鄒喜紅，周玉軍，袁冬梅，王耀偉

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

汽車驅(qū)動橋多軸道路模擬試驗裝置設(shè)計研究*

鄒喜紅，周玉軍，袁冬梅，王耀偉

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

驅(qū)動橋作為汽車最為重要的零部件之一，其可靠性對整車的可靠性有著至關(guān)重要的影響。文章在分析驅(qū)動橋在實際道路上行駛時所受到的載荷及約束的基礎(chǔ)上，結(jié)合某車橋廠商的驅(qū)動橋總成，利用MTS公司液壓伺服作動器和控制系統(tǒng)，設(shè)計了一套驅(qū)動橋多軸道路模擬試驗裝置，對試驗裝置的導(dǎo)軌組件、主減速器和半軸的夾具等關(guān)鍵零部件進行了詳細設(shè)計，利用UG建立試驗臺架的三維模型，并利用有限元軟件hyperworks對重要構(gòu)件進行了強度分析和模態(tài)分析，利用多體動力學(xué)軟件ADAMS對系統(tǒng)進行了運動可行性分析，研究顯示該裝置具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，可以較好模擬了驅(qū)動橋的約束和所受載荷情況，從而為汽車驅(qū)動橋試驗提供一套實用有效的裝置。

驅(qū)動橋；多軸道路模擬；遠程參數(shù)控制；試驗裝置

0 引言

車輛在行駛過程中所遇到的道路環(huán)境是千變?nèi)f化的，不僅承受來自于路面和車架之間的鉛垂力(簧載質(zhì)量的作用力和車輪的支撐反力)，而且要承受縱向力(如驅(qū)動力和制動力)及橫向力(如當(dāng)轉(zhuǎn)彎、側(cè)滑及在橫向坡道上行駛時所產(chǎn)生的橫向力)，以及來自路面的沖擊載荷和由于車身振動帶來的附加動載荷，所以驅(qū)動橋服役環(huán)境極其惡劣，其可靠性直接影響著整車的可靠性[1]。相關(guān)研究表明，驅(qū)動橋最主要的失效形式是疲勞破壞，因此對驅(qū)動橋進行疲勞強度以及可靠性試驗的相關(guān)研究是非常必要的[2]。文獻[3]設(shè)計了一種4m直徑的重型汽車大轉(zhuǎn)鼓道路模擬試驗臺，該方法通過在大轉(zhuǎn)鼓表明安裝高程凸塊模擬低級等級路面的不平特征，利用油氣懸架產(chǎn)生垂直運動模擬驅(qū)動橋受到的垂直的載荷[3]。文獻[4]利用電液伺服系統(tǒng)設(shè)計了驅(qū)動橋彎曲疲勞試驗臺，該方法按照幅值為軸荷的2.5倍頻率為5Hz的正弦信號進行加載的驅(qū)動橋試驗臺[4]。文獻[5]通過在驅(qū)動橋橋殼的兩板簧座處施加幅值為軸荷的2.5倍的恒幅值載荷研究了驅(qū)動橋壽命[5]。通過研究目前驅(qū)動橋試驗的相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動橋試驗主要是采用施加單軸的脈動、正弦力的方式，與驅(qū)動橋在實際路況所受的多軸動態(tài)應(yīng)力不相符，容易造成過試驗和欠試驗。因此對汽車驅(qū)動橋進行多軸道路模擬試驗的研究是有必要的，本文設(shè)計了驅(qū)動橋多軸道路模擬試驗系統(tǒng),詳細設(shè)計了試驗臺架的關(guān)鍵零部件，并對系統(tǒng)關(guān)鍵零部件進行了仿真分析，從而為驅(qū)動橋臺架試驗提供了一種新思路。

1 RPC道路模擬試驗及其基本理論

道路模擬試驗就是在實驗室內(nèi)復(fù)現(xiàn)車輛及其相關(guān)零部件在實際道路上所受到的載荷，進而進行相關(guān)部件的耐久性及可靠性試驗。1974年，美國的MTS公司研制成功RPC道路模擬試驗技術(shù)，這是世界上最為先進的道路模擬試驗技術(shù)[6]。

