張 博,姚 烈,孫 明

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心,上海 201804）

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷良好發(fā)展,中國已經(jīng)成為世界上數(shù)一數(shù)二的汽車產(chǎn)銷大國[1],中國用戶對(duì)車輛認(rèn)知水平和要求也在不斷提高,這就對(duì)整車廠商提出了更多、更高的要求:不斷降低成本、縮短研發(fā)周期、提高整車質(zhì)量、盡早發(fā)現(xiàn)工程質(zhì)量問題并及時(shí)提供解決方案等[2],針對(duì)這些要求,試驗(yàn)認(rèn)證都發(fā)揮著舉足輕重的作用.

試驗(yàn)認(rèn)證中的試驗(yàn)室試驗(yàn)可以承擔(dān)眾多整車、子系統(tǒng)和零部件的力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)耐久、性能試驗(yàn).隨著基本的整車,系統(tǒng)(子系統(tǒng))和關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)的力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)耐久、性能試驗(yàn)?zāi)芰Φ慕?重點(diǎn)是針對(duì)汽車底盤、動(dòng)力總成和車身等承載結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)試驗(yàn),從而能夠在整車開發(fā)過程的早期對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行及時(shí)的驗(yàn)證和評(píng)價(jià),對(duì)暴露和潛在的問題進(jìn)行及時(shí)的改進(jìn)[3].并有力地支持整車研發(fā)的數(shù)模計(jì)算.隨著不同車型、相同車型不同配置、相同車型相同配置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累,也可以為設(shè)計(jì)部門提供設(shè)計(jì)依據(jù)和參考,加深對(duì)車輛力學(xué)、結(jié)構(gòu)和性能的了解,使汽車前、中期開發(fā)驗(yàn)證試驗(yàn)逐步從道路試驗(yàn)向試驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)和數(shù)模計(jì)算轉(zhuǎn)移,以縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期和成本,提高工程質(zhì)量[4].

1 道路載荷數(shù)據(jù)采集

上汽集團(tuán)旗下某子公司針對(duì)市場(chǎng)需求計(jì)劃開發(fā)一款小型車,已經(jīng)完成底盤結(jié)構(gòu)件、車身和底盤、動(dòng)力總成連接結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)的布置、動(dòng)力總成標(biāo)定、懸置的選型和調(diào)校工作,并造出了樣車,要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行臺(tái)架考核,道路載荷數(shù)據(jù)采集流程.

1)試驗(yàn)計(jì)劃編制確認(rèn).①編制道路行駛數(shù)據(jù)采集工作計(jì)劃,包括數(shù)據(jù)采集通道如表1所示.②與試驗(yàn)需求者以及相關(guān)人員共同確認(rèn)道路行駛數(shù)據(jù)采集計(jì)劃.

2)試驗(yàn)前期準(zhǔn)備.①數(shù)據(jù)采集車輛(包括相關(guān)測(cè)量零部件)狀態(tài)初步檢查及確認(rèn).②選擇并落實(shí)測(cè)量?jī)x器.③裝配并記錄測(cè)量?jī)x器和傳感器.④與相關(guān)人員進(jìn)行最終狀態(tài)認(rèn)可(包括測(cè)量車輛配置狀況、測(cè)量?jī)x器設(shè)置狀態(tài)、最終交付內(nèi)容和方式等).

3)執(zhí)行試驗(yàn).①測(cè)量系統(tǒng)確認(rèn).②測(cè)量道路響應(yīng).③數(shù)據(jù)檢查.

4)數(shù)據(jù)處理及文檔整理.①數(shù)據(jù)處理.②測(cè)量車輛處理(包括測(cè)量?jī)x器拆卸、車輛返還等).③整理試驗(yàn)文檔.④試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)布.⑤試驗(yàn)結(jié)束.

1.1 數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目執(zhí)行

針對(duì)臺(tái)架整車耐久的要求,定出了要測(cè)量的力學(xué)和動(dòng)力學(xué)通道,如表1所示,可以看出測(cè)量通道涵蓋了幾乎全部的整車承載結(jié)構(gòu)載荷、復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)變和部分車身及其附件的振動(dòng).

1)傳感器選擇.考慮傳感器的數(shù)量、頻響、尺寸、滿量程、使用溫度范圍、原理、優(yōu)缺點(diǎn)等來選擇.

2)傳感器位置選擇.根據(jù)傳感器尺寸、使用溫度范圍、原理和要測(cè)量通道屬性等選擇.

3)數(shù)據(jù)所需要的數(shù)據(jù)格式和用戶協(xié)商.

1.2 數(shù)據(jù)檢查

通過通道屬性、對(duì)稱性、數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、PSD運(yùn)算和經(jīng)驗(yàn)等來判斷數(shù)據(jù)的優(yōu)劣.

表1 道路載荷數(shù)據(jù)采集通道Tab.1 Road load data acquisition channels

2 臺(tái)架準(zhǔn)備

選擇M TS329 4自由度道路模擬機(jī)進(jìn)行整車道路模擬臺(tái)架試驗(yàn).所謂4自由度為三向力和加速、制動(dòng)通道[5],其結(jié)構(gòu)如圖1,圖2所示.

