張 平,王海沛,段小成,葉必軍
(1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司 乘用車公司,上海 201804;2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海 201201;3.寧波拓普集團(tuán)股份有限公司,浙江 寧波 315800)
汽車動(dòng)力總成懸置耐久試驗(yàn)載荷譜研究
張 平1,王海沛2,段小成3,葉必軍3
(1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司 乘用車公司,上海 201804;2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海 201201;3.寧波拓普集團(tuán)股份有限公司,浙江 寧波 315800)
以某轎車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)為研究對(duì)象,對(duì)其道路載荷譜進(jìn)行了處理分析,并基于懸置系統(tǒng)偽損傷進(jìn)行了編輯,以達(dá)到耐久試驗(yàn)加速的目的。通過試驗(yàn)迭代控制技術(shù),臺(tái)架復(fù)現(xiàn)了動(dòng)力總成懸置在試驗(yàn)場(chǎng)各工況下的載荷。懸置系統(tǒng)在MAST試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行了道路模擬耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)表明,所采用的方法可成功用于動(dòng)力總成懸置的耐久性試驗(yàn)。
懸置;道路模擬;迭代;數(shù)據(jù)處理;耐久試驗(yàn)
室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)具有周期短、安全可靠、可控性好、重復(fù)性強(qiáng)和精度高等特點(diǎn)[1]。通過迭代控制技術(shù),可復(fù)現(xiàn)整車、系統(tǒng)總成及零部件在道路上承受的實(shí)際載荷。
本文以動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)布局方式為三點(diǎn)支承(即發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、變速箱懸置和后懸置)的某轎車為研究對(duì)象,采集試驗(yàn)場(chǎng)各工況載荷譜并對(duì)其進(jìn)行處理、分析、編輯和迭代,最終獲得多軸模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào),在短時(shí)間內(nèi)再現(xiàn)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)在試驗(yàn)場(chǎng)的失效形式。
多軸模擬試驗(yàn)臺(tái)(Multi-axial Simulation Table,MAST)系統(tǒng)模擬車輛縱向、側(cè)向和垂向等3個(gè)方向的平動(dòng),以及側(cè)傾、俯仰和橫擺等3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng),能夠精確模擬汽車在實(shí)際運(yùn)行中的振動(dòng)環(huán)境[2]。
MAST試驗(yàn)臺(tái)適用任何一種可從整車借助一些彈性零部件分離的總成及零部件的測(cè)試[3],如用于儀表板、座椅系統(tǒng)、保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、油箱和水箱等部件的試驗(yàn)[4],通過對(duì)臺(tái)面的控制來再現(xiàn)在真實(shí)工況下試件的位移、加速度、力或應(yīng)力等。
目前,MAST試驗(yàn)臺(tái)的液壓缸布局方式主要有2種:一種是最傳統(tǒng)的正交式,即在Z軸(垂向)上布置3個(gè)液壓缸,在X軸(縱向)和Y軸(側(cè)向)上分別布置1個(gè)和2個(gè)液壓作動(dòng)器,其主要振動(dòng)輸入來自于垂向,縱向和側(cè)向振動(dòng)輸入相對(duì)小一些[5];另一種為六桿并聯(lián)式,該系統(tǒng)由3個(gè)相錯(cuò)60°角的等邊三角架組成,每個(gè)三角架的頂點(diǎn)與2個(gè)低點(diǎn)由液壓缸相連接,其機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊,縮小了設(shè)備安裝空間,同時(shí)還提供了更大的平移距離和旋轉(zhuǎn)角度[6]。本文應(yīng)用美國(guó)MOOG公司的MAST試驗(yàn)臺(tái)(見圖1),該設(shè)備為典型的六桿并聯(lián)式,另外附帶1臺(tái)扭矩輸入設(shè)備,共同組成動(dòng)力總成懸置道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。
圖1 美國(guó)MOOG公司MAST試驗(yàn)臺(tái)
為獲得懸置系統(tǒng)真實(shí)的載荷情況,按規(guī)范要求采集某試驗(yàn)場(chǎng)25種典型的工況(包括石塊路、坑洼路、市區(qū)工況、加速、制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎等)。為盡量消除偶然因素和駕駛?cè)笋{駛習(xí)慣的影響,在試車場(chǎng)道路載荷譜采集中,由3名駕駛?cè)朔謩e進(jìn)行采集,每人采集5個(gè)循環(huán)[7]。
