范 璐，李晨陽，吳佳巍，趙尤蕾，何 海，吳 偉

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

前言

大多數(shù)車輛零件的失效形式為疲勞破壞，因此疲勞耐久試驗是整車開發(fā)流程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。試驗室模擬技術(shù)以其試驗時間短、高重復(fù)度等優(yōu)勢，吸引了各大整車廠和高校紛紛投資建設(shè)。

許多車型在運(yùn)輸過程中均發(fā)生過零件失效問題，因此運(yùn)輸過程中的零件失效問題不容忽視。過去幾十年間，學(xué)者們主要關(guān)注于室內(nèi)道路模擬試驗[1－3]，但對室內(nèi)運(yùn)輸模擬試驗研究甚少。運(yùn)輸模擬試驗可在項目開發(fā)的前期快速發(fā)現(xiàn)車輛零件在運(yùn)輸過程中的疲勞失效問題，主要包括零件干涉磨損、排氣管吊耳脫出和扭力梁開裂等。此類失效不能通過道路模擬試驗復(fù)現(xiàn)。運(yùn)輸模擬試驗分為汽車托運(yùn)平板車輛(公路)運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸和水路運(yùn)輸?shù)饶M試驗。通用汽車公司北美試驗室建造了兩臺標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)輸模擬試驗臺架，一臺用于汽車托運(yùn)平板車輛運(yùn)輸模擬，另一臺用于鐵路和水路運(yùn)輸模擬。福特公司開發(fā)了鐵路運(yùn)輸仿真模型，并在福特工程研究中心建成了鐵路運(yùn)輸模擬試驗臺架[4－5]?？巳R斯勒公司和溫莎大學(xué)也具有鐵路運(yùn)輸模擬試驗的能力[6]。從國內(nèi)而言，70%以上的車輛運(yùn)輸方式都是汽車托運(yùn)平板車輛運(yùn)輸，因此研究汽車托運(yùn)平板車輛運(yùn)輸模擬試驗的意義重大。

本文中探索出了一套完整的汽車托運(yùn)平板車輛模擬試驗方法，并在MTS329設(shè)備上進(jìn)行改造，加裝運(yùn)輸模擬平板，建成國內(nèi)首個汽車托運(yùn)平板車輛模擬試驗臺架。從數(shù)據(jù)采集到耐久試驗，探討了該模擬試驗方法，通過實車試驗的結(jié)果驗證了汽車托運(yùn)平板車輛模擬試驗方法的有效性。

1 信號采集

運(yùn)輸模擬試驗主要包括汽車托運(yùn)平板車輛運(yùn)輸信號采集、信號編輯處理和實車試驗等。通過對運(yùn)輸平板加速度信號進(jìn)行迭代，模擬復(fù)現(xiàn)出運(yùn)輸平板的運(yùn)動。利用臺架試驗重復(fù)性好、精度高和不受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，能在短時間內(nèi)快速發(fā)現(xiàn)零件失效問題。

汽車托運(yùn)平板車輛運(yùn)輸信號采集所選的路線需足夠多，且能充分反映我國運(yùn)輸路面。結(jié)合上汽通用4大生產(chǎn)基地和6大倉儲中心的現(xiàn)狀，從中選取車輛運(yùn)輸最為頻繁的14條路線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這14條路線的基本情況見表1。為了最嚴(yán)苛地考核車輛零部件在汽車托運(yùn)平板車輛運(yùn)輸過程中的疲勞耐久性，選擇運(yùn)動最劇烈的上層平板最后排一輛車作為考核對象，采集該處運(yùn)輸平板的加速度信號，用于后續(xù)臺架試驗迭代。

表1 運(yùn)輸路線匯總

為準(zhǔn)確地反映平板的運(yùn)動狀態(tài)，安裝4個三向加速度傳感器，分別位于車輛的左前方、右前方、左后方和右后方，共采集12個通道的加速度信號。傳感器安裝位置的俯視圖如圖1所示，其中A表示前后傳感器的間距；B表示左右傳感器的間距。