2.1 臺(tái)架介紹

圖1 臺(tái)架三向力和扭矩輸入機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 Rig three direction force and torque inpu tmechanical structure

圖2 整車前后結(jié)束結(jié)構(gòu)Fig.2 Restriction structure for b rake

2.2 數(shù)據(jù)后處理

如圖3所示為數(shù)據(jù)后處理的流程圖.

2.2.1 載荷譜壓縮

由于采集器輸出的數(shù)據(jù)格式大部分為時(shí)間歷程文件,可以通過濾波、去均值、去毛刺等處理,使數(shù)據(jù)更符合實(shí)際.但處理后的數(shù)據(jù)量仍然很大、試驗(yàn)所需時(shí)間很長(zhǎng),不利于發(fā)揮臺(tái)架試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì),所以需要進(jìn)行等損傷時(shí)間壓縮.目前普遍采用的方法為雨流計(jì)數(shù)法.雨流計(jì)數(shù)法是由MatsuisKi和Endo等人考慮了材料應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回環(huán)和載荷時(shí)間歷程對(duì)應(yīng)起來,這種方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于疲勞壽命估計(jì)中[6].隨機(jī)載荷譜經(jīng)過計(jì)數(shù)后,可以形成若干個(gè)雨流矩陣

圖3 一般數(shù)據(jù)處理流程F ig.3 Generic data post p rocessing process

式中:R為雨流造矩陣;i為雨流循環(huán)開始點(diǎn)級(jí)別;j為雨流點(diǎn)循環(huán)結(jié)束點(diǎn)級(jí)別;rij為雨流開始于i結(jié)束于 j的循環(huán)數(shù).

2.2.2 計(jì)算原理

對(duì)于不同路面的組合可以用到[7]

式中:ai為第i種道路所占的比例;Ri為第i種道路的雨流計(jì)數(shù)結(jié)果;n為路面種類.

疲勞損傷計(jì)算方法 S-N曲線

式中:S為載荷;N為壽命;m與C是與材料、應(yīng)力比、加載方式有關(guān)的參數(shù).

Miner線性累積損傷理論認(rèn)為[8],構(gòu)件在載荷S作用下,循環(huán)至破壞的壽命為 N,則可定義在其經(jīng)受 n次循環(huán)的損傷為

構(gòu)件在載荷S作用下,經(jīng)受 ni次循環(huán)損傷為Di=ni/Ni.若有K個(gè)載荷水平Si作用下,經(jīng)過ni次循環(huán),則可定義總損傷為[9]

2.3 臺(tái)架響應(yīng)和道路響應(yīng)的相關(guān)分析[10]

迭代到期望的精度后,用得到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)車輛的臺(tái)架響應(yīng),分別在時(shí)域、頻域、損傷域(壽命)進(jìn)行對(duì)比分析.由于文章篇幅所限,選取后來在道路和臺(tái)架都出現(xiàn)故障的零件或相關(guān)零件(車身振動(dòng)、副車架、后橋、變速箱懸置)進(jìn)行對(duì)比.

2.3.1 時(shí)域相關(guān)

如表2所示,在時(shí)域內(nèi)統(tǒng)計(jì)對(duì)比了臺(tái)架和道路響應(yīng)的最大、最小、均方根、峰值系數(shù)和偽損傷值,可以看出,道路和臺(tái)架響應(yīng)的比例范圍在0.7～1.1之間,可以說符合的已經(jīng)很好了.

表2 道路響應(yīng) &臺(tái)架響應(yīng)時(shí)域統(tǒng)計(jì)值和壽命(偽損傷)對(duì)比Tab.2 Road response&rig response statistics and life dam age com parison

2.3.2 自功率譜(頻域相關(guān))

如圖4～7所示,紅色線為該零件道路響應(yīng),藍(lán)色線為該零件臺(tái)架響應(yīng),從圖中可以看出,譜型大體相似,尤其是變速箱懸置和車身振動(dòng),幾乎相同;副車架和后橋則有的頻率段臺(tái)架響應(yīng)能量多些,有的頻率段道路響應(yīng)能量多些,但總體差別不大.

圖4 車身振動(dòng)Fig.4 Bod y vib ration

圖5 副車架關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)變Fig.5 Cradle key points strains

圖6 變速箱懸置垂向力Fig.6 Transm ission m ount vertical force

圖7 后橋扭矩應(yīng)變F ig.7 Rear axle torque strain

2.3.3 損傷域相關(guān)

筆者采用LMS公司的Tecware[11]進(jìn)行損傷計(jì)算,因文章篇幅僅選擇計(jì)算方法為程對(duì)累計(jì)損傷.結(jié)果如下圖8～11所示,橫坐標(biāo)為累計(jì)損傷,縱坐標(biāo)為幅值范圍,可以看出這四個(gè)零件道路與臺(tái)架響應(yīng)在各個(gè)工作范圍區(qū)間的累積損傷基本相似,車身、變速箱懸置和后橋幾乎重合.

