高麗莎

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)淺析

高麗莎

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

∶文章首先討論室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，隨后介紹了兩類道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括輪胎耦合試驗(yàn)系統(tǒng)、軸耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，并分析比較兩種試驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)分析了軸耦合道路模擬機(jī)的結(jié)構(gòu)以及單個自由度的對應(yīng)的功能。

∶道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)；輪胎耦合；軸耦合

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.063

CLC NO.: U467.1+1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-188-03

引言

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車走進(jìn)家家戶戶，成為人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂米铑l繁的大商品之一。耐久性試驗(yàn)是汽車在實(shí)車驗(yàn)證階段中最為重要的試驗(yàn)之一，其試驗(yàn)結(jié)果可檢驗(yàn)產(chǎn)品是否合格，同時可給后續(xù)的改進(jìn)工作提供依據(jù)，愈來愈受到制造商的關(guān)注。為了縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，快速獲取汽車耐久性、可靠性等性能參數(shù)，各大制造商紛紛采用室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。

1、研究現(xiàn)狀

室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)作為一種重要的耐久性試驗(yàn)方法始從上個世紀(jì)六十年代，是以電液伺服技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和快速傅里葉變換的應(yīng)用為基礎(chǔ)逐步發(fā)展起來的。

1962年美國 MTS 公司為通用汽車公司研制了世界上第一臺道路模擬臺，拉開了道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的序幕。1973年MTS公司的 Thomas.Phillip.Lentz 等發(fā)明了第一臺3-DOF軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺，可以實(shí)現(xiàn)橫向、縱向和垂直三個方向的加載試驗(yàn)；之后MTS公司又相繼研制出了4-DOF、5-DOF、6-DOF軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺；2004年MOOG為Volkswagen公司研制出了懸架測試軸耦合試驗(yàn)臺。1974 年，Henry A.Borg 發(fā)明了輪耦合振動臺。

相比于國外，我國的道路模擬試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的起步比較晚，直到 1975年由我國自行設(shè)計的第一臺液壓疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)誕生，標(biāo)志我國道路模擬試驗(yàn)技術(shù)研究的開始，此后我國的對道路模擬系統(tǒng)的研究主要是從國外引進(jìn)階段逐漸發(fā)展到國產(chǎn)化階段。我國目前對4通道輪耦合道路模擬試驗(yàn)臺的研究有一定成果，但是對軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺的研究較少。

2、室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)概述

道路模擬技術(shù)作為一種現(xiàn)代先進(jìn)的計算機(jī)及控制技術(shù)的產(chǎn)物，融合了數(shù)字計算機(jī)技術(shù)和電子液壓伺服等技術(shù)的最新發(fā)展，能在室內(nèi)通過一定的試驗(yàn)設(shè)備創(chuàng)造出與車輛在實(shí)際使用時一致的載荷環(huán)境，精確地再現(xiàn)汽車在實(shí)際使用工況下的各種運(yùn)動和受力情況，便于在室內(nèi)加速分析引起被測試車輛關(guān)鍵零部件疲勞損壞的原因，彌補(bǔ)了道路試驗(yàn)的許多不足之處，節(jié)省大量的人力、物力及時間。

在道路模擬試驗(yàn)中，一般包括以下四個步驟：

（1）通過6分力輪、應(yīng)變片、加速度傳感器以及位移傳感器等設(shè)備采集汽車在實(shí)際行駛工況下道路載荷譜，提取目標(biāo)響應(yīng)信號；

（2）通過白噪聲激勵獲取整個試驗(yàn)系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣和逆矩陣；

（3）由頻響函數(shù)矩陣和目標(biāo)信號生成初始的驅(qū)動信號，通過迭代計算逐步修正驅(qū)動信號，直到滿足精度要求，建立最終激勵信號文件；

（4）反復(fù)施加激勵信號進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。

3、道路模擬試驗(yàn)臺

道路模擬試驗(yàn)臺是進(jìn)行宰內(nèi)道路模擬試驗(yàn)的主要設(shè)備，主要制造廠商有：美國的MTS、英國的Servotest、美國的IST、日本的鸞宮等。道路模擬試驗(yàn)臺驅(qū)動器原動力有電動和液壓兩種類型。由于液壓式道路模擬振動試驗(yàn)臺成本低且性能優(yōu)良，因此應(yīng)用較為廣泛。對于采用液壓伺服技術(shù)的道路模擬振動臺來說，其本質(zhì)上是一套電液伺服系統(tǒng)，主要由液壓油源、電液伺服閥、液壓缸、加載桿系、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1　道路模擬振動臺的構(gòu)成

