鄒喜紅 譙 凱 石曉輝 余 勇 易 鵬

1.重慶理工大學汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點實驗室，重慶，400054

2.重慶市科學技術(shù)研究院，重慶，400054

0 引言

雙離合自動變速器（DCT）整機效率高，在燃油經(jīng)濟性和成本之間達到了較好的平衡，因而被認為是目前國內(nèi)最具發(fā)展前景的一種新型自動變速器［1］。由于路面激勵和發(fā)動機振動的存在，DCT中的閥體、傳感器及電子元件等關(guān)鍵零部件長期工作在劇烈的振動沖擊之下，其疲勞可靠性是DCT各項性能中最基本和最重要的性能之一，同時也是我國自主研發(fā)DCT產(chǎn)業(yè)化急需解決的關(guān)鍵問題之一。目前，由于試驗手段和試驗方法的欠缺，國內(nèi)外普遍采用試驗場整車試驗來考察DCT及其關(guān)鍵零部件的疲勞可靠性，試驗周期長，試驗結(jié)果受環(huán)境因素影響較大；部分企業(yè)采用傳統(tǒng)手動機械變速器臺架試驗手段和方法，難以對DCT閥體、傳感器及電子元件等關(guān)鍵零部件在實際行駛時的可靠性進行準確考核。

相比之下，基于遠程參數(shù)控制（RPC）的道路模擬試驗技術(shù)可以很好地復現(xiàn)車輛在實際行駛過程中所遇到的各種工況，同時可以消除外界環(huán)境對試驗的影響，具有試驗結(jié)果和實際接近、周期短、成本低、可重復性高等優(yōu)點。基于RPC的道路模擬試驗的主要步驟為：①采集道路載荷譜；②分析、編輯載荷譜得到期望響應(yīng)信號；③計算系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)；④生成道路模擬試驗的初始驅(qū)動信號；⑤模擬迭代；⑥道路模擬試驗。目前這種技術(shù)在汽車整車及零部件的疲勞可靠性試驗中發(fā)揮著越來越重要的作用，國外主要汽車生產(chǎn)廠家?guī)缀醵紦碛械缆纺M試驗手段和能力，我國許多汽車生產(chǎn)廠家和有關(guān)科研機構(gòu)也相繼引進了這種類型的試驗系統(tǒng)，開展了很多富有成果的試驗研究工作［2］。盡管道路模擬試驗系統(tǒng)在汽車整車及零部件的疲勞可靠性試驗中得到了較廣泛的應(yīng)用，但在汽車傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用較少。本文提出了一種基于RPC技術(shù)的DCT道路模擬試驗方法，以考核DCT閥體、傳感器及電子元件等關(guān)鍵零部件的疲勞可靠性。

1 DCT道路沖擊載荷譜采集與分析

現(xiàn)有的道路載荷譜測量方法一般有六分力傳感器法、五輪儀法、軸頭響應(yīng)法等，但這些方法所使用的儀器比較昂貴，且實現(xiàn)方法復雜，因此使用較少［2-4］。本試驗采用加速度傳感器法，在理論上將整車的振動系統(tǒng)簡化為多點激勵的自由振動系統(tǒng)，將DCT閥體、傳感器、電子元件等關(guān)鍵零部件的振動激勵響應(yīng)作為研究對象進行數(shù)據(jù)采集，并以此響應(yīng)作為道路模擬的目標迭代信號［5］。

在DCT的閥體、傳感器、接插件和自動變速箱控制單元（TCU）等零部件附近布置三向加速度傳感器，測量其對路面激勵和發(fā)動機激勵綜合作用下的響應(yīng)；受實際安裝情況影響，在箱體內(nèi)部不易貼片，于是選取懸置側(cè)板及底部、雙離合器附近肋板等應(yīng)力較大區(qū)域布置應(yīng)變測點，部分測點布置如圖1所示，其中，AC1～AC4為傳感器編號，S1、S2為應(yīng)變片編號。汽車裝載質(zhì)量、輪胎氣壓等嚴格按照《汽車道路試驗方法通則》（GB／T 12534-90）執(zhí)行，在數(shù)據(jù)采集過程中用GPS車速儀對車速進行實時監(jiān)測［6］。試驗路段選擇襄陽試車場的綜合路、工況路、高速環(huán)道和山區(qū)路，各種路面的分配比例和行駛車速按某企業(yè)整車可靠性試驗方法設(shè)置；為驗證采集載荷譜的可靠性和重復性，每種路段上采樣三個循環(huán)。