RPC模擬迭代的基本原理是以汽車在實際路面上行駛時實測的載荷信號作為模擬試驗的期望響應(yīng)信號，該目標(biāo)信號在臺架試驗臺上經(jīng)過RPC軟件迭代計算處理之后，可以形成一個作動器驅(qū)動信號供模擬試驗用，經(jīng)過調(diào)節(jié)、放大后利用伺服控制閥控制作動器的運動，同時作動器通過力傳感器和位移傳感器將反饋的信號進行比較和控制，構(gòu)成一個閉環(huán)PIDF控制回路，以實現(xiàn)目標(biāo)波形再現(xiàn)控制[7]。其主要步驟為：

(1)首先運用RPC軟件生成寬帶數(shù)字白噪聲力信號a1(t)和位移信號a2(t)分別作為水平作動器和垂直作動器的輸入，同時采集回收兩個迭代測點響應(yīng)信號b1(t)和b2(t)，根據(jù)式(1)求解系統(tǒng)的頻響函數(shù)H(f)：

(1)

SAB(f)為輸入與輸出的互功率譜；SAA(f)為輸入的自功率譜。

用編輯好的目標(biāo)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(2)、公式(3)求取初始激勵。

A(0)(f)=H-1(f)B(d)(f)

(2)

a(0)(t)=IFFT[A(0)(f)]

(3)

H-1(f)為H(f)的逆矩陣，B(d)(f)為期望響應(yīng)信號b(d)(t)的傅里葉變換；a(0)(t)為初始驅(qū)動信號，A(0)(f)為初始驅(qū)動信號a(0)(t)的傅里葉變換。

(2)以初始驅(qū)動信號為輸入，同時采集各輸出的響應(yīng)信號，用式(4)～式(7)計算期望響應(yīng)信號與實際輸出的響應(yīng)信號之間的時域誤差和頻域誤差，以及平均誤差，用式(8)、式(9)計算誤差對應(yīng)的輸入信號修正量：

et(t)=b(d)(t)-b(0)(t)

(4)

Ef(f)=B(d)(f)-B(0)(f)

(5)

ef(t)=IFFT[Ef(f)]

(6)

e(t)=0.5et(t)+0.5ef(t)

(7)

Ae(f)=H-1(f)E(f)

(8)

ae(t)=IFFT[Ae(f)]

(9)

b(0)(t)為初始驅(qū)動信號輸入下系統(tǒng)的輸出；et(t)為時域誤差響應(yīng)信號。

(3)根據(jù)得到的響應(yīng)誤差對應(yīng)的輸入信號對系統(tǒng)輸入進行修正，得到的修正輸入信號為：

a(1)(t)=a(0)(t)+δ·ae(t)

(10)

式中：δ為衰減系數(shù)。以修正輸入信號a(1)(t)作為輸入，不斷重復(fù)前面的過程進行模擬迭代，當(dāng)誤差小于10%時，記錄最終輸入信號，建立驅(qū)動信號文件。

2 總體方案設(shè)計

2.1 受力分析

驅(qū)動橋總成是懸置的基體，其結(jié)構(gòu)受力圖見圖1所示，板簧座承受著車身、人和物的重量，水平方向承受著慣性力以及路面沖擊力[8]，要能真實復(fù)現(xiàn)驅(qū)動橋在實際路面上的受力情況，必須采用多軸激勵的方式。

1、2.板簧座處受力 3、4.法蘭盤處受力圖1 驅(qū)動橋受力分析圖

2.2 加載點的選擇

驅(qū)動橋所受的載荷主要來源于：①乘員、貨物及車身等簧載質(zhì)量由于自身重力及慣性力引起的垂直方向的載荷；②汽車由于加減速產(chǎn)生的水平方向的慣性力以及由于路面不平產(chǎn)生水平方向的載荷。垂直方向加載位置分別位于兩個板簧座模擬車身動態(tài)應(yīng)力。水平方向加載位置選擇的是主減速器傳動軸法蘭，模擬水平方向沖擊力。

2.3 約束點的選擇

約束點的主要作用是固定安裝驅(qū)動橋總成，在保證一定的剛度強度的前提下，使整個試驗臺架不發(fā)生運動干涉，從而使整個試驗對象按照一定的軌跡進行往復(fù)運動。所選的約束點還需和驅(qū)動橋在實際道路上運動約束一致，因此驅(qū)動橋的左右兩端通過半軸的法蘭盤固定到設(shè)計好的支座上，而支座通過螺栓和帶有溝槽結(jié)構(gòu)的底板相連接。而驅(qū)動橋另外一個約束則由設(shè)計好的二號連接板與差速器半軸的法蘭盤提供，二號連接板通過螺栓組與導(dǎo)軌組件上的滑塊相連接。