臺(tái)架迭代控制信號(hào)根據(jù)下述原則來選取,道路載荷譜中高頻信號(hào)主要來源于石塊路,頻率為0.5~40 Hz,利用加速度進(jìn)行模擬控制;而低頻信號(hào)主要來源于汽車加速、制動(dòng)產(chǎn)生的縱向力及汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向力,利用力和位移進(jìn)行模擬控制??紤]現(xiàn)實(shí)狀況,本次道路載荷譜采集選擇的位置見表1。
表1 道路載荷譜采集位置
力傳感器采集動(dòng)力總成懸置承受3個(gè)方向(即X、Y、Z向)的載荷,其作用如下:一方面,進(jìn)行試驗(yàn)場(chǎng)與臺(tái)架迭代響應(yīng)信號(hào)的相關(guān)性分析,驗(yàn)證臺(tái)架迭代精度;另一方面,將懸置載荷信號(hào)作為迭代控制的目標(biāo)信號(hào)。有時(shí)也可利用應(yīng)變片代替采集懸置承受的載荷。采集的車身加速度作為迭代控制的目標(biāo)信號(hào),控制車輛的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),GPS信號(hào)用來監(jiān)控車輛運(yùn)行速度。
本次試驗(yàn)運(yùn)用nCode軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、計(jì)算和編輯等操作處理。
3.1 道路載荷譜預(yù)處理
數(shù)據(jù)分析前要選取有效的時(shí)域信號(hào),首先對(duì)原始時(shí)域信號(hào)的各通道進(jìn)行預(yù)處理,主要包括異常信號(hào)剔除,去除漂移以及一些不能代表試驗(yàn)真實(shí)載荷水平的信號(hào)。
異常信號(hào)有如下情況。
1)尖刺點(diǎn)。一般由于電干擾或意外的物理撞擊所引起。在坑洼路工況(簡(jiǎn)稱B工況)中由于車輛受到意外撞擊,后懸置X向載荷達(dá)到-14 000 N,根據(jù)同種工況的歷史數(shù)據(jù)判定其為尖刺信號(hào)(見圖2),應(yīng)予以剔除。
圖2 異常信號(hào)
2)噪聲信號(hào)。主要由傳感器松脫、電纜磨損或接頭損壞產(chǎn)生,其特征數(shù)據(jù)值偏離中心比較嚴(yán)重。
3.2 載荷譜分析
在實(shí)際使用環(huán)境中,汽車結(jié)構(gòu)受到的載荷大多屬于隨機(jī)載荷。對(duì)于隨機(jī)載荷,主要采用時(shí)域、頻域及雨流域等統(tǒng)計(jì)分析方法[8]。
3.2.1 時(shí)域分析
時(shí)域分析主要通過各通道的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行分析,包括最大值、最小值、均方根值、峰值因數(shù)和偽損傷值等,峰值因數(shù)(CF)公式如下:
CF>6意味著數(shù)據(jù)中可能存在毛刺或其他不規(guī)則干擾。
通過各通道時(shí)域統(tǒng)計(jì)值判斷信號(hào)的一致性和有效性,并且可以作為迭代效果的驗(yàn)證參考。
3.2.2 頻域分析
頻域分析是獲得各通道時(shí)間歷程信號(hào)幅值的均方值隨頻率的分布,得到不同頻率下載荷能量分布的功率譜密度圖。由于其保留了載荷的全部信息,因而被認(rèn)為是一種較精確、嚴(yán)密的載荷統(tǒng)計(jì)方法[9]。
石塊路工況(簡(jiǎn)稱A工況)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置Z向頻域圖如圖3所示,能量主要集中在≤35 Hz的頻率范圍,B工況發(fā)動(dòng)機(jī)懸置X向頻域圖如圖4所示,能量主要集中在≤16 Hz的頻率范圍;因此,對(duì)兩種工況進(jìn)行不同的頻域段的濾波處理。安裝在MAST試驗(yàn)臺(tái)架上的樣件承受慣性反力,無法復(fù)現(xiàn)低頻大位移信號(hào),所以A工況發(fā)動(dòng)機(jī)懸置Z通道濾波頻率為0.5~35 Hz。而扭矩輸入設(shè)備聯(lián)接的樣件承受固定反力,可復(fù)現(xiàn)低頻信號(hào),所以B工況發(fā)動(dòng)機(jī)懸置X通道濾波頻率為0~16 Hz。
圖3 A工況發(fā)動(dòng)機(jī)懸置Z向頻域圖
圖4 B工況發(fā)動(dòng)機(jī)懸置X向頻域圖
在試車場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)中,并不是所有的載荷都對(duì)試件壽命產(chǎn)生等量破壞(某些載荷也許不會(huì)對(duì)破壞產(chǎn)生影響)。如果能夠通過對(duì)數(shù)據(jù)的編輯,將信號(hào)中對(duì)試件破壞沒有影響的載荷剔除,這樣就可以縮短試驗(yàn)周期。
4.1 刪除損傷貢獻(xiàn)小的工況
利用nCode軟件損傷模塊計(jì)算各工況所關(guān)注通道的偽損傷值,統(tǒng)計(jì)其占該通道整個(gè)耐久試驗(yàn)周期的比例(見表2),市區(qū)工況(簡(jiǎn)稱C工況)關(guān)注通道損傷貢獻(xiàn)比例很小(接近于0%),可將其排除掉。最終損傷貢獻(xiàn)相對(duì)較大的工況剩下16組。
表2 C工況各通道損傷貢獻(xiàn)比例
4.2 刪除損傷貢獻(xiàn)小的信號(hào)