圖1 部分傳感器安裝示意圖

采集的原始響應(yīng)信號中可能混入了一些非真實的信號，如零點漂移、趨勢項和高頻噪聲等，為保證載荷譜的可靠性和真實性，需要對采集到的信號進行必要的分析和處理，消除偽信號的方法通常有濾波、除均值和除偏置等［3］。圖2中的曲線1表示采集到的原始應(yīng)變信號，其出現(xiàn)了明顯的零點漂移，為了消除偽信號，對采集到的原始信號進行濾波處理。實踐表明，道路模擬試驗機在0～50Hz頻段內(nèi)具有較好的動態(tài)特性，路面對車輛的垂直方向的振動頻率在0.5～20Hz頻段內(nèi)［7-8］，因此對原始響應(yīng)信號采用0～50Hz低通濾波，經(jīng)過對比可以看出，濾波以后零點漂移得到了徹底的消除，而信號的幅值和趨勢均沒有發(fā)生變化。

圖2 濾波前和濾波后信號對比

在采集到的原始響應(yīng)信號中刪除對疲勞損傷貢獻較小的信號段及奇異信號［9］，提取每種路面的時域信號并對其進行功率譜分析，圖3所示為在相同車速下共振路、坡道路、砂石路、坑洼路、礫石路閥體附近垂直方向加速度功率譜密度曲線，可以看出，路面引起的振動能量主要集中在30Hz以下的低頻范圍內(nèi)，以12Hz附近最為集中，在5～30Hz范圍內(nèi)各種路面的功率譜密度從大到小依次為共振路、砂石路、礫石路、坑洼路、坡道路。

圖3 典型路面功率譜密度

為選取合適的模擬目標響應(yīng)信號，對同種路面上不同測點垂直方向加速度信號做功率譜密度分析，如圖4所示，曲線1～7分別代表測點AC1～AC7，由路面引起的0.5～20Hz振動頻段內(nèi)各點功率譜密度差異不大，因而選取本試驗著重關(guān)注的DCT閥體附近的AC3測點作為模擬目標響應(yīng)點。為檢驗迭代后生成的振動載荷譜的模擬精度，選取布置在DCT接插件、TCU位置附近的AC2、AC4測點作為監(jiān)控點。

圖4 各測點功率譜密度

2 道路模擬試驗驅(qū)動信號的生成

為反映DCT在實際車輛上的安裝情況，本文設(shè)計了DCT道路模擬試驗安裝系統(tǒng)（圖5），并對整套系統(tǒng)進行了模態(tài)分析，保證系統(tǒng)在0～50Hz范圍內(nèi)沒有共振點。安裝系統(tǒng)主要包括支撐夾具、懸置、驅(qū)動電機、角形支架和支撐平板等，驅(qū)動電機與變速器通過角形支架與DCT變速器連成一體，驅(qū)動電機輸出軸通過聯(lián)軸器與DCT輸入軸相連，模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)速輸入，以便DCT能夠進行正常換擋；變速器和驅(qū)動電機通過原車上的4套懸置安裝在支撐夾具上，4套支撐夾具安裝在液壓作動器支撐的平板上，較好地反映了DCT在實車上的安裝情況。

圖5 試驗臺安裝示意

按圖5所示安裝好DCT后，在試車場采集載荷譜測點的相同位置布置加速度和應(yīng)變傳感器，用選取的目標響應(yīng)信號進行模擬迭代。首先通過RPC產(chǎn)生寬帶數(shù)字白噪聲信號X（f）作為液壓作動器的輸入，同時采集目標響應(yīng)點的輸出Y（f），根據(jù)下式求解系統(tǒng)的頻響函數(shù)H（f）（圖6）：

式中，Sxy（f）為輸入與輸出的互功率譜；Sxx（f）為輸入的自功率譜。

圖6 系統(tǒng)頻響函數(shù)