利用大型三維建模軟件完成試驗臺架各個關(guān)鍵零部件建立，并且按照各自的裝配關(guān)系進行模型裝配，其中龍門架、水平作動器和驅(qū)動橋兩端的支座與帶有T型溝槽的安裝基座通過螺栓固定，作動器與龍門架鉸鏈，結(jié)合實驗室現(xiàn)有的試驗條件以及加載點和約束點的選擇情況，試驗系統(tǒng)的整體方案布置見圖2。

1.安裝基座 2.水平作動器后支座 3.水平作動器 4.導(dǎo)軌 5.滑塊 6.主減速器半軸安裝支座 7.差速器半軸安裝支座 8.龍門架 9.垂直作動器及龍門架 10驅(qū)動橋總成

圖2 試驗裝置的三維模型

2.4 試驗臺基本工作原理

該試驗系統(tǒng)采用的多軸向多激勵的方式，其基本原理是：給水平作動器1、和兩個垂直作動器7施加初始驅(qū)動信號，同時相應(yīng)的載荷信號傳遞路線如圖3中箭頭所示：傳感器—數(shù)采—控制器—計算器，電腦將反饋回的信號和在實際路面上采集得的期望響應(yīng)信號進行比較，通過遠程參數(shù)控制(RPC)技術(shù),來不斷修正初始驅(qū)動信號，最終使得傳感器采集回的信號與期望響應(yīng)信號在允許誤差內(nèi)，從而得到各個作動器的最終的驅(qū)動信號。

1.后支座 2.水平MTS 液壓作動器 3.導(dǎo)軌 4.半軸法蘭盤支座5.滑塊組 6.傳感器 7.垂直MTS液壓作動器

圖3 試驗裝置原理示意圖

3 關(guān)鍵零部件設(shè)計

道路模擬試驗關(guān)鍵零部件的設(shè)計對整個裝置的性能有著至關(guān)重要的重要，因此對這些部件要進行重點設(shè)計。首先在尺寸上要盡量保證驅(qū)動橋在臺架上高度與實車一致，同時也要考慮各個部件之間運動關(guān)系防止耦合，盡量解耦防止運動干涉，其次是保證各個連接件要有較大剛度強度，最后要保證系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件的固有頻率遠離激勵頻率段，避免共振造成系統(tǒng)失穩(wěn)。試驗臺架關(guān)鍵零部件設(shè)計，主要是指工裝夾具的設(shè)計及設(shè)備的選型，主要包括：①作動器選型 ②導(dǎo)軌設(shè)計選型 ③工裝夾具設(shè)計3個部分。

3.1 作動器選型

表1為實驗室購買的MTS液壓伺服作動器型號和相關(guān)參數(shù)，由于驅(qū)動橋所受水平軸向沖擊不大，而垂直軸向沖擊較大。綜合考慮，水平作動器選擇244.12系列，垂直作動器選擇244.21系列，其三維圖形如圖4、圖5所示。

圖4 垂直作動器 圖5 水平作動器

型號/系列穩(wěn)定動態(tài)力額定值沖程長度額定流量重量最小長度桿直徑224．12A/B25kN250mm340升/分30kg852mm44．5mm224．21A/B50kN250mm340升/分52．6kg850mm69．9mm

3.2 導(dǎo)軌設(shè)計選型

導(dǎo)軌組件主要用來保證水平作動器能夠沿著一個固定的運動軌跡對驅(qū)動橋水平往復(fù)加載，模擬車輛在加速、制動受到的慣性力以及由于路面不平引起的沖擊力，從而實現(xiàn)車驅(qū)動橋的水平運動自由度及受載。在充分的考慮了使用條件、可靠性、負(fù)載能力、加載頻率、導(dǎo)軌運行速度等因素，本文設(shè)計選用直線工字截面滑塊導(dǎo)軌以滿足試驗需求，導(dǎo)軌組件由導(dǎo)軌和滑塊組成，如圖6所示。

