CN110276154B - 消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差的载荷激励分析方法 - Google Patents

消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差的载荷激励分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差的载荷激励分析方法，其特征是通过对平衡悬架钢板弹簧总成进行道路测试，利用位移传感器分别检测平衡悬架钢板弹簧总成前后两端相对于车架的位移响应信号，采用时变频率的高通滤波方法消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差，获得位移响应信号；在有限元软件中构建平衡悬架钢板弹簧的虚拟样机模型，计算虚拟样机模型在给定载荷作用下钢板弹簧总成的应力结果，针对获得的应力结果和位移响应信号计算平衡悬架钢板弹簧总成任意点处的应力与位移对应的关系。本发明方法能够消除随机载荷激励下平衡悬架钢板弹簧的刚体转动对其位移形变测试带来的误差，提高平衡悬架钢板弹簧可靠性评估准确度。

Description

消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差的载荷激励分析方法
技术领域
本发明涉及随机载荷测试方法，更具体地说是一种能够消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差的载荷激励分析方法，基于该方法消除在随机载荷测试中平衡悬架钢板弹簧的刚体转动误差值，以及获得平衡悬架钢板弹簧上任意一点在随机载荷激励下的应力响应结果。
背景技术
平衡悬架钢板弹簧被广泛应用于三轴式重型商用汽车和部分军用车辆上，其作用是保证中、后桥车辆的垂直载荷相等，使得汽车行驶时车辆不会出现悬空现象。由于平衡悬架钢板弹簧的存在使得钢板弹簧前后端会出现跳动滞后、前后转动的刚体运动现象，这给测试精度带来挑战。车辆行驶在随机路面时，来自路面的载荷冲击使得钢板弹簧受力极为复杂。基于随机路面载荷激励核算平衡悬架钢板弹簧疲劳寿命较为精准，准确量化平衡悬架钢板弹簧载荷响应是核算其疲劳寿命的关键，但迄今为止，针对平衡悬架钢板弹簧在随机载荷测试中消除刚体转动误差并提取其应力载荷响应的方法未有公开报导。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差的载荷激励分析方法，针对平衡悬架钢板弹簧在随机载荷测试时的刚体转动，能够消除刚体转动误差，提取应力载荷，对平衡悬架钢板弹簧的可靠性进行更为准确的分析评估。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差的载荷激励分析方法的特点是：通过对平衡悬架钢板弹簧总成进行道路测试，利用位移传感器分别检测平衡悬架钢板弹簧总成前后两端相对于车架的位移响应信号，采用时变频率的高通滤波方法消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差，获得位移响应信号；在有限元软件中构建平衡悬架钢板弹簧的虚拟样机模型，计算虚拟样机模型在给定载荷作用下钢板弹簧总成的应力结果，针对获得的应力结果和位移响应信号计算获得平衡悬架钢板弹簧总成任意点处的应力与位移对应的关系；实现消除刚体转动误差的平衡悬架钢板弹簧随机载荷激励测试分析。
本发明消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差的载荷激励分析方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1、针对采用平衡悬架钢板弹簧的三轴式重型商用汽车，以其平衡悬架钢板弹簧总成前端、平衡悬架钢板弹簧总成后端，以及三轴式重型商用汽车车架共同组成待测目标；
步骤2、针对行驶中的三轴式重型商用汽车，利用位移传感器分别检测获得在沿Z轴方向上的平衡悬架钢板弹簧总成前端测点A位置处的前端测点A位移响应信号XA(t)，以及沿Z轴方向上的平衡悬架钢板弹簧总成后端测点B位置处的后端测点B位移响应信号XB(t)；