圖8 車身振動(dòng)Fig.8 Body vib ration

圖9 副車架關(guān)鍵點(diǎn)Fig.9 Cradle key poin ts

圖10 變速箱懸置垂向力Fig.10 Transm ission m ount vertical force

圖11 后橋扭矩應(yīng)變Fig.11 Rear axle torque strain

3 試驗(yàn)結(jié)果

使用做好相關(guān)分析的驅(qū)動(dòng)信號(hào),按照企業(yè)規(guī)范進(jìn)行編制、排序整車臺(tái)架道路模擬耐久試驗(yàn)并執(zhí)行.臺(tái)架試驗(yàn)的有效性檢驗(yàn)一般有兩個(gè)直觀的依據(jù):①故障模式是否與道路(試車場(chǎng)和公共道路)相同;②發(fā)生故障時(shí)間是否相近.

表3 道路 &臺(tái)架失效模式和失效時(shí)間對(duì)比Tab.3 Road&Rig failure mode and failure tim e comparison

通過此方法,在試驗(yàn)后編制一個(gè)表格,涵蓋道路試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)故障模式照片和失效時(shí)間比對(duì),見表3.

如表3所示,道路和臺(tái)架的故障模式完全一致,但失效發(fā)生時(shí)間有的比較接近,有的相差比較大,都是臺(tái)架比道路失效時(shí)間晚,換句話說是車輛在臺(tái)架的壽命比道路的壽命長(zhǎng).

4 結(jié) 論

與4立柱(單自由度)相比,16通道(4自由度)可以復(fù)現(xiàn)更多的自由度和載荷輸入[1],能做出更多的故障模式,故障模式與試驗(yàn)場(chǎng)的結(jié)果也十分貼近,不過故障發(fā)生時(shí)間相差較大,可能是由于有兩個(gè)自由度 M x和M z沒有受控的緣故.

從自功率譜來看16通道的臺(tái)架響應(yīng)在某些頻率段上比道路響應(yīng)的能量要高,這就會(huì)引起過度損傷,也許會(huì)引起試驗(yàn)場(chǎng)不會(huì)發(fā)生的故障失效模式,如果能增加轉(zhuǎn)向扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸入,再提高迭代的技巧和疲勞計(jì)算的方法精度,將會(huì)使整車道路模擬臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)分析更貼近試驗(yàn)場(chǎng);就會(huì)增加設(shè)計(jì)人員對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)分析的信心,進(jìn)而使整車道路模擬臺(tái)架在整車開發(fā)流程中、前期階段發(fā)揮更大的作用.

[1] 羅裕.新車質(zhì)量問題成中國汽車業(yè)無法回避的問題[J].新民晚報(bào),2012(2):26-28.

Luo Yu.The new car quality problems become an problem which Chinese automobile industry cannot escape[J].Xinm in Evening New s,2012(2):26-28.(in Chinese)

[2] 張志剛.推進(jìn)自主創(chuàng)新展示行業(yè)風(fēng)采[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng),2010(2):18-19.

Zhang Zhigang.Promote independent innovation exhibition industry style[J].The World Manufacturing Technology and Equipment Market,2010(2):18-19.(in Chinese)

[3] 張博,吳偉,吳佳魏.基于零部件、子系統(tǒng)的道路試驗(yàn)和整車臺(tái)架試驗(yàn)的相關(guān)分析-四通道篇[R].上海:泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,2007.

[4] 廖春發(fā).為提高質(zhì)量縮短周期降低成本:美國航天界試行全新的CE法[J].質(zhì)量與可靠性,1993(5):11-12.

Liao Chunfa.In order to im provequality,shorten the cycle reduce costs:the United States of America aerospace industry try out new CE method[J].The Quality and Reliability,1993(5):11-12.(in Chinese)

[5] MTSSystems Corporation.MTS 329 usermanual[Z].USA.14000 Technology Drive,Eden Prairie,2011.

[6] 明平順,李曉霞.汽車可靠性技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2002:45-48.

[7] 張桂明,姚烈,李嘉,等.探索疲勞損傷理論在車輛疲勞試驗(yàn)中的應(yīng)用[R].上海:泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,2002.

[8] 張行,趙軍.金屬構(gòu)件應(yīng)用疲勞損傷力[M].第1版.北京:國防工業(yè)出版社,1998:43-44.

[9] 郭虎,陳文華.汽車試驗(yàn)場(chǎng)可靠性強(qiáng)化系數(shù)的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2004,40(9):15-16.

Guo Hu,Chen Wenhua.Automobile reliability enhancement coefficient[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2004,40(9):15-16.(in Chinese)

[10] M TS System Corp,RPCSoftware Manual.14000 Technology Drive[Z].Eden Prairie,MN 55344-2290,2010.

[11] LMS Engineering Innovation Corporation.LMSTecW are 2.14 Hands-on exercises[Z].LMSDeutschland GmbH Kaiserslautern,Germany October,2005.