孫旭，于志勇

（1.上汽通用汽車有限公司廣德分公司，安徽 廣德 242200；2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

前言

隨著汽車行業(yè)技術(shù)發(fā)展提速，汽車品牌增多，汽車行業(yè)的市場競爭越來越大。市場對產(chǎn)品更新?lián)Q代速率的要求也越來越高，因此如何縮減整車開發(fā)時間是車企著力突破的問題。試驗認證是整車開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，也是整車開發(fā)過程中占用時間較多的一個環(huán)節(jié)，在產(chǎn)品開發(fā)初期同步進行子系統(tǒng)及零部件的試驗認證，能大大壓縮整車試驗的時間，而從加快整車研發(fā)的速度。在試驗室中通過臺架搭建完成各種子系統(tǒng)/零部件的試驗驗證成為各汽車廠商都在積極進行的探索[1]。

國內(nèi)排氣系統(tǒng)相關(guān)方面研究較少，與國外同期研究水平差距較大，弗吉亞北美試驗室建造了由MAST 及垂直液壓缸組合的模擬試驗臺架。通用汽車公司北美試驗室也開發(fā)了多種不同的排氣系統(tǒng)模擬試驗臺架。國內(nèi)相關(guān)的試驗資源極度緊缺，因此，研究汽車排氣系統(tǒng)模擬試驗方法意義重大。

本文闡述了從夾具設(shè)計到臺架搭建以及試驗迭代的所有方法，僅僅通過垂直液壓缸的組合以及夾具系統(tǒng)的設(shè)計建成了國內(nèi)首個排氣系統(tǒng)道路模擬試驗臺架，并通過最終與道路試驗的比對驗證了該試驗方法的有效性，很好地實現(xiàn)了前置試驗的目的。

1 信號采集

排氣系統(tǒng)道路信號采集主要通道包含：排氣系統(tǒng)吊鉤應(yīng)變、懸置加速度、吊鉤加速度信號，通過對這些通道的迭代控制，能較好地復(fù)現(xiàn)出排氣系統(tǒng)在實際道路行駛過程中的運動姿態(tài)[2]。

排氣系統(tǒng)的失效模式主要包含排氣管吊耳焊點開裂、波紋管網(wǎng)絲斷裂、橡膠吊耳老化損壞。因此在每個吊鉤與排氣管的焊接處布置應(yīng)變傳感器，在每個獨立的掛鉤端頭處布置加速度計。排氣系統(tǒng)的運動激勵一方面來自于道路激勵通過車身傳遞，一方面來自于動力總成運動通過排氣歧管以及波紋管傳遞。因此還要在動力總成懸置位置布置加速度計采集此處的加速度信號。傳感器的布置圖請見圖1。

圖1 排氣系統(tǒng)傳感器布置圖

2 臺架搭建

排氣系統(tǒng)道路模擬臺架是以垂直液壓缸為基礎(chǔ)，通過動力總成模擬夾具的設(shè)計安裝并將液壓缸進行組合控制搭建而成的。在臺架的前端接入燃燒器系統(tǒng)達到為樣件提供熱載荷環(huán)境的作用。

因為排氣系統(tǒng)的運動激勵分別來自于動力總成運動及道路不平度。所以使用1，2，3 號缸的組合來模擬動力總成在整車垂直方向，繞X 軸轉(zhuǎn)動方向，繞Y 軸轉(zhuǎn)動方向上的運動。使用4，5，6，7，8 號缸模擬排氣系統(tǒng)吊耳掛鉤在垂直方向上的運動。

圖2 液壓缸布置圖

臺架共有8 個驅(qū)動，具體可見下表1 所示。

表1 排氣系統(tǒng)道路模擬試驗臺架控制通道

其中動力總成垂向運動計算公式：

動力總成側(cè)傾運動計算公式：

動力總成俯仰運動計算公式：

式中：Vert1，Vert2，Vert3 分別為1，2，3 號作動缸垂向位移。Y12 為1，2 號作動缸沿Y 方向的距離，Y13 為1，3 號作動缸沿Y 方向的距離；X123 為3 號缸與1，2 號缸的中點沿X 方向的距離，PS Vertical為動力總成垂向運動位移，PS Roll為動力總成側(cè)傾運動角度，PS Pitch為動力總成俯仰運動角度。