由圖6可以看出，系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性在0～50Hz范圍內(nèi)有兩個峰值，第一個峰值出現(xiàn)在12Hz附近，第二個峰值出現(xiàn)在39Hz附近。仔細觀察圖6和圖3可以發(fā)現(xiàn)，頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性的第一個峰值點正好是圖3中載荷譜能量最大的頻率點，說明圖3中載荷譜的主要峰值在一定程度上由系統(tǒng)本身的頻率響應(yīng)特性引起，因此可以通過調(diào)整各點懸置參數(shù)來改善12Hz附近的頻率響應(yīng)特性，從而改善DCT的振動情況。

用編輯的目標響應(yīng)信號和測量的系統(tǒng)頻響函數(shù)逆矩陣 H-1（f），按公式X（f）＝ H-1（f）Y（f）計算初始激勵驅(qū)動信號X1（f）；用X1（f）驅(qū)動系統(tǒng)，通過傳感器回收響應(yīng)信號Y1（f），將Y1（f）與目標響應(yīng)信號Y（f）進行比較獲得信號ΔY，通過誤差信號與系統(tǒng)頻響函數(shù)逆矩陣計算校正信號ΔX（f）＝H-1（f）ΔY（f）。校正信號 ΔX（f）乘上衰減系數(shù)與驅(qū)動信號X1（f）相加得到第二次驅(qū)動信號X2（f），重復以上步驟，直到響應(yīng)信號Yn（f）與目標響應(yīng)信號Y（f）的誤差在可以接受的范圍內(nèi)為止［2］。用最后一次迭代的驅(qū)動信號建立驅(qū)動信號文件，圖7所示為試車場工況路和綜合路迭代后的最終驅(qū)動信號。

圖7 迭代后的驅(qū)動信號

采用圖7所示驅(qū)動信號作為激勵信號進行激振，在控制測點重新拾取響應(yīng)信號，將拾取響應(yīng)信號與目標響應(yīng)信號進行時域、頻域的比較［10-11］。圖8為工況路和綜合路模擬響應(yīng)信號與實際道路行駛信號對比圖，其中，曲線1為采集的實際道路行駛信號，曲線2為模擬響應(yīng)信號?？梢钥闯觯M響應(yīng)信號逼近實際道路采集的目標響應(yīng)信號，在0～30Hz頻段內(nèi)兩者幅值及變化趨勢基本一致。盡管模擬信號丟失了部分高頻信息，但由圖3可知，DCT振動載荷譜能量主要集中在0～30Hz的低頻部分，因此DCT振動載荷譜得到了很好的再現(xiàn)。

圖8 模擬響應(yīng)信號與控制響應(yīng)信號對比

3 模擬試驗

室內(nèi)模擬試驗以襄陽試車場實車耐久試驗4萬千米的路面比例和不同擋位換擋次數(shù)的試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，對室內(nèi)道路模擬耐久試驗的路面信息和擋位信息進行分配，將不同路面的驅(qū)動信號加載到道路模擬試驗機中進行DCT道路模擬試驗，同時收集監(jiān)測點信號（圖9）和DCT換擋信號。圖9中，曲線1為試車場采集監(jiān)測點加速度信號，曲線2為模擬試驗采集相同監(jiān)測點加速度信號，可以看出，監(jiān)測點處模擬響應(yīng)信號與實際響應(yīng)信號的變化趨勢和幅值在0～30Hz的低頻段吻合很好，只是在高頻部分有一些差異，但高頻部分本身幅值很小，對試驗基本不產(chǎn)生影響。根據(jù)在線實時監(jiān)測道路模擬試驗時DCT換擋的雙離合器壓力、換擋位置等信息，可以方便地分析DCT是否出現(xiàn)換擋故障。整個試驗過程中DCT雙離合器壓力及主壓力都比較穩(wěn)定，但出現(xiàn)了2次2擋降1擋失敗的現(xiàn)象，通過分析和排查，排除了液壓系統(tǒng)本身故障的因素，確定換擋失敗是由于TCU電源搭鐵接觸不良。

圖9 監(jiān)測點加速度功率譜密度比較

4 結(jié)論

（1）試車場實際行駛信號和室內(nèi)模擬響應(yīng)信號對比結(jié)果表明，試車場實際行駛信號在室內(nèi)得到了很好的模擬和再現(xiàn)，本文所建立的試驗系統(tǒng)和試驗方法完全正確，遠程參數(shù)控制道路模擬試驗技術(shù)可以應(yīng)用于DCT等自動變速器關(guān)鍵零部件室內(nèi)可靠性試驗中。