基于試驗(yàn)所關(guān)注的通道,將信號(hào)中對(duì)試件破壞沒有影響或影響較小的載荷剔除。目標(biāo)是保證編輯后的數(shù)據(jù)能夠保留原始數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)試件疲勞損傷值的90%以上。利用nCode軟件計(jì)算偽損傷,識(shí)別出各通道損傷較小的時(shí)間片段并記錄下來,通過二次編輯,刪除損傷較小的載荷信號(hào),刪減的片段需同時(shí)應(yīng)用于所有的數(shù)據(jù)通道,以保證各通道信號(hào)的原始相位關(guān)系保持一致(見圖5)。編輯后的信號(hào)之間采用0.1 s的SineOverlap進(jìn)行平滑處理,避免信號(hào)突變,保證迭代的收斂。
圖5 A工況下懸置時(shí)域信號(hào)編輯
編輯信號(hào)時(shí)需注意如下幾點(diǎn):1)保留必要的極端(瞬態(tài))路面;2)根據(jù)各工況的特征,編輯后的路面總長(zhǎng)度應(yīng)不少于原路面長(zhǎng)度的一定比例,以避免過分取舍和強(qiáng)化而引起信號(hào)失真;3)避免產(chǎn)生附加損傷。
驗(yàn)證編輯數(shù)據(jù)的效果,將編輯數(shù)據(jù)的每個(gè)通道偽損傷值、最大值、最小值、PSD與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。偽損傷值需保留>90%,PSD損失<20%,最大值、最小值均保持不變。通過數(shù)據(jù)的編輯將310 h的耐久試驗(yàn)壓縮到210 h。
迭代一般分為如下幾步:系統(tǒng)識(shí)別、建立逆向模型及產(chǎn)生初次驅(qū)動(dòng)信號(hào)、迭代。
5.1 系統(tǒng)識(shí)別
在臺(tái)架上對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)施加激勵(lì),建立驅(qū)動(dòng)信號(hào)同試驗(yàn)系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)的數(shù)學(xué)模型,目的是獲取系統(tǒng)的傳遞函數(shù)或頻響函數(shù)。
設(shè)置白噪聲(驅(qū)動(dòng)信號(hào))各通道屬性(見圖6),包括頻率下限(lower cut-off frequency)、能量開始衰減頻率(break frequency)、能量衰減速率(exponent)和頻率上限(upper cut-off frequency)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),位移控制形式的能量衰減速率一般設(shè)置在1.5~2單位;然后,設(shè)置白噪聲信號(hào)的幅值分布,白噪聲的時(shí)間越長(zhǎng),傳遞函數(shù)越精確,但不宜過長(zhǎng),100 s即可。運(yùn)行白噪聲,計(jì)算試驗(yàn)系統(tǒng)的頻響函數(shù)。
圖6 白噪聲頻率成分曲線
5.2 建立逆向模型及產(chǎn)生初次驅(qū)動(dòng)信號(hào)
建立逆向模型,試驗(yàn)系統(tǒng)的響應(yīng)作為輸入,液壓缸的驅(qū)動(dòng)作為輸出;使用逆向模型,計(jì)算液壓缸的初次驅(qū)動(dòng)信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)一組特定的試驗(yàn)系統(tǒng)響應(yīng)目標(biāo)。
5.3 迭代控制
臺(tái)架控制頻帶寬度的設(shè)置范圍應(yīng)大于目標(biāo)信號(hào)的頻帶寬度。迭代過程中最關(guān)鍵的操作是設(shè)置gain值(即增益系數(shù))。gain值的設(shè)置取決于系統(tǒng)的線性程度,初次迭代時(shí)gain值應(yīng)盡量設(shè)置小一些(0.3~0.5)。如果迭代不收斂,可調(diào)整gain值來解決。某些通道之間存在耦合相互影響現(xiàn)象,可通過調(diào)整gain值進(jìn)行協(xié)調(diào),如進(jìn)行B工況迭代時(shí),后懸置X向迭代響應(yīng)超出,而Z向未達(dá)到目標(biāo)值,Z向迭代響應(yīng)的增長(zhǎng)促進(jìn)X向載荷的繼續(xù)加大,這種情況需抑制X向增益,通過調(diào)整X向gain值到0.1,迭代最終收斂。gain值可分別在頻域或時(shí)域進(jìn)行控制,保證在某個(gè)時(shí)間段或某個(gè)頻域段的增益減小。
5.4 迭代精度評(píng)價(jià)
迭代精度的評(píng)價(jià)方法包括時(shí)域、頻域和偽損傷值等的前后比較。
5.4.1 時(shí)域評(píng)價(jià)
時(shí)域評(píng)價(jià)(見圖7)除感官判斷外,均方根值的比較也是一種判斷迭代收斂的參考標(biāo)準(zhǔn),一般迭代響應(yīng)均方根值與目標(biāo)響應(yīng)均方根值的比值達(dá)到±90%可以接受。在完成13次迭代后,認(rèn)為精度基本達(dá)到要求,保存驅(qū)動(dòng)信號(hào),作為后續(xù)耐久性試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)譜。除均方根值評(píng)價(jià)外,迭代響應(yīng)的最大值、最小值也作為判定迭代效果的依據(jù)(見圖8)。
圖7 迭代響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)時(shí)域比較