它的工作原理是：計算機(jī)發(fā)出驅(qū)動信號，經(jīng)過控制器進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換，分油器根據(jù)伺服信號向各作動器分配液壓油驅(qū)動臺架動作，同時回收臺架的運(yùn)動參數(shù)反饋信號，再通過控制器實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換，輸入到計算機(jī)中進(jìn)行分析和計算，如此形成閉環(huán)系統(tǒng)。

道路模擬試驗(yàn)臺按照與試驗(yàn)汽車的連接方式可以分為：輪胎耦合式和軸耦合式，如圖2、圖3。輪胎耦合式所能提供的激勵主要是垂向載荷；軸耦合式可以提供多向載荷（一般是六分力）。

圖2　輪胎耦合道路模擬臺

圖3　軸耦合道路模擬臺

3.1輪胎耦合道路模擬試驗(yàn)臺

輪耦合道路模擬臺是指在進(jìn)行試驗(yàn)時，將車輪輪胎置于作動器上的托盤上，輪胎與液壓伺服作動器直接連接的道路模擬臺。

在輪耦合道路模擬系統(tǒng)中，主要考察垂直方向的振動。一般每個軸頭需要一個垂直方向的作動器，所以通道數(shù)，即作動器數(shù)，等于軸數(shù)的兩倍。在道路模擬試驗(yàn)中，由汽車和道路模擬試驗(yàn)臺共同組成了道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，汽車作為系統(tǒng)的負(fù)載道路模擬系統(tǒng)是一個具有多自由度負(fù)載的電液伺服系統(tǒng)，由伺服控制元件、作動器和汽車組成的液壓動力機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性很大程度上決定著整個系統(tǒng)的性能。

圖4為道路模擬臺單通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。單通道道路模擬試驗(yàn)臺僅能模擬零部件某個方向的運(yùn)動和受力情況，但可與多通道試驗(yàn)臺聯(lián)合作用，對車輛整車及其零部件進(jìn)行性能試驗(yàn)。

圖4　道路模擬臺單通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

3.2軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺

軸耦合道路模臺是指在進(jìn)行迭代試驗(yàn)時，將輪胎卸下，把汽車的軸頭與作動器上直接相連的道路模擬試驗(yàn)臺。

輪耦合道路模擬臺的液壓作動器只在垂直方向上激勵，而軸耦合式道路模擬臺的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，臺體本身是一個多自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可以模擬汽車在行駛過程中受到的 6 個自由度的激勵。軸耦合試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)簡圖，如圖5。

圖5　軸耦合試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)簡圖

將坐標(biāo)系0-XYZ建立在平臺中心，不隨平臺運(yùn)動。S表示球鉸接，U代表十字鉸接，R表示轉(zhuǎn)動副。

以下為6個自由度對應(yīng)的功能及桿系運(yùn)動。

（1）X軸平移，桿系4、5、6同向運(yùn)動，側(cè)向施加作用力；

（2）Y軸平移，桿系1運(yùn)動，縱向施加作用力；

（3）Z軸平移，桿系3運(yùn)動，垂直方向施加作用力；

以上三個自由度能夠?qū)崿F(xiàn)汽車在粗糙路面上正常行駛。X軸方向的作用力模擬汽車輪胎受的側(cè)向力，Y軸作用力模擬地面對輪胎的驅(qū)動力與行駛阻力不平衡的量，Z軸作用力模擬地面對輪胎的支持力。

