張桂明，何海，萬(wàn)尚國(guó)

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 引言

傳統(tǒng)的汽車減振器作為一種被動(dòng)元件，只能提供單一的阻尼系數(shù)，不能充分兼顧車輛的舒適性與操控性，而主動(dòng)減振器能夠根據(jù)路面條件及駕駛狀態(tài)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地對(duì)減振器阻尼進(jìn)行調(diào)節(jié)。電控單元通過(guò)傳感器采集車輛行駛狀態(tài)信號(hào)并經(jīng)過(guò)運(yùn)算向減振器的控制閥發(fā)出控制電流，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開度改變減振器腔室間連同部分的截面積從而獲得適應(yīng)當(dāng)前狀態(tài)的阻尼系數(shù)。

減振器作為懸架子系統(tǒng)的一部分，具有衰減振動(dòng)的作用，在其整個(gè)使用周期內(nèi)承受大量的復(fù)雜的交變載荷，此外在整車壽命周期內(nèi)往往不希望對(duì)其進(jìn)行更換，因此其結(jié)構(gòu)耐久性能非常重要，對(duì)減振器零部件級(jí)的耐久性能驗(yàn)證通常采用CAE分析或物理試驗(yàn)兩種方法。CAE方法通過(guò)建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，并對(duì)耐久性強(qiáng)化路面進(jìn)行建模得到虛擬載荷輸入，從而在早期開發(fā)階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)的耐久性驗(yàn)證[1]。物理試驗(yàn)則通過(guò)對(duì)實(shí)際載荷譜與受力進(jìn)行分析[2]，并通過(guò)加載設(shè)備對(duì)零部件樣件進(jìn)行加載[3]，從而模擬結(jié)構(gòu)載荷來(lái)進(jìn)行耐久性驗(yàn)證。對(duì)于傳統(tǒng)的被動(dòng)結(jié)構(gòu)件的耐久性驗(yàn)證技術(shù)已較為成熟，但目前對(duì)主動(dòng)減振器等具有可變工作特性的結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性驗(yàn)證的研究與應(yīng)用尚處于初步階段。

主動(dòng)減振器新技術(shù)帶來(lái)了整車動(dòng)力學(xué)性能上的提升，同時(shí)也對(duì)減振器的零部件級(jí)結(jié)構(gòu)耐久試驗(yàn)提出了新要求，除了需要模擬主動(dòng)減振器載荷與運(yùn)動(dòng)，還需要復(fù)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)時(shí)刻的電磁閥工作狀態(tài)。本文作者詳細(xì)論述了載荷及電流信號(hào)的采集與模擬方法，并對(duì)所搭建的耐久試驗(yàn)裝置進(jìn)行了介紹，最后通過(guò)對(duì)零部件試驗(yàn)與整車試驗(yàn)中主動(dòng)減振器的結(jié)構(gòu)應(yīng)變損傷計(jì)算及疲勞失效模式進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該試驗(yàn)方法的有效性。

1 主動(dòng)減振器耐久試驗(yàn)方法概述

傳統(tǒng)的被動(dòng)減振器通過(guò)采集試車場(chǎng)實(shí)車行駛過(guò)程中的道路載荷信號(hào)并通過(guò)加載設(shè)備進(jìn)行載荷復(fù)現(xiàn)來(lái)進(jìn)行零部件級(jí)的結(jié)構(gòu)耐久試驗(yàn)，對(duì)于主動(dòng)減振器的耐久試驗(yàn)，基本思路是在傳統(tǒng)減振器試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加對(duì)主動(dòng)減振器電磁閥工作電流信號(hào)的采集，以及電流信號(hào)與載荷信號(hào)的同步復(fù)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.1 道路數(shù)據(jù)采集

采集實(shí)車在試車場(chǎng)各種路面行駛過(guò)程中的主動(dòng)減振器工作電流信號(hào)、活塞桿位移、活塞桿應(yīng)變信號(hào)、減振器底部筒壁應(yīng)變信號(hào)。其中，活塞桿位移信號(hào)以及結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號(hào)分別通過(guò)拉線位移傳感器與應(yīng)變片進(jìn)行采集，如圖1所示。對(duì)于減振器工作電流信號(hào)，在驅(qū)動(dòng)電路回路中串聯(lián)一個(gè)電阻元件并采集電阻元件兩端的電壓信號(hào)，通過(guò)電壓信號(hào)與電阻阻值計(jì)算得到電子控制閥驅(qū)動(dòng)電路中的電流信號(hào)。圖2為實(shí)車在道路行駛過(guò)程中采集的電壓、應(yīng)變及位移信號(hào)。

圖1 實(shí)車傳感器安裝位置

圖2 采集的道路數(shù)據(jù)

1.2 道路載荷的模擬

道路載荷模擬裝置包含主動(dòng)減振器、液壓作動(dòng)缸、傳感器、MTS控制柜及軟件等，如圖3所示。將主動(dòng)減振器頂部通過(guò)安裝底座固定在支撐件上，同時(shí)將減振器底部與液壓作動(dòng)缸相連，以活塞桿位移作為迭代目標(biāo)信號(hào)，以活塞桿應(yīng)變信號(hào)和減振器底部筒壁應(yīng)變信號(hào)作為監(jiān)控信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)液壓作動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)復(fù)現(xiàn)主動(dòng)減振器在整車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受載情況。