圖8 迭代響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)最大、最小、均方根值比較
5.4.2 頻域評(píng)價(jià)
迭代響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)的頻域比較如圖9所示,主要的頻域段基本一致,證明迭代點(diǎn)頻域的模擬精度比較好。
圖9 迭代響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)頻域比較
5.4.3 偽損傷評(píng)價(jià)
25種典型的工況中,9組工況載荷較小,對(duì)零件產(chǎn)生的總損傷較小。為縮短試驗(yàn)時(shí)間,現(xiàn)統(tǒng)計(jì)其余16組工況中關(guān)注通道的總偽損傷值。從統(tǒng)計(jì)保留的比例(見表3)看,各通道迭代保留的損傷都應(yīng)在50%~200%。每種工況都有一些重點(diǎn)關(guān)注的通道,如制動(dòng)工況縱向貢獻(xiàn)損傷的比例較大,迭代時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注,以保證最終保留損傷可接受。
表3 臺(tái)架迭代響應(yīng)總損傷保留比例
編輯耐久試驗(yàn)路譜序列,保證每種工況連續(xù)運(yùn)行不能超過3遍,大載荷與小載荷工況穿插運(yùn)行,避免極限工況集中出現(xiàn)。
在懸置系統(tǒng)進(jìn)行總載荷序列的121%時(shí),發(fā)現(xiàn)變速箱懸置主簧斷裂,而在試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)行駛總載荷125%時(shí)也發(fā)生主簧斷裂現(xiàn)象。試驗(yàn)表明,可以通過MAST道路模擬試驗(yàn),在短時(shí)間內(nèi)再現(xiàn)懸置系統(tǒng)在試驗(yàn)場(chǎng)的失效形式。
1)探討了如何從時(shí)域、頻域角度處理分析道路載荷譜,基于偽損傷值對(duì)道路載荷譜進(jìn)行了編輯,將試驗(yàn)時(shí)間減少為原來時(shí)間的68%,達(dá)到了耐久試驗(yàn)加速的效果。
2)討論了試驗(yàn)迭代控制參數(shù)的設(shè)定、迭代精度的評(píng)價(jià)原則,對(duì)其他整車、總成及零部件等多通道試驗(yàn)臺(tái)架迭代控制具有參考意義。
3)對(duì)于動(dòng)力總成懸置而言,通過迭代控制技術(shù)在MAST試驗(yàn)臺(tái)上能夠正確、快速地模擬在道路上的振動(dòng)特性,快速復(fù)現(xiàn)了懸置系統(tǒng)在試車場(chǎng)的失效形式,為動(dòng)力總成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了驗(yàn)證手段和參考依據(jù),縮短了試驗(yàn)周期,降低了試驗(yàn)費(fèi)用,并為進(jìn)行開發(fā)試驗(yàn)質(zhì)量分析零件提供了研究思路。
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責(zé)任編輯鄭練
AStudyontheLoadingDatafortheDurabilityTestofVehiclePowertrainMount
ZHANG Ping1, WANG Haipei2, DUAN Xiaocheng3, YE Bijun3
(1.SAIC Motor Passenger Vehicle Co., Ltd., Shanghai 201804, China; 2.Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd., Shanghai 201201, China; 3.Ningbo Tuopu Group Inc., Ningbo 315800, China)
A certain vehicle powertrain mount system is taken as studying object to process and analyzing road load data, according to the pseudo damage to edit the loading data, we can accelerate durability test. By the iteration control technique test, the loading of the powertrain mount on the proving ground under different conditions in the rig reappears. Powertrain mount durability test is conducted with MAST test rig. The results show that the proposed method is effective for powertrain mount durability test.
mount, road simulation, iteration, data processing, durability test
U 463.33
:A
張平(1979-),男,工程師,主要從事汽車動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)及車架系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的研究。
2015-04-20