2 信號處理

信號處理流程如圖2所示。

圖1 傳感器位置圖

圖2 信號處理流程圖

直接由運(yùn)輸平板上加速度傳感器所測得的信號稱為原始信號。根據(jù)原始信號頻譜分析，運(yùn)輸模擬試驗只關(guān)心10Hz以下的低頻信號，為除去干擾信號，需要對原始信號進(jìn)行濾波處理。信號采集的樣本點(diǎn)有14條路線，而每條路線中由于受運(yùn)輸平板開槽位置的影響，加速度傳感器安裝間距A值和B值無法統(tǒng)一，因此需要通過加速度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一所有線路的A值和B值。轉(zhuǎn)換后，A值為3.2m，B值為2.1m。轉(zhuǎn)化后的加速度信號稱為基準(zhǔn)信號。

為縮短耐久試驗時間，根據(jù)加速度信號各幀最大方差值和最大絕對值設(shè)定閾值，剔除能量貢獻(xiàn)量較小的信號，保留下來的信號稱為編輯信號。對基準(zhǔn)信號共14個樣本點(diǎn)進(jìn)行穿級計數(shù)，歸一化至1 000km同等里程后，根據(jù)正態(tài)分布算出其95%分位線。編輯信號的統(tǒng)計特征，即其穿級計數(shù)須與基準(zhǔn)信號的95%分位線一致。以各樣本點(diǎn)編輯信號的循環(huán)次數(shù)為未知數(shù)，編程匹配基準(zhǔn)信號95%分位線。匹配效果見圖3～圖5，由于信號較多，一共有12個加速度通道，這里只截取部分通道展示。前面已經(jīng)剔除了能量貢獻(xiàn)量較小的信號，所以在小幅值區(qū)域編輯信號的計數(shù)小于基準(zhǔn)信號。

圖3 左前縱向加速度匹配效果圖

圖4 左前側(cè)向加速度匹配效果圖

圖5 左前垂向加速度匹配效果圖

3 試驗臺架搭建

汽車托運(yùn)平板車輛運(yùn)輸模擬試驗臺架是在MTS329設(shè)備基礎(chǔ)上，拆除制動部件的連接，加裝運(yùn)輸模擬平板，重新編輯臺架控制模式而搭建的。在運(yùn)輸模擬平板的指定位置分別安裝4個三向加速度傳感器用于試驗迭代，其A值和B值分別與第2節(jié)中轉(zhuǎn)換后的A值和B值一致。

臺架控制的難點(diǎn)在于既要模擬出平板的真實運(yùn)動姿態(tài)，又要保證運(yùn)輸模擬平板的內(nèi)力不能過大，防止平板開裂。因此在設(shè)置臺架控制模式時，必須同時考慮液壓缸的位移和力的控制。試驗臺架一共有12個驅(qū)動，具體說明見表2。

表2 運(yùn)輸模擬試驗臺架驅(qū)動

試驗臺架如圖6所示。試驗時，車輛通過專用綁帶固定在運(yùn)輸模擬平板上。為增加綁帶的摩擦力，防止試驗過程中與車輪脫離，需在綁帶與車輪之間增加特制的橡膠塊。

圖6 試驗臺架

4 實車試驗

實車試驗主要分為模型辨識、信號迭代和耐久試驗3個部分。

4.1 模型辨識

運(yùn)輸模擬試驗系統(tǒng)模型包含試驗車輛、運(yùn)輸模擬平板、液壓缸、控制器和傳感器等。模型辨識采用頻率響應(yīng)函數(shù)法，即給定一個白噪聲激勵信號，測出臺架系統(tǒng)由此產(chǎn)生的響應(yīng)信號，再通過式(1)求出系統(tǒng)模型。

