王靈龍，劉偉，李偉

基于整車室內(nèi)道路模擬的汽車零部件疲勞試驗(yàn)研究

王靈龍，劉偉，李偉

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

隨著我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品開發(fā)需求日益旺盛。如何縮短開發(fā)周期，降低成本成為十分必要的研究課題。采用室內(nèi)的整車道路模擬試驗(yàn)有助于綜合發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷并針對(duì)缺陷快速進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到提升產(chǎn)品質(zhì)量的目的。在整車試驗(yàn)過程中，由于汽車零部件類別多、數(shù)量大，所以提前預(yù)判具體的失效部件難度大，進(jìn)行相關(guān)的疲勞測(cè)試周期長(zhǎng)、成本高。因此，快速發(fā)現(xiàn)失效零部件并提升其質(zhì)量成為影響整車產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本投入的重要內(nèi)容。文章從軸耦合型道路試驗(yàn)的研究出發(fā)，通過室內(nèi)道路模擬復(fù)現(xiàn)實(shí)車載荷傳遞的做法得到零部件上的真實(shí)載荷，有針對(duì)性的地對(duì)失效部件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)并驗(yàn)證零部件質(zhì)量。與傳統(tǒng)的驗(yàn)證過程相比，這樣的改變減少了大量的前期準(zhǔn)備工作，可以有效節(jié)約成本，縮短試驗(yàn)周期。

零部件；疲勞試驗(yàn)；道路模擬；可靠性；失效

1 引言

道路模擬是先進(jìn)的整車及零部件系統(tǒng)疲勞試驗(yàn)方法，是將整車在試車場(chǎng)或用戶道路條件下行駛采集的信號(hào)在室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)架上重現(xiàn)的策略，在全球范圍內(nèi)的對(duì)汽車整車及零部件測(cè)試都有著廣泛的應(yīng)用，具有接近真實(shí)復(fù)現(xiàn)車輛的工作狀態(tài)來驗(yàn)證產(chǎn)品性能的明顯優(yōu)點(diǎn)。在開發(fā)過程中，一方面整車耐久性試驗(yàn)測(cè)試周期長(zhǎng)、成本高，失效的零部件存在不可預(yù)測(cè)的特點(diǎn)，另一方面國(guó)內(nèi)新車開發(fā)周期短、產(chǎn)品迭代快，兩者構(gòu)成成了顯著的矛盾。在室內(nèi)采用道路模擬的方法對(duì)整車進(jìn)行試驗(yàn)，能夠提前發(fā)現(xiàn)整車耐久性問題，也可以驗(yàn)證整車及部件的缺陷以快速解決，縮短開發(fā)周期，節(jié)約成本。[1,2]在傳統(tǒng)的室內(nèi)整車道路試驗(yàn)中，預(yù)估失效部件時(shí)為對(duì)所有可能出現(xiàn)失效的部件進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)前需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間準(zhǔn)備，利用路試載荷譜在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行失效部件的驗(yàn)證；對(duì)未失效部件，這種前期準(zhǔn)備是徒勞的，明顯浪費(fèi)了時(shí)間和成本。如果在部件出現(xiàn)失效之后有針對(duì)性地進(jìn)行準(zhǔn)備，便可減少大量無謂的準(zhǔn)備工作。所以，基于整車道路模擬信號(hào)輸出進(jìn)行零部件疲勞試驗(yàn)也許可以更大程度得解決上述矛盾，進(jìn)一步提高試驗(yàn)效率，節(jié)約企業(yè)成本。

2 路譜信號(hào)的采集及試驗(yàn)應(yīng)用的基本原理

在整車上采集受力部件的載荷（或形變等）信號(hào)的方法是通過在部件上粘貼應(yīng)變片并標(biāo)定后，將部件安裝到路試車輛上，通過車內(nèi)的數(shù)據(jù)采集儀對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，圖1的是對(duì)部件改制，本體經(jīng)貼片并通過標(biāo)定后成為能測(cè)量真實(shí)受力的各類自制的“部件傳感器”。將這些“傳感器”安裝到車輛上，通過圖2所示的隨車數(shù)據(jù)采集儀記錄載荷。這些載荷信號(hào)可以用來參與整車迭代或單獨(dú)用來進(jìn)行部件試驗(yàn)，在試驗(yàn)室內(nèi)復(fù)現(xiàn)車輛或部件的試驗(yàn)工況。