（4）繞X軸運(yùn)動，桿系2運(yùn)動，模擬汽車制動和加速；

（5）繞Y軸運(yùn)動，桿系5運(yùn)動，模擬外傾；

（6）繞Z軸運(yùn)動，桿系4、6反向運(yùn)動，模擬轉(zhuǎn)向。

最典型的軸耦合道路模擬機(jī)是MTS公司329型6DOF系統(tǒng)，在道路模擬測試中，可以在每個角對包括垂直、側(cè)向、縱向、制動/驅(qū)動扭矩、外傾力矩、轉(zhuǎn)向力矩、轉(zhuǎn)向位移、轉(zhuǎn)向盤位移力和力矩進(jìn)行六自由度控制。不同于其他測試方案供應(yīng)商使用相同的、運(yùn)動上相互干涉的六個作動器，329 型6DOF 系統(tǒng)安裝了經(jīng)過優(yōu)化的獨(dú)立運(yùn)動的作動器，從而向各個特定的車軸施加輸入。

3.3輪耦合與軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺對比

輪耦合道路模擬臺與軸耦合道路模擬臺在價格、結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用上存在很大不同：

（1）輪胎耦合道路模擬試驗(yàn)臺

優(yōu)點(diǎn)：由于結(jié)構(gòu)原理簡單，所以安裝、操作簡便，所需動力較少、試驗(yàn)周期短，價格較便宜；

缺點(diǎn)：輪胎在車輪座上由于振動而產(chǎn)生滑移、使多通道加載困難，一般只采用垂直加載的方法。

（2）軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺

優(yōu)點(diǎn)：能完整重現(xiàn)了所有多軸車軸載荷，從而實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加完整、準(zhǔn)確可靠；對于復(fù)雜動態(tài)的非線性事件，可提供更加有效的控制；

缺點(diǎn)：因?yàn)樵囼?yàn)時要同時進(jìn)行多通道的模擬，所以結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)操作比較復(fù)雜；價格較昂貴。

4、結(jié)論及展望

（1）室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)具有準(zhǔn)確、高效、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，不受環(huán)境、道路、氣候等影響，既比傳統(tǒng)試驗(yàn)場試驗(yàn)簡單高效，又比CAE試驗(yàn)方法更加接近真實(shí)情況，已成為汽車研發(fā)及下線檢測中必不可少的試驗(yàn)手段；

（2）分析輪耦合、軸耦合道路模擬臺的優(yōu)點(diǎn)及不足，輪耦合主要用在下線檢測，軸耦合的應(yīng)用則不限于車身，還可以進(jìn)行零部件的疲勞分析，主要應(yīng)用在設(shè)計的初始階段；

（3）縱觀道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展，硬件方面軸耦合道路試驗(yàn)?zāi)M臺越來越接近汽車在道路上行駛的實(shí)際情況，下一步應(yīng)該要在保證測試精確度的情況下簡化機(jī)構(gòu)、降低成本，開發(fā)更多功能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，對汽車各方面性能的分析不局限于整車而能精確到汽車每一子系統(tǒng)。

[1] 韓玉明.車輛軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺運(yùn)動學(xué)分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.

[2] 張鶴.AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)多通道道路模擬試驗(yàn)研究[D].重慶理工大學(xué),2013.

[3] 張冠中.6-DOF軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺運(yùn)動學(xué)研究及結(jié)構(gòu)參數(shù)分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[4] 譙凱.DCT多通道道路模擬試驗(yàn)方法研究[D].重慶理工大學(xué),2014.

[5] 王繼龍.軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺逆動力學(xué)及輸出力控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

[6] 汪斌.道路模擬試驗(yàn)臺路面不平度再現(xiàn)方法研究[D].武漢理工大學(xué),2010.

Analysis of Road Simulation Test System

Gao Lisha
（Wuhan University of Technology College of Automotive Engineering, Hubei Wuhan 430070）

Firstly,this article discuss the laboratory road simulation test development status at home and abroad, then introduces two kinds of road simulation test system, including tyre coupling experiment system and shaft coupling system, and compared the advantages and disadvantages of two kinds of test system, focusing on the analysis of the structure of shaft coupling road simulator and the function of a single degree of freedom.

Road simulation test bench; Tyre coupling; Shaft coupling

∶U467.1+1

∶A

∶1671-7988 (2016)09-188-03

高麗莎（1993—）女，研究生，就讀于武漢理工大學(xué)。