式中:H(f)為系統(tǒng)模型；Gyx(f)為響應(yīng)信號和激勵信號的互功率譜；Gxx(f)為激勵信號的自功率譜。

4.2 信號迭代

信號迭代的目的是得到液壓缸的驅(qū)動信號，使臺架的運(yùn)輸模擬平板在此驅(qū)動信號的激勵下所產(chǎn)生的加速度響應(yīng)與實際數(shù)采時的響應(yīng)一致。

如果整個系統(tǒng)是線性的，則此驅(qū)動可通過式(2)得到。

式中:X(f)為驅(qū)動信號譜函數(shù)；Y(f)為目標(biāo)響應(yīng)信號譜函數(shù)。

但真實的運(yùn)輸模擬試驗系統(tǒng)是非線性的，故須通過迭代的方法，逐步使系統(tǒng)響應(yīng)信號與迭代目標(biāo)信號一致。迭代的過程如圖7所示。

圖7 迭代流程圖

通常迭代質(zhì)量評價指標(biāo)包括響應(yīng)信號均方根值誤差、相對能量對比、幅值對比和功率譜密度對比等。均方根值誤差表示各通道的收斂情況，其計算公式為

式中:ε為均方根值誤差；RMS(yr(t))為響應(yīng)信號均方根值；RMS(yd(t))為迭代目標(biāo)信號均方根值。

應(yīng)用MTS公司的RPC軟件[7]對運(yùn)輸模擬試驗系統(tǒng)進(jìn)行迭代，取得了很好的迭代效果。圖8為迭代的均方根值誤差結(jié)果。由圖8可見，隨著迭代步數(shù)的增加，時域上系統(tǒng)響應(yīng)信號與迭代目標(biāo)信號越來越接近，均方根值誤差越來越小。

圖8 均方根值誤差

相對能量的計算公式為

式中:E為相對能量；a(t)為加速度信號。表3對比了系統(tǒng)垂向最終響應(yīng)信號的相對能量和迭代目標(biāo)信號的相對能量，相對能量比滿足迭代要求。

表3 信號能量對比

圖9～圖12為迭代前后垂向加速度功率譜密度對比。由圖可見，頻域上系統(tǒng)最終響應(yīng)信號的功率譜密度曲線與迭代目標(biāo)信號的功率譜密度曲線非常接近。由于運(yùn)輸模擬的主要振動方向為垂向，鑒于篇幅限制，這里僅選取垂向功率譜密度信號對比。

從以上幾個迭代質(zhì)量評價指標(biāo)來看，迭代結(jié)果滿足要求。

圖9 左前垂向加速度功率譜密度對比

圖10 右前垂向加速度功率譜密度對比

圖11 左后垂向加速度功率譜密度對比

4.3 耐久試驗

圖12 右后垂向加速度功率譜密度對比

得到滿意的驅(qū)動信號后便可開始耐久試驗。分別算出基準(zhǔn)信號95%分位的能量和迭代最終響應(yīng)信號的能量，其比值即為耐久試驗的循環(huán)次數(shù)。由于各通道的比值略有差別，這里選取各通道比值的算術(shù)平均值作為最終耐久試驗的循環(huán)次數(shù)。

耐久試驗結(jié)束后，檢查車輛零件，發(fā)現(xiàn)排氣管吊耳襯套磨損，與實際運(yùn)輸過程中零件的失效形式一致，證明了試驗方法的有效性。

5 結(jié)論

總結(jié)了汽車托運(yùn)平板車輛模擬試驗數(shù)據(jù)的采集與編輯處理流程，論述了完整的臺架試驗方法。與國外造價昂貴的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)輸模擬試驗臺架相比，該運(yùn)輸模擬試驗臺架是在MTS329設(shè)備基礎(chǔ)上改造而成，成本較低，對于很多擁有MTS329設(shè)備的整車廠和高校具有一定指導(dǎo)意義。

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