步骤3、采用高通滤波的方法消除刚体转动误差
3.1、由式(1)计算获得高通滤波的时变截止频率fd(t)
Figure BDA0002112136510000021
其中，
v(t)为实时检测获得的三轴式重型商用汽车的行驶速度；
L为三轴式重型商用汽车中第二轴和第三轴之间轴距；
3.2、针对所述前端测点A位移响应信号XA(t)和后端测点B位移响应信号XB(t)分别利用时变截止频率fd(t)，采用高通滤波方法进行滤波，一一对应获得前端测点A位移响应滤波信号XA1(t)和后端测点B位移响应滤波信号XB1(t)，由式(2)计算获得算术平均值
Figure BDA0002112136510000022
Figure BDA0002112136510000023
步骤4、利用有限元分析的方法建立平衡悬架钢板弹簧总成虚拟样机模型，按如下方法分析虚拟样机模型在给定载荷作用下平衡悬架钢板弹簧总成的应力结果：
4.1、根据平衡悬架钢板弹簧总成的实际参数建立有限元模型；
首先，针对前端测点A和后端测点B同时沿Z轴正向施加空载载荷F空载，获得沿Z轴正向上的前端测点A空载位移变形量X空载，记录有限元模型中实体单元E的空载载荷应力值S1
然后，针对前端测点A和后端测点B同时沿Z轴正向施加满载载荷F满载，获得沿Z轴正向上的前端测点A满载位移变形量X满载，记录有限元模型中实体单元E的满载载荷应力值S2
所述实体单元E为有限元模型中任意一实体单元；
利用前端测点A空载位移变形量X空载和实体单元E的空载载荷应力值S1，以及前端测点A满载位移变形量X满载和实体单元E的满载载荷应力值S2，获得应力值与前端测点A位移变形量之间的线性关系SE(X)；
4.2、针对算术平均值
Figure BDA0002112136510000024
根据所述线性关系SE(X)获得实体单元E在随机载荷激励下的应力SE(t)，
Figure BDA0002112136510000025
实现消除刚体转动误差的平衡悬架钢板弹簧随机载荷激励测试分析。
本发明消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差的载荷激励分析方法的特点也在于：所述位移传感器采用由传感器本体和引线端组成的拉线式位移传感器，包括第一位移传感器和第二位移传感器；所述第一位移传感器，其传感器本体固定在所述三轴式重型商用汽车车架上，其引线端固定在所述平衡悬架钢板弹簧总成前端的前端测点A位置处；所述第二位移传感器，其传感器本体固定在所述三轴式重型商用汽车车架上，其引线端固定在所述平衡悬架钢板弹簧总成后端的后端测点B位置处。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明方法针对平衡悬架钢板弹簧的随机载荷测试能够有效消除刚体转动误差，准确量化并提取平衡悬架钢板弹簧在随机载荷激励下的应力响应结果，有效提高随机复杂载荷输入下钢板弹簧的可靠性评估准确度，减少钢板弹簧疲劳失效的发生率。
2、本发明方法结合有限元方法与道路测试方法，提取时域中平衡悬架钢板弹簧在随机载荷激励下的应力响应结果，计算量小且精度高。
附图说明
图1为本发明中平衡悬架钢板弹簧结构示意图；
图2为本发明消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差时变截止频率曲线图；
图3为本发明中平衡悬架钢板弹簧应力载荷结果提取图；
图中标号：1平衡悬架钢板弹簧总成前端，2平衡悬架钢板弹簧总成后端，3三轴式重型商用汽车车架，4消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差的时变截止频率曲线，5道路采集应力载荷曲线，6仿真提取应力载荷曲线。
具体实施方式
本实施例中消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差的载荷激励分析方法按如下步骤进行：
