周德泉，李開標(biāo)，盧海波，李航，王新偉

關(guān)聯(lián)道路試驗(yàn)的軸耦合道路模擬試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

周德泉，李開標(biāo)，盧海波，李航，王新偉

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

軸耦合道路模擬試驗(yàn)技術(shù)是源于道路試驗(yàn)的先進(jìn)技術(shù)。首先梳理了兩者的原理及關(guān)系；提出了道路試驗(yàn)與軸耦合道路模擬試驗(yàn)的主要關(guān)聯(lián)路線；提出了道路模擬試驗(yàn)有效性的研究方法；提出了基于疲勞損傷的道路模擬試驗(yàn)可信度分析方法；總結(jié)實(shí)際試驗(yàn)關(guān)聯(lián)結(jié)果，證明道路模擬試驗(yàn)的精準(zhǔn)性。

軸耦合；道路模擬；道路試驗(yàn)；關(guān)聯(lián)性

前言

進(jìn)入新世紀(jì)，中國(guó)汽車消費(fèi)者對(duì)于產(chǎn)品品質(zhì)要求有了巨大的轉(zhuǎn)變，已從表面的性能參數(shù)要求，進(jìn)一步提升至對(duì)于車輛的可靠性和耐久性的深層次品質(zhì)要求[1]。早期傳統(tǒng)的耐久性試驗(yàn)方法，一般為專用汽車試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行專項(xiàng)的強(qiáng)化道路試驗(yàn)，其優(yōu)勢(shì)在于真實(shí)的駕駛與關(guān)聯(lián)實(shí)際用戶的路面環(huán)境，缺點(diǎn)在于試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、各類隨機(jī)干擾因素較多、結(jié)果的不確定和離散性較大。

隨著耐久試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)道路試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了電液伺服控制的道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。其中，二十四通道軸耦合道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，是業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的整車道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其可以針對(duì)車輛的每一個(gè)輪提供最多6個(gè)自由度的測(cè)量與控制，可以精確、重復(fù)的復(fù)現(xiàn)車輛在試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件下的各種工況。

因?yàn)檩S耦合二十四通道臺(tái)架試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱臺(tái)架試驗(yàn)）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與目標(biāo)控制信號(hào)并非直接關(guān)聯(lián)，所以需要使用RPC Pro軟件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的迭代求解，以保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)的合理有效性[2]。其基本原理如下所示：

圖1 道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)原理

完整系統(tǒng)的輸入、輸出之間頻率響應(yīng)關(guān)系為：

因輸出信號(hào)Y（f）作為目標(biāo)信號(hào)已知，故：

理論上即可求得臺(tái)架驅(qū)動(dòng)信號(hào)。但實(shí)際系統(tǒng)受限于系統(tǒng)非線性等因素，上述線性模型的準(zhǔn)確度不高，還需要采用分步迭代法，逐步獲得最終的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，最終保證臺(tái)架上的輸出信號(hào)精確吻合道路試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)期望信號(hào)。

臺(tái)架試驗(yàn)的根本目標(biāo)，是能夠精確復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)場(chǎng)相同的疲勞耐久故障，也即，試驗(yàn)樣車的故障出現(xiàn)時(shí)間和失效模式與試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)一致。

與其他試驗(yàn)系統(tǒng)相比，二十四通道軸耦合試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理較為復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)控制通道、響應(yīng)信號(hào)通道數(shù)量繁多；同時(shí)，系統(tǒng)一般用于模擬試驗(yàn)場(chǎng)多種綜合耐久路面，種類繁多。上述制約因素意味著要保證臺(tái)架試驗(yàn)的精準(zhǔn)可信，需要在驅(qū)動(dòng)信號(hào)求解、迭代精度控制、試驗(yàn)作業(yè)等各個(gè)方面有相當(dāng)?shù)睦碚摷夹g(shù)及經(jīng)驗(yàn)支撐[3]。

本文旨在梳理道路試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，分析影響臺(tái)架試驗(yàn)精度的主要影響因素，并進(jìn)一步提出提高軸耦合道路模擬試驗(yàn)精度的關(guān)鍵方法與技術(shù)。