圖6 導(dǎo)軌組件

3.3 工裝夾具設(shè)計

3.3.1 水平作動器支座設(shè)計

水平作動器支座要承受較大的水平方向的力，因此為了保證足夠的剛強度，底板為的鋼板通過型號為M24的螺栓組與基座的T型槽相連，側(cè)板鋼板通過型號為M12的螺栓組與水平作動器相連，側(cè)板后用兩處加強筋進行加固，設(shè)計圖如圖7所示。

圖7 水平作動器安裝底座

3.3.2 主減速器傳動軸連接板設(shè)計

該部件用來連接主減速器傳動軸的法蘭盤和滑塊，實現(xiàn)將水平作動器的水平?jīng)_擊力順利傳遞到驅(qū)動橋，為了保證足夠的強度，用12個型號為M12的螺栓組與滑塊固定，可以承受較大的剪應(yīng)力，同時側(cè)板通過4個M12的螺栓組合法蘭盤相連，可以承受充足的軸向拉應(yīng)力，同時底板和側(cè)板用加強筋加固，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 主減速器傳動軸前支座

3.3.3 差速器半軸支座設(shè)計

支座要承受來自于作動器對車橋板簧處垂直方向的加載，所受動載較大，為了保證可靠性，底座為足夠厚度的鋼板，通過螺栓與基座固定，側(cè)面通過螺栓組與法蘭盤連接，側(cè)板與底板之間同樣用加強筋進行穩(wěn)固，設(shè)計圖如圖9所示。

圖9 半軸支座

4 試驗臺架方案可行性分析

完成試驗系統(tǒng)的方案設(shè)計以后，需要對設(shè)計方案進行可行性驗證，以指導(dǎo)試驗臺架的優(yōu)化設(shè)計。試驗臺架可行性分析主要考慮關(guān)鍵夾具的穩(wěn)定性和強度分析，即在保證足夠強度的同時，避免系統(tǒng)的共振，同時保證系統(tǒng)在運動學(xué)上的可行性。

4.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

為了保證系統(tǒng)具有好的穩(wěn)定性，就要保證各個夾具的固有頻率遠離作動器的激勵頻率，防止系統(tǒng)產(chǎn)生共振而失穩(wěn)。本試驗夾具構(gòu)件多采用力學(xué)性能良好的45號鋼板加工而成，相關(guān)性能參數(shù)如表2所示。

表2 45鋼相關(guān)性能參數(shù)

結(jié)合相關(guān)實踐經(jīng)驗，所設(shè)計的夾具一階固有頻率應(yīng)避開0～50Hz的道路載荷激勵頻帶，以避免夾具共振失效[9-10]。將建好的各個夾具的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件Hypermesh中進行模型的預(yù)處理和網(wǎng)格劃分，利用求解器RADIOSS求解相應(yīng)的模態(tài)，由于結(jié)構(gòu)的前六階模態(tài)為剛性模態(tài)，故結(jié)構(gòu)件的模態(tài)應(yīng)從第七階開始計算固有頻率。圖10各個結(jié)構(gòu)件第7階的模態(tài)振型。表3為相應(yīng)振型所對應(yīng)的固有頻率，其中一階固有頻率最小的是半軸支座，為245Hz,遠高于道路載荷激勵頻率的100Hz，可有效規(guī)避共振失效,故該試驗系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

(a)滑塊 (b)水平作動器后支座

(c)主減后支座 (d)半軸支座圖10 構(gòu)件的模態(tài)振型

構(gòu)件滑塊基座連接板1連接板2頻率5．91E+026．41E+024．58E+022．45E+02

4.2 系統(tǒng)強度分析

為了保證系統(tǒng)運行可靠，除了避免共振，還必須保證各個關(guān)鍵零部件具有足夠的強度，載荷由作動器-板簧座-左右車輪兩端及前端的法蘭盤-螺栓-相應(yīng)的裝夾部件，依據(jù)圣維南原理，應(yīng)將各個構(gòu)件上的靜力分布負(fù)載用等效集中載荷來替換。按照某企業(yè)推薦試驗標(biāo)準(zhǔn)，將在板簧處施加垂直滿載軸荷的2.5倍，水平載荷為2.5倍，由于該型車的滿載垂直軸荷為13000N，水平載荷為4000N,對建立的試驗系統(tǒng)關(guān)鍵零部件添加相關(guān)的載荷和約束信息，利用RADIOSS軟件求解結(jié)果如下圖11為對應(yīng)構(gòu)件的強度分析結(jié)果，結(jié)果顯示載荷在連接板2加強筋與側(cè)板的連接處引起了較大的應(yīng)力集中，應(yīng)力值為38.12MP,最大應(yīng)力值遠遠低于材料的屈服強度335MP，要較大富余。