步骤1、如图1所示，针对采用平衡悬架钢板弹簧的三轴式重型商用汽车，以其平衡悬架钢板弹簧总成前端1、平衡悬架钢板弹簧总成后端2，以及三轴式重型商用汽车车架3共同组成待测目标。
步骤2、针对行驶中的三轴式重型商用汽车，利用位移传感器分别检测获得在沿Z轴方向上的平衡悬架钢板弹簧总成前端测点A位置处的前端测点A位移响应信号XA(t)，以及沿Z轴方向上的平衡悬架钢板弹簧总成后端测点B位置处的后端测点B位移响应信号XB(t)；
步骤3、采用高通滤波的方法消除刚体转动误差
3.1、由式(1)计算获得高通滤波的时变截止频率fd(t)
Figure BDA0002112136510000031
其中，
v(t)为实时检测获得的三轴式重型商用汽车的行驶速度；
L为三轴式重型商用汽车中第二轴和第三轴之间轴距；
经过计算高通滤波的时变截止频率fd(t)如图2所示，图2为消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差的时变截止频率曲线4。由图2可知此时的时变截止频率曲线随时间持续变化，不同时间内的截止频率值存在不同。
3.2、针对前端测点A位移响应信号XA(t)和后端测点B位移响应信号XB(t)分别利用时变截止频率fd(t)，采用高通滤波方法进行滤波，一一对应获得前端测点A位移响应滤波信号XA1(t)和后端测点B位移响应滤波信号XB1(t)，由式(2)计算获得算术平均值
Figure BDA0002112136510000041
Figure BDA0002112136510000042
步骤4、利用有限元分析的方法建立平衡悬架钢板弹簧总成虚拟样机模型，按如下方法分析虚拟样机模型在给定载荷作用下平衡悬架钢板弹簧总成的应力结果：
4.1、根据平衡悬架钢板弹簧总成的实际参数建立有限元模型；在三维建模软件中建立准确的平衡悬架钢板弹簧的几何模型，将平衡悬架钢板弹簧的几何模型导入有限元软件中，利用实体单元对几何模型进行离散并设置材料参数，各簧片之间建立面-面接触对，从而建立平衡悬架钢板弹簧虚拟样机，然后按照以下步骤进行静力学分析。
首先，针对前端测点A和后端测点B同时沿Z轴正向施加空载载荷F空载，获得沿Z轴正向上的前端测点A空载位移变形量X空载，记录有限元模型中实体单元E的空载载荷应力值S1
然后，针对前端测点A和后端测点B同时沿Z轴正向施加满载载荷F满载，获得沿Z轴正向上的前端测点A满载位移变形量X满载，记录有限元模型中实体单元E的满载载荷应力值S2
实体单元E为有限元模型中任意一实体单元；
利用前端测点A空载位移变形量X空载和实体单元E的空载载荷应力值S1，以及前端测点A满载位移变形量X满载和实体单元E的满载载荷应力值S2，获得应力值与前端测点A位移变形量之间的线性关系SE(X)。
4.2、针对算术平均值
Figure BDA0002112136510000043
根据线性关系SE(X)获得实体单元E在随机载荷激励下的应力SE(t)，
Figure BDA0002112136510000044
实现消除刚体转动误差的平衡悬架钢板弹簧随机载荷激励测试分析。经过计算随机载荷激励下的应力SE(t)，得出的结果如图3所示，图3中示出道路采集应力载荷曲线5和仿真提取应力载荷曲线6。由图3可知，经过本实施例中仿真提取应力载荷和道路采集应力载荷一致性较高，准确有效。
具体实施中，位移传感器采用由传感器本体和引线端组成的拉线式位移传感器，包括第一位移传感器和第二位移传感器；所述第一位移传感器，其传感器本体固定在所述三轴式重型商用汽车车架3上，其引线端固定在所述平衡悬架钢板弹簧总成前端1的前端测点A位置处；所述第二位移传感器，其传感器本体固定在所述三轴式重型商用汽车车架3上，其引线端固定在所述平衡悬架钢板弹簧总成后端2的后端测点B位置处。
本发明方法针对平衡悬架钢板弹簧在随机载荷测试时的刚体转动，消除其刚体转动误差，获得平衡悬架钢板弹簧准确的位移形变数据，其结合虚拟样机技术准确获得在平衡悬架钢板弹簧随机载荷激励下的应力载荷，利用提取到的应力载荷可以准确核算其疲劳寿命，最终对平衡悬架钢板弹簧的可靠性进行更为准确的分析评估。本发明方法准确，计算量小且精度高。

Claims (2)