圖1 傳感器化的關(guān)鍵部件

圖2 隨車數(shù)據(jù)采集儀

圖3是以整車為例的直觀的試驗(yàn)系統(tǒng)工作過程示意及工作原理圖，對(duì)于多通道信出入、輸出時(shí)，系統(tǒng)的輸入和輸出函數(shù)記為：

傳遞函數(shù)是一個(gè)N階方陣，記做：

圖3 道路譜測(cè)試系統(tǒng)工作原理示意圖

在頻域系統(tǒng)，輸入、傳遞函數(shù)和輸出之間有關(guān)系如下：

其中()，()分別是()，()的傅里葉變換，而S()，S()是系統(tǒng)輸入()，()的功率譜矩陣，S()是輸出()和輸入()之間的互譜矩陣，H()是()的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，[3]根據(jù)式4～式6可以對(duì)線性系統(tǒng)進(jìn)行求解，如果被試系統(tǒng)為線性不變系統(tǒng)，根據(jù)頻響函數(shù)的關(guān)系及輸入、輸出可直接獲得所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)。但是，測(cè)試系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)(試件、夾具、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)量系統(tǒng)等）基本完全會(huì)構(gòu)成一個(gè)非線性系統(tǒng)，理論計(jì)算得到的反饋與期望響應(yīng)存在較大偏離。為了消除非線性的影響，反復(fù)重復(fù)并逐步修正驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使系統(tǒng)的響應(yīng)逼近于期望響應(yīng)信號(hào)[2,4]。過程如下：

（1）用白粉噪聲作為輸入信號(hào)，并采集系統(tǒng)的輸出信號(hào)，求得傳遞函數(shù)。

（2）按給定的系統(tǒng)輸入和傳遞函數(shù)得到系統(tǒng)輸出并與目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，得到輸出差值。

（3）用輸出差值和傳遞函數(shù)求出系統(tǒng)輸入差值。

（4）用輸入差值修正前一次的系統(tǒng)輸入作為本次輸入和傳遞函數(shù)求輸出。

經(jīng)數(shù)次以上過程的重復(fù)（迭代）后，比對(duì)樣件的信號(hào)輸出和目標(biāo)信號(hào)的差異在可接受（一般按均方根誤差5%以內(nèi)作為接受目標(biāo)）的范圍內(nèi)后，設(shè)備的驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可以用來進(jìn)行整車或?qū)?yīng)型號(hào)零部件的測(cè)試驗(yàn)證工作。

3 室內(nèi)整車迭代的控制方法分析與驗(yàn)證

圖4所示的軸耦合道路模擬試驗(yàn)是運(yùn)用以上基本原理的復(fù)雜系統(tǒng)，有多達(dá)24通道或以上的輸入控制，用于室內(nèi)試驗(yàn)的方法考核部件和整車的可靠性。經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展和大量的試驗(yàn)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)，現(xiàn)有軸耦合道路模擬機(jī)技術(shù)能夠可靠、準(zhǔn)確地再現(xiàn)車輛的力和力矩。對(duì)整車的迭代，通過4輪的六分力傳感器作為反饋，理論上可以得到與道路行駛狀態(tài)一樣的姿態(tài)。試驗(yàn)室的實(shí)際操作中，會(huì)選擇性采用前文介紹的自制傳感器信號(hào)作為試驗(yàn)件的響應(yīng)與對(duì)應(yīng)通道的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，監(jiān)控車輛上的部件信號(hào)以保證試驗(yàn)時(shí)內(nèi)車輛的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與實(shí)際道路一致。對(duì)于僅有車輪六分力而缺少懸架或其他部件載荷的道路模擬試驗(yàn)，可以將軸頭加速度信號(hào)參與迭代以提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，但要結(jié)合不同路況具體分析應(yīng)用。[5]這樣，僅有六分力傳感器或結(jié)合其他傳感器成為兩種控制策略。

圖4 美國(guó)MTS公司的軸耦合試驗(yàn)臺(tái)