(a)滑塊 (b)水平作動器后支座

(c)主減后支座 (d)半軸支座圖11 構(gòu)件的靜強度分析

4.3 系統(tǒng)動力學(xué)分析

將試驗臺架的三維模型導(dǎo)入ADAMS中定義材料屬性添加了相關(guān)約束建立了其多剛體動力學(xué)模型，將橋殼的模態(tài)中性文件導(dǎo)入ADAMS得到了試驗臺架得剛?cè)狁詈夏Ｐ鸵妶D12。

圖12 臺架剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

由于驅(qū)動橋的兩端及前端固定，驅(qū)動橋橋殼不能有較大的變形，所以垂直作動器和水平作動器都采用力控制，分別添加簡單力信號仿真，檢查試驗臺架有無仿真失效。添加的驅(qū)動信號及其參數(shù)如表4所示。由于驅(qū)動橋在垂直方向受力遠大于水平方向的受力，因此采用不同的幅值加載，驅(qū)動信號頻率為50Hz，用以驗證加載頻率特性要求。

表4 仿真信號

仿真設(shè)置作動器活塞桿頂端與支座鉸接點。

設(shè)置測量Marker點，時間為5s，仿真步數(shù)為50；圖13和圖14為對應(yīng)簡單驅(qū)動信號測點虛擬仿真結(jié)果。

圖13 水平作動器測點信號

圖14 垂直作動器測點信號

仿真結(jié)果表明，試驗臺架剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真分析模型在給定信號的驅(qū)動下，能夠按照給定驅(qū)動信號進行運動，且運行軌跡良好，無任何運動耦合或干涉失效，表明所設(shè)計的驅(qū)動橋試驗臺架方案是可行的。

5 結(jié)論

本文通過分析驅(qū)動橋在實際路面上的受力情況，確定了約束和加載方案，設(shè)計了基于MTS液壓系統(tǒng)和RPC技術(shù)的驅(qū)動橋多軸道路模擬試驗裝置，并利用三維軟件完成了關(guān)鍵零部件及試驗臺架系統(tǒng)模型的建立，通過對關(guān)鍵運動部件的模態(tài)分析和強度分析保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對試驗系統(tǒng)進行基于力控制的多剛體動力學(xué)分析，表明該裝置是可行的，為驅(qū)動橋可靠性試驗提供了一套有效的試驗裝置。

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(編輯 李秀敏)

Design and Study of Multi Axle Road Simulation Test Apparatus for Automobile Driving Axle

ZOU Xi-hong，ZHOU Yu-jun，YUAN Dong-mei，WANG Yao-wei

(Key Laboratory of Manufacture and Test Techniques for Automobile Parts，Ministry of Education ,Chongqing University of Technology，Chongqing 400054,China)

As one of the most important parts of automobile, the reliability of the drive axle has a great effect on the vehicle. stress analysis was done based on the practical road condition in this paper, Then a test apparatus for driving axle was designed based on MTS hydraulic servo actuator and control system, a detailed design for the critical parts was provided . the three-dimensional model of the test bench was done by UG, the strength analysis and modal analysis were done by HyperWorks，feasibility analysis of test bench was done by ADAMS. The simulation results show that the device could simulate the constraints and loads of driving axle in Actual pavement, finally a set of practical and effective device for Driving axle was provided.

driving axle;road simulation; remote parameter control;test apparatus

1001-2265(2017)01-0123-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.034

2016-09-13；

2016-10-11

國家自然科學(xué)基金( 51205432)；國家科技支撐計劃( 2012BAH32F01)；重慶市教育委員會科學(xué)技術(shù)研究項目(KJ1400931)

鄒喜紅(1976—)，男，重慶墊江人，重慶理工大學(xué)教授，工學(xué)博士，研究方向為車輛及其零部件道路模擬試驗技術(shù)，(E-mail)18725985200@163.com；通訊作者：周玉軍(1989—)，男，重慶江津人，重慶理工大學(xué)碩士研究生，研究方向為汽車測試及其CAE技術(shù)，(E-mail)xujunchao520jun@163.com。

TH122;TG506

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