1.一种消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差的载荷激励分析方法，其特征是通过对平衡悬架钢板弹簧总成进行道路测试，利用位移传感器分别检测平衡悬架钢板弹簧总成前后两端相对于车架的位移响应信号，采用时变频率的高通滤波方法消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差，获得位移响应信号；在有限元软件中构建平衡悬架钢板弹簧的虚拟样机模型，计算虚拟样机模型在给定载荷作用下钢板弹簧总成的应力结果，针对获得的应力结果和位移响应信号计算获得平衡悬架钢板弹簧总成任意点处的应力与位移对应的关系；实现消除刚体转动误差的平衡悬架钢板弹簧随机载荷激励测试分析；
所述消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差的载荷激励分析方法按如下步骤进行：
步骤1、针对采用平衡悬架钢板弹簧的三轴式重型商用汽车，以其平衡悬架钢板弹簧总成前端(1)、平衡悬架钢板弹簧总成后端(2)，以及三轴式重型商用汽车车架(3)共同组成待测目标；
步骤2、针对行驶中的三轴式重型商用汽车，利用位移传感器分别检测获得在沿Z轴方向上的平衡悬架钢板弹簧总成前端测点A位置处的前端测点A位移响应信号XA(t)，以及沿Z轴方向上的平衡悬架钢板弹簧总成后端测点B位置处的后端测点B位移响应信号XB(t)；
步骤3、采用高通滤波的方法消除刚体转动误差
3.1、由式(1)计算获得高通滤波的时变截止频率fd(t)：
Figure FDA0003827002250000011
其中，
v(t)为实时检测获得的三轴式重型商用汽车的行驶速度；
L为三轴式重型商用汽车中第二轴和第三轴之间轴距；
3.2、针对所述前端测点A位移响应信号XA(t)和后端测点B位移响应信号XB(t)分别利用时变截止频率fd(t)，采用高通滤波方法进行滤波，一一对应获得前端测点A位移响应滤波信号XA1(t)和后端测点B位移响应滤波信号XB1(t)，由式(2)计算获得算术平均值
Figure FDA0003827002250000012
Figure FDA0003827002250000013
步骤4、利用有限元分析的方法建立平衡悬架钢板弹簧总成虚拟样机模型，按如下方法分析虚拟样机模型在给定载荷作用下平衡悬架钢板弹簧总成的应力结果：
4.1、根据平衡悬架钢板弹簧总成的实际参数建立有限元模型
首先，针对前端测点A和后端测点B同时沿Z轴正向施加空载载荷F空载，获得沿Z轴正向上的前端测点A空载位移变形量X空载，记录有限元模型中实体单元E的空载载荷应力值S1然后，针对前端测点A和后端测点B同时沿Z轴正向施加满载载荷F满载，获得沿Z轴正向上的前端测点A满载位移变形量X满载，记录有限元模型中实体单元E的满载载荷应力值S2；
所述实体单元E为有限元模型中任意一实体单元；
利用前端测点A空载位移变形量X空载和实体单元E的空载载荷应力值S1，以及前端测点A满载位移变形量X满载和实体单元E的满载载荷应力值S2，获得应力值与前端测点A位移变形量之间的线性关系SE(X)；
4.2、针对算术平均值
Figure FDA0003827002250000021
，根据所述线性关系SE(X)获得实体单元E在随机载荷激励下的应力SE(t)，
Figure FDA0003827002250000022
，实现消除刚体转动误差的平衡悬架钢板弹簧随机载荷激励测试分析。
2.根据权利要求1所述的消除平衡悬架钢板弹簧刚体转动误差的载荷激励分析方法，其特征是：所述位移传感器采用由传感器本体和引线端组成的拉线式位移传感器，包括第一位移传感器和第二位移传感器；所述第一位移传感器，其传感器本体固定在所述三轴式重型商用汽车车架(3)上，其引线端固定在所述平衡悬架钢板弹簧总成前端(1)的前端测点A位置处；所述第二位移传感器，其传感器本体固定在所述三轴式重型商用汽车车架(3)上，其引线端固定在所述平衡悬架钢板弹簧总成后端(2)的后端测点B位置处。
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