1 關(guān)聯(lián)基本原理及流程

無論道路試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)，保證試驗(yàn)精度的根本，是與用戶使用工況的關(guān)聯(lián)性。梳理三者關(guān)系，如下：

圖2 “用戶-試驗(yàn)場(chǎng)-臺(tái)架”關(guān)聯(lián)示意圖

通過上圖可知，臺(tái)架試驗(yàn)與道路試驗(yàn)關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵之處，在于證明臺(tái)架能夠精確復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)場(chǎng)相同的車輛振動(dòng)和受力，最終使得臺(tái)架試驗(yàn)車輛的損傷模式和里程與試驗(yàn)場(chǎng)盡量接近。

因此，首先需證明臺(tái)架試驗(yàn)具有足夠置信度的有效性，即證明臺(tái)架試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)求解有效性及其他關(guān)鍵環(huán)節(jié)的流程有效性。

進(jìn)一步，從數(shù)據(jù)分析的角度，對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)路譜和臺(tái)架相應(yīng)譜之間的進(jìn)行相應(yīng)的分析對(duì)比，從統(tǒng)計(jì)學(xué)、疲勞耐久理論等方面，獲得臺(tái)架路譜數(shù)據(jù)的復(fù)現(xiàn)規(guī)律，并給出定量分析臺(tái)架試驗(yàn)可信度的經(jīng)驗(yàn)公式。

而關(guān)聯(lián)最為核心的一環(huán)，在于兩者試驗(yàn)中、試驗(yàn)后出現(xiàn)的故障問題點(diǎn)關(guān)聯(lián)度是否足夠。從失效模式和失效里程上進(jìn)行分析對(duì)比，可了解兩者之間的關(guān)聯(lián)特性。

以下章節(jié)即從上述的三個(gè)方面出發(fā)，具體展開臺(tái)架試驗(yàn)與道路試驗(yàn)的關(guān)聯(lián)性分析對(duì)比。

2 試驗(yàn)有效性分析

以下重點(diǎn)闡述附加控制機(jī)制的驅(qū)動(dòng)譜求解方法。

對(duì)所有路面的六分力信號(hào)中的XYZ三個(gè)主要方向，進(jìn)行偽損傷計(jì)算：

圖3 綜合耐久路面三向損傷累計(jì)占比

按三方向偽損傷累計(jì)比重，可大致分為三類：

1）重點(diǎn)路面。（三通道損傷加權(quán)占比≥25%）

迭代時(shí)應(yīng)對(duì)其所有有效六分力通道及輔助通道重點(diǎn)控制?？砂凑諛?biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行：

除六分力通道外，增加能夠反應(yīng)車輛振動(dòng)模式及內(nèi)部受力的輔助通道（如減震器塔座垂向加速度，軸頭到車身位移、彈簧應(yīng)變、橫向穩(wěn)定桿應(yīng)變、轉(zhuǎn)向拉桿應(yīng)變等），選擇的通道應(yīng)與路譜采集車輛嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，保證一致性。

2）一般路面。（損傷占比介于5%-25%之間。）

對(duì)其主要通道（單通道損傷比大于5%的通道）和輔助通道，按照上述方法進(jìn)行控制，其余非主要通道按常規(guī)評(píng)判方法（RMS Error≤20%）進(jìn)行評(píng)判。

3）次要路面（損傷占比＜5%），對(duì)車輛造成的損傷基本可忽略不計(jì)?？芍苯舆M(jìn)行等損傷刪除，或迭代時(shí)放寬評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

4）特殊工況路面：對(duì)于扭曲路、繞八字等特殊低頻工況路面，因六分力受力不能全面反映車身受到的彎扭力，所以在迭代時(shí)不應(yīng)作為次要路面處理，除采用六分力進(jìn)行迭代以外，可考慮增加能夠反映車身彎扭變化的位移傳感器或應(yīng)變片作為迭代關(guān)聯(lián)通道。