（2）分析采集的道路載荷譜和系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)發(fā)現(xiàn)，在12Hz附近均出現(xiàn)較大峰值，因此可以通過調(diào)整各懸置匹配參數(shù)來改善12Hz附近的頻率響應(yīng)特性，從而改善DCT的振動情況。

（3）本文采用單通道道路模擬試驗系統(tǒng)對DCT關(guān)鍵零部件道路模擬試驗方法進行了探索性研究，但為獲得更高的模擬迭代精度，需建立多通道道路模擬試驗系統(tǒng)進行進一步研究。

［1］牛樹宇，黃安華.雙離合自動變速器是我國未來自動變速器的最佳選擇［J］.農(nóng)機使用與維修，2009（5）：21-22.Niu Shuyu，Huang Anhua.Dual Clutch Transmission is the Best Choice of Automatic Transmission in Our Country in the Future［J］.Farm Machinery Using ＆ Maintenance，2009（5）：21-22.

［2］雷達，陳劍，汪學嶺.汽車電器試驗臺道路模擬試驗方法的研究與實現(xiàn)［J］.噪聲與振動控制，2009（8）：67-69.Lei Da，Chen Jia，Wang Xueling.Research and Implementation of Road Simulation for Automotive Electric Products Test Bed［J］.Noise and Vibration Control，2009（8）：67-69.

［3］鄒喜紅，石曉輝，施全，等.基于道路模擬的摩托車動力學建模與仿真［J］.中國機械工程，2010，21（3）：372-377.Zou Xihong，Shi Xiaohui，Shi Quan，et al.Modeling and Simulation of Motorcycle Dynamics Based on Road Simulation［J］.China Mechanical Engineering，2010，21（3）：372-377.

［4］王霄鋒.汽車可靠性工程基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［5］張立軍，司揚，余卓平.燃料電池轎車動力系統(tǒng)及其零部件道路模擬試驗［J］.同濟大學學報，2009，37（2）：244-248.Zhang Lijun，Si Yang，Yu Zhuoping.Investigation Into Road Simulation Experiment of Powertrain and Its Key Components of a Fuel Cell Passenger Car［J］.Journal of Tongji University，2009，37（2）：244-248.

［6］馬浩松.汽車座椅六通道道路模擬試驗的研究［J］.上海汽車，2010（4）：8-12.Ma Songhao.Research of Road Simulation Test for Auto-seat based on 6-Channel Test System［J］.Shanghai Auto，2010（4）：8-12.

［7］Karbassian A，Bonathan D，Katakami T.Accelerated Vibration Durability Testing of a Pickup Truck Rear Bed［J］.SAE Paper，2009-01-1406.

［8］Wu V，Andrews G，Vermeulen C，et al.Effective Solutions to Decreasing Load Conflicts Using 4DOF Road Test Simulators［J］.SAE Paper，2007-01-1350.

［9］錢立軍，吳道俊，楊年炯，等.基于室內(nèi)道路模擬技術(shù)的整車加速耐久性試驗的研究［J］.汽車工程，2011，33（2）：91-95.Qian Lijun，Wu Daojun，Yang Nianjiong，et al.A Research on Vehicle Accelerated Durability Test Based on Indoor Road Simulation Technology［J］.Automotive Engineering，2011，33（2）：91-95.

［10］李光攀，過學迅，楊波，等.汽車耐久可靠性試驗方法［J］.天津汽車，2008（10）：34-37.Li Guangpan，Guo Xuexun，Yang Bo，et al.Research on Test Methods of Durability and Reliability of Vehicle［J］.Tianjin Auto，2008（10）：34-37.

［11］江浩斌，戴云，于林濤.基于六通道道路模擬機的重型汽車路面激勵再現(xiàn)試驗［J］.汽車技術(shù)，2008（9）：46-49.Jiang Haobin，Dai Yun，Yu Lintao.Road Surface Excitation Reappearance Experiment on Heavyduty Truck Based on 6-Channel Road Simulator［J］.Automobile Technology，2008（9）：46-49.