圖3 道路結(jié)構(gòu)載荷模擬裝置

1.2.1 模型辨識(shí)

為了獲得試驗(yàn)裝置中響應(yīng)信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的傳遞關(guān)系，以白噪聲激勵(lì)信號(hào)作為系統(tǒng)輸入，同時(shí)記錄系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)，并通過(guò)式(1)求取系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)：

H(f)=Gyx(f)Gxx(f)-1

(1)

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

1.2.2 信號(hào)迭代

迭代的目的在于獲得與迭代目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而基于驅(qū)動(dòng)信號(hào)復(fù)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)。若假設(shè)系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，則根據(jù)前面求得的頻響函數(shù)可以得到初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)

X(f)=H(f)-1Y(f)

(2)

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

實(shí)際上，由于系統(tǒng)的非線性特性，需要通過(guò)迭代來(lái)不斷對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行修正，即反復(fù)利用求得的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)計(jì)算系統(tǒng)實(shí)際響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)間的偏差，根據(jù)系統(tǒng)逆頻響函數(shù)計(jì)算驅(qū)動(dòng)信號(hào)的修正量，并基于修正量不斷更新驅(qū)動(dòng)信號(hào)，直到迭代目標(biāo)得到滿足。迭代的過(guò)程如圖4所示。

圖4 迭代流程

1.3 減振器電磁閥工作電流的模擬

電流模擬裝置如圖5所示，由工控機(jī)與可編程電源組成。電流模擬的基本原理如圖6所示，在主工控機(jī)中導(dǎo)入實(shí)車采集處理的主動(dòng)減振器的電流信號(hào)，并建立了LabVIEW程序?qū)崟r(shí)地輸出電流信號(hào)，遠(yuǎn)程工控機(jī)通過(guò)NI板卡輸出模擬電流，并通過(guò)可編程電源進(jìn)行功率放大后將工作電流信號(hào)作用于主動(dòng)減振器，為使主工控機(jī)與MTS控制柜及軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，由MTS控制柜輸出時(shí)鐘同步信號(hào)直接觸發(fā)LabVIEW程序運(yùn)行，從而保證電流信號(hào)與道路載荷譜的同步播放，模擬主動(dòng)減振器真實(shí)的工作狀態(tài)。

圖5 電流模擬控制系統(tǒng)

圖6 電流模擬原理

2 耐久試驗(yàn)方法的驗(yàn)證

2.1 迭代結(jié)果分析

應(yīng)用MTS公司的RPC軟件[4]對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行迭代得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)?；贛iner法則計(jì)算各監(jiān)控通道的迭代響應(yīng)信號(hào)與原始數(shù)采信號(hào)的偽損傷，其中，活塞桿應(yīng)變迭代后信號(hào)的偽損傷相對(duì)于原始信號(hào)保留了69%，減振器底部筒壁應(yīng)變迭代后信號(hào)的偽損傷相對(duì)于原始信號(hào)保留了83%，滿足企業(yè)規(guī)范要求。圖7為減振器活塞桿位移的時(shí)域信號(hào)，最終響應(yīng)信號(hào)與迭代目標(biāo)信號(hào)一致。圖8為減振器活塞桿位移信號(hào)的功率譜密度，頻域上可見最終響應(yīng)信號(hào)與迭代目標(biāo)信號(hào)一致。以上分析表明迭代效果很好，臺(tái)架最終響應(yīng)信號(hào)復(fù)現(xiàn)了迭代目標(biāo)信號(hào)，即復(fù)現(xiàn)了主動(dòng)減振器在整車試驗(yàn)中的工作狀態(tài)。

圖7 減振器活塞桿位移的時(shí)域信號(hào)對(duì)比

圖8 減振器活塞桿位移的功率譜密度對(duì)比

2.2 與整車試驗(yàn)的對(duì)比分析

為定量地驗(yàn)證減振器零部件試驗(yàn)與整車試驗(yàn)的一致性，對(duì)兩種試驗(yàn)中減振器底部筒壁應(yīng)變進(jìn)行了相關(guān)性分析，圖9—圖11分別展示了雨流統(tǒng)計(jì)、穿級(jí)對(duì)數(shù)及功率譜密度的對(duì)比?？梢?，零部件試驗(yàn)與整車試驗(yàn)中應(yīng)變表現(xiàn)出基本一致的相關(guān)性。

圖9 雨流計(jì)數(shù)對(duì)比

圖10 穿級(jí)計(jì)數(shù)對(duì)比

圖11 功率譜密度對(duì)比

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)被動(dòng)減振器部件耐久試驗(yàn)載荷模擬的基礎(chǔ)上，利用工控機(jī)及可編程電源同步地模擬主動(dòng)減振器工作電流來(lái)進(jìn)行主動(dòng)減振器的零部件試驗(yàn)，基于這種方案能夠充分體現(xiàn)整車行駛過(guò)程中主動(dòng)減振器在整車結(jié)構(gòu)中的工作狀態(tài)，從而在開發(fā)早期有效地進(jìn)行主動(dòng)減振器的零部件級(jí)。該試驗(yàn)方法可以推廣應(yīng)用下列室內(nèi)試驗(yàn)類型：系統(tǒng)級(jí)的前后懸架系統(tǒng)試驗(yàn)；整車級(jí)的整車道路模擬結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)。其對(duì)縮短產(chǎn)品開發(fā)與試驗(yàn)周期具有積極的意義。