3 試驗(yàn)可信度分析方法

路譜采集車與臺(tái)架迭代車的狀態(tài)偏離度，與迭代的可控度及輔助通道數(shù)據(jù)接近度均成反比。

其原因在于：迭代車與路譜車的狀態(tài)存在差異，迭代理想路譜（即臺(tái)架車在試驗(yàn)場(chǎng)采集的路譜），實(shí)際上會(huì)與現(xiàn)實(shí)路譜（即路譜車在試驗(yàn)場(chǎng)采集的路譜）在相位、幅值甚至頻率上存在一定差異。

因此，直接采用現(xiàn)實(shí)路譜作為目標(biāo)信號(hào)，實(shí)際是臺(tái)架通過RPC軟件不斷修正驅(qū)動(dòng)譜來適應(yīng)目標(biāo)信號(hào)，因此迭代較為困難；同時(shí)，即使通過RPC軟件強(qiáng)行迭代使得六分力信號(hào)一致，反映車輛內(nèi)部受力、車輛振動(dòng)模式的輔助通道也會(huì)與試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)際差異較大。

如果臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)了任何通道數(shù)據(jù)與試驗(yàn)場(chǎng)路譜數(shù)據(jù)偏離度較大的情況，則說明臺(tái)架試驗(yàn)車與試驗(yàn)場(chǎng)路譜采集車受力狀態(tài)不一致，最終會(huì)導(dǎo)致臺(tái)架試驗(yàn)的可信度存疑。

基于以上結(jié)論，提出一種基于疲勞損傷理論的軸耦合道路模擬試驗(yàn)可信度分析方法?；驹砣缦拢?/p>

通過迭代，在保證臺(tái)架與試驗(yàn)場(chǎng)的車輪六分力信號(hào)基本吻合的前提下，對(duì)比車輛其余輔助信號(hào)（如減震器塔座加速度，彈簧應(yīng)變等），如輔助信號(hào)偏離度越小，則認(rèn)為臺(tái)架試驗(yàn)可信度越大，反之則否之。

按照行業(yè)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于疲勞耐久試驗(yàn)，一般采用通道的累計(jì)損傷（應(yīng)變通道）或偽損傷（非應(yīng)變通道）進(jìn)行分析對(duì)比。一般認(rèn)為迭代控制通道的損傷比應(yīng)控制在0.9~1.1之間，而其他參考通道的損傷比應(yīng)控制在2倍以內(nèi)（即0.5~2之間）。

同時(shí)根據(jù)S-N疲勞損傷公式：

可知，如式中應(yīng)力幅σ按線性變化時(shí)，損傷值D按對(duì)數(shù)變化。因此，行業(yè)內(nèi)在進(jìn)行損傷對(duì)比時(shí)，常用的是損傷比的對(duì)數(shù)值進(jìn)行進(jìn)一步分析，常用有兩種計(jì)算方法：

Best Fit Optimization方法：

滿足

式中：Target為關(guān)聯(lián)目標(biāo)；bias為權(quán)重系數(shù)；repeats為重復(fù)次數(shù)。分子部分為關(guān)聯(lián)的響應(yīng)通道損傷值，分母為目標(biāo)通道的損傷值。其核心方法均為對(duì)損傷比進(jìn)行取對(duì)數(shù)再進(jìn)行后續(xù)運(yùn)算[4]。

參考上述公式，定義臺(tái)架試驗(yàn)可信度：

式中：

C（%）：二十四通道臺(tái)架試驗(yàn)可信度；

Di（Rig）：臺(tái)架第i個(gè)單通道/單工況損傷值，共n個(gè)通道；

Di（PG）：試驗(yàn)場(chǎng)第i個(gè)單通道/單工況損傷值，共n個(gè)通道；

Ki：第i通道的權(quán)重系數(shù)；如認(rèn)為所有通道權(quán)重相同，則均為1。

舉例說明：

1）當(dāng)所有通道的損傷比＝1時(shí)，臺(tái)架可信度最高，達(dá)到100%，即理論上限；

2）當(dāng)損傷比在0.5-2之間時(shí)，臺(tái)架可信度≥60%，屬于高可信度范圍；

3）當(dāng)損傷比在0.25-0.5或2-4之間時(shí)，臺(tái)架可信度在20%-60%，屬于可接受范圍；

4）當(dāng)損傷比＜0.25或＞4時(shí)，臺(tái)架可信度＜20%甚至小于0，認(rèn)為試驗(yàn)處于不可接受范圍；

選取四個(gè)示例項(xiàng)目，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)可信度計(jì)算如下圖所示：