為研究這兩種采用室內(nèi)的方式復(fù)現(xiàn)道路譜的程度，可以通過比對(duì)自制傳感器是否參與迭代的結(jié)果的影響程度來確定。為比較出參與迭代通道的作用，文章按兩種控制測(cè)量的方案進(jìn)行比較得出。其中第一種控制策略是僅以六分力傳感器作為控制通道，第二種控制策略將六分力傳感器、加速度傳感器、懸架位移和應(yīng)變通道等傳感器通同時(shí)作為控制通道。對(duì)兩種的控制策略分別記為控制測(cè)策略A和控制策略B，然后對(duì)得到具體的比對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。對(duì)低頻路面，控制策略A和控制策略B的時(shí)域信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征值見表1，因時(shí)域特征曲線圖肉眼很難觀察到差異，本文將頻域曲線圖進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。同樣，對(duì)高頻路面控制策略A和控制策略B的時(shí)域信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征值比對(duì)結(jié)果匯總到表2中，頻域曲線圖的比對(duì)結(jié)果見圖6。

表1 低頻路段時(shí)域特征統(tǒng)計(jì)值

可以看出兩種控制策略中，臺(tái)架試驗(yàn)均能較好地復(fù)現(xiàn)車輛在試車場(chǎng)中的受力狀態(tài)，兩種響應(yīng)的均方根誤差RMS非常接近，R值均小于20%且數(shù)值相當(dāng)。臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好的復(fù)現(xiàn)車輛在試車場(chǎng)中的受力狀態(tài)，迭代精度較高。所以可以認(rèn)為采用控制策略A的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際道路耐久試驗(yàn)結(jié)果一致，各部件的受力狀態(tài)也和道路試驗(yàn)的受力狀態(tài)一致。[6]

由以上可以推斷，道路模擬機(jī)能真實(shí)再現(xiàn)道路工況，所以可以在試驗(yàn)室內(nèi)從道路模擬機(jī)上收集可信的響應(yīng)信號(hào)。通過室內(nèi)模擬道路試驗(yàn)，針對(duì)性獲得的損壞部件或需要重點(diǎn)關(guān)注的部件及系統(tǒng)的路譜信號(hào)后，用于驗(yàn)證試驗(yàn)或批量對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。前期的工作只需進(jìn)行對(duì)車輛六分力傳感器的準(zhǔn)備，這樣可以大量減少前期準(zhǔn)備工作量。下文以控制臂作為研究對(duì)象，比對(duì)路試狀態(tài)的原始信號(hào)及試驗(yàn)室內(nèi)采集的相同通道信號(hào)的試驗(yàn)結(jié)果差異，為類似部件的零部件試驗(yàn)思路提供參考。

表2 高頻路段時(shí)域特征統(tǒng)計(jì)值

4 室內(nèi)整車道路譜信號(hào)對(duì)失效部件進(jìn)行試驗(yàn)的應(yīng)用

控制臂在車輛行駛過程中起到傳遞載荷和控制運(yùn)動(dòng)的雙重作用，屬于底盤系統(tǒng)有代表性的重要部件之一。將上文所述的室內(nèi)采集的整車道路模擬信號(hào)的輸出作為對(duì)控制臂耐久試驗(yàn)的信號(hào)輸入，進(jìn)行單通道的部件疲勞試驗(yàn)，用于驗(yàn)證該部件是否滿足整車的使用要求。具體的試驗(yàn)安裝如圖7，經(jīng)過數(shù)次迭代后，試驗(yàn)路況的迭代精度RMS低于5%后進(jìn)行試驗(yàn)。這樣的試驗(yàn)條件與該部件安裝在整車上行駛在真實(shí)路面的的受力工況是基本一致的，我們比較用于執(zhí)行試驗(yàn)信號(hào)和初始信號(hào)的差別見圖8，除較少周期的部分信號(hào)外，兩者信號(hào)基本一致。

圖7 單通道零部件耐久試驗(yàn)

