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
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。
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
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
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
(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。
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