圖4 臺(tái)架試驗(yàn)可信度對(duì)比示意

圖中虛線/實(shí)線分別為2倍/4倍損傷比對(duì)應(yīng)可信度水平線。

其中項(xiàng)目A/B：路譜采集/臺(tái)架試驗(yàn)車輛相同。項(xiàng)目C/D表示兩者狀態(tài)差異較大，甚至為不同平臺(tái)車型。

上述結(jié)論證明了迭代可控度的高低（即路譜采集車輛與迭代試驗(yàn)車輛狀態(tài)差異的大?。┡c試驗(yàn)的可信程度成正比。

4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

基于上述臺(tái)架與道路試驗(yàn)的關(guān)鍵關(guān)聯(lián)技術(shù)，筆者所從事的軸耦合臺(tái)架試驗(yàn)，自運(yùn)行至今已完成70余次，其中試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)類故障超過80%的問題，均在軸耦合整車道路模擬試驗(yàn)中有效復(fù)現(xiàn)。

下面以某車型為例：

表1 臺(tái)架與道路試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

該項(xiàng)目中，臺(tái)架試驗(yàn)與道路試驗(yàn)關(guān)聯(lián)性較好。其中道路試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)耐久性問題，在臺(tái)架試驗(yàn)上的問題復(fù)現(xiàn)率為100%。

5 結(jié)論

本文梳理了道路試驗(yàn)及臺(tái)架試驗(yàn)的關(guān)系，分析了試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)獲得有效性的關(guān)鍵因素，并提出了臺(tái)架可信度評(píng)判的方法。通過工程實(shí)例，證明了兩者具有很好的關(guān)聯(lián)性。

軸耦合道路模擬試驗(yàn)可以在排除其他干擾因素的前提下，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)道路上出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)耐久類試驗(yàn)問題。加之其4-5倍于道路試驗(yàn)效率的特性，現(xiàn)已逐漸成為國(guó)內(nèi)車輛研發(fā)企業(yè)的最為核心的工具[5]。

[1] 班兵,蘆凡,王軍.汽車可靠性分析概述[J].汽車實(shí)用技術(shù).2020 (04).

[2] MTS Systems Corporation.RPC? Pro Applications Software Refe -rence[Z].USA.14000 Technology Drive, Eden Prairie,2012.

[3] 李航,周德泉,李開標(biāo),陳禹,劉建文.軸耦合道路模擬試驗(yàn)技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019(05):74-78.

[4] 李永利,帕恩,哈撒韋,等.疲勞試驗(yàn)測(cè)試分析理論與實(shí)踐[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2011.

[5] 伊斯武,張繼偉.軸耦合道路模擬在懸架可靠性試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2011,38(02):49-52+57.

Research on Key Technology of Spindle-coupled Road Simulation Test Correated to Road Test

Zhou Dequan, Li Kaibiao, Lu Haibo, Li Hang, Wang Xinwei

（Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Automotive Engineering Research Institute, Guangdong Guangzhou 511434）

Spindle-coupled road simulation test is an advanced test method which originated from road test. Firstly, the principle and relationship between these two methods is studied; The main correaltion method for road test and spindle-coupled road simulation test is put forward; Road simulation effectiveness study method and road simulation test confidence analysis method based on fatigue damage are proposed; Real test result is concluded, and road simulation test precision is proved.

Spindle-coupled; Road simulation; Road test; Correaltion

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.035

U467

A

1671-7988(2021)03-115-04

U467

A

1671-7988(2021)03-115-04

周德泉（1985-），男，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)主管工程師，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，從事結(jié)構(gòu)強(qiáng)度疲勞試驗(yàn)研究工作。