圖9是按采集信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)的試件斷口照片，從最后試件損壞的狀態(tài)可以看出，利用該信號(hào)較好地復(fù)現(xiàn)了部件在整車上的工況，與樣品使用時(shí)的失效基本一致。試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)雨流計(jì)數(shù)處理后，按系數(shù)為5的標(biāo)準(zhǔn)SN線計(jì)算各路段損傷值[7]結(jié)果見圖10。由此可見，對(duì)室內(nèi)道路試驗(yàn)輸出的路譜信號(hào)，經(jīng)過迭代后采用的試驗(yàn)信號(hào)與原路段信號(hào)通過同樣處理后得到的信號(hào)相比，復(fù)現(xiàn)度高達(dá)98.3%，用來進(jìn)行零部件試驗(yàn)的結(jié)果可信度極高。通過以上的試驗(yàn)驗(yàn)證后，我們可以將該試驗(yàn)方法用于其它功能部件的室內(nèi)試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)。底盤中如減振器、彈簧、穩(wěn)定桿等類似零部件均屬于受力簡(jiǎn)單的部件，應(yīng)用方案和實(shí)現(xiàn)的效果大概一致；另外一些部件如轉(zhuǎn)向節(jié)、車橋、副車架乃至白車身等大型部件，由于受力情況復(fù)雜可以在驗(yàn)證的基礎(chǔ)上參考選用。

圖8 時(shí)域曲線及載荷分布比對(duì)

圖9 失效斷口照片（兩端）

■ 道路譜信號(hào) ■ 按道路譜迭代信號(hào) ■ 按試驗(yàn)室信號(hào)迭代信號(hào)

5 結(jié)語

本文從道路模擬的基本原理出發(fā)，通過軸耦合的方法采集到的室內(nèi)整車道路模擬輸出對(duì)控制臂進(jìn)行耐久性測(cè)試。利用該思路進(jìn)行零部件試驗(yàn)，可以大幅縮短對(duì)新車型驗(yàn)證的準(zhǔn)備時(shí)間并以較高的精度對(duì)失效零部件進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，以滿足整車開發(fā)需要[8]。采用這樣的方法對(duì)項(xiàng)目周期的縮短及成本的壓縮具有絕對(duì)性優(yōu)勢(shì)。第一、等部件失效以后有針對(duì)性地采集或驗(yàn)證，可以減少前期的無效工作；第二、前期準(zhǔn)備工作可以后移，所以采集路譜的準(zhǔn)備時(shí)間，關(guān)鍵路徑的變化會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目時(shí)間大幅壓縮，同時(shí)可以只準(zhǔn)備六分力傳感器即可得到高精度試驗(yàn)信號(hào)大幅減少準(zhǔn)備時(shí)間；第三、將準(zhǔn)備及收集車輛響應(yīng)信號(hào)的工作后移并轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，能減少項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)增加了該環(huán)節(jié)的工作時(shí)長(zhǎng)，將有限的工程師資源得以釋放緩沖，有利于項(xiàng)目資源平衡[9]。文章以控制臂作為研究對(duì)象較有代表性，雖然整車迭代使用軸耦合的道路模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，但如果采用4立柱得到室內(nèi)道路模擬輸出的信號(hào)進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)，在精度、成本及周期等相關(guān)要求不同的情況下采用，也能達(dá)到最大限度縮短項(xiàng)目周期，降低項(xiàng)目成本的效果。

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Durability Test of Parts Based on the Output of Road Analog Signal Form Vehicle Test in Room

Wang Linglong, Liu Wei, Li Wei

（China Automotive Technology and Research Center Co. Ltd., Tianjin 300300）

With the development of China's automotive industry, the demand of design and development vehicle is increa -sing. How to shorten the development cycle and reduce costs has become a necessary topic. Indoor road simulation test is helpful to find product defects synthetically and optimize the design, then improve product quality. Large quantities of components and parts caused to difficult to predict the specific failure, so that the testing cycle is long and the cost is high. Therefore, improving the quality of parts has become an important issue that affects the development cycle and cost. Starting from the research of axle-coupled road test, this paper changes the traditional experience-based approach and carries out fatigue test of parts. This change reduces a lot of preparatory work, save costs effectively and shortens the test cycle.

Auto parts; Durability testing; Road simulation; Reliability; Failure

V416.3

B

1671-7988(2019)24-97-04

V416.3

B

1671-7988(2019)24-97-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.032

王靈龍，就職于中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司。