动控制零件开发时所采用的有关方法。试验和模拟相结合的方法使得新一代车桥的开发过程在时间和成本上效率更高。

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