試驗夾具包含發(fā)動機模擬裝置及各吊耳掛鉤裝置。發(fā)動機夾具如圖3 所示。

圖3 發(fā)動機模擬夾具圖

發(fā)動機模擬裝置要求排氣系統(tǒng)能按照整車布置安裝在臺架上,核心控制點位為3個與作動缸連接點及三元催化模擬管路與前排氣管的連接點；夾具質(zhì)量不超過所用液壓缸工作能力；夾具設(shè)計過程中保持質(zhì)心位置與實車發(fā)動機位置一致；所有組合件的連接點滿焊，加強夾具剛度；支撐桿之間設(shè)置萬向球鉸將側(cè)向剪切力卸除，達到滿足多個樣件，多倍壽命的試驗需求；包含連接管提供熱氣通道承受600-800℃的高溫氣體，模擬實車運行過程中的發(fā)動機高溫氣體對排氣系統(tǒng)的熱疲勞載荷。

各吊耳掛鉤裝置要求能在X、Y、Z 三個方向上調(diào)節(jié)。

樣件安裝要求每個吊耳的傾斜角度及拉伸長度與實際數(shù)采一致，要求波紋管的拉伸長度與實際數(shù)采一致。

3 信號處理

數(shù)采得到的原始信號并不能直接用于迭代，需要經(jīng)過圖4 所示的信號處理。

圖4 信號處理流程

原始信號是車輛在標準試車場特征路面行駛過程中從排氣系統(tǒng)傳感器上采集得到的信號。通過頻譜分析，結(jié)合道路模擬試驗經(jīng)驗，確定排氣系統(tǒng)道路模擬試驗關(guān)心頻段為0.5～40HZ，對于其他頻段的信號，通過濾波去除[3]。由于夾具形狀及整車空間影響，懸置處實際數(shù)采位置與迭代過程中的加速度計布置位置無法統(tǒng)一，因此需要通過加速度坐標轉(zhuǎn)化將數(shù)采信號轉(zhuǎn)化為基準信號。

基準信號包含較多的低幅值激勵，為了盡量壓縮試驗周期，使用應(yīng)變信號的統(tǒng)計特性值作為閾值，剪切去除損傷較小的部分，得到編輯信號。對編輯信號進行偽損傷計算并與原始信號進行偽損傷值對比，若損傷保留達到90%以上則將此信號作為迭代信號，若未達到則返回至閾值剪切步驟直至損傷保留達到90%以上。

4 信號迭代

信號迭代主要包括傳遞函數(shù)計算、迭代及評價2 個部分。

4.1 傳遞函數(shù)計算

迭代是為了得到能使排氣系統(tǒng)各通道響應(yīng)與道路數(shù)采目標信號盡可能接近的液壓缸驅(qū)動，使排氣系統(tǒng)的運動與數(shù)采時一致。

在迭代前，首先需要得到系統(tǒng)的傳遞關(guān)系，整個系統(tǒng)由排氣系統(tǒng)、夾具、液壓缸、傳感器等部分組成[4]。通過式（4）可以求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

式中：H（f）為系統(tǒng)傳遞函數(shù)；Gyx（f）為系統(tǒng)響應(yīng)信號和液壓缸激勵信號的互功率譜，Gxx（f）為液壓缸激勵信號的自功率譜。

4.2 迭代及評價

因為整個系統(tǒng)的傳遞關(guān)系不是完全線性的，因此需要通過逐步迭代的方法對驅(qū)動信號進行修正[5]。迭代流程如圖5所示。

圖5 迭代流程圖

迭代的效果評價可通過以下幾種方式進行。

選取圖6-圖7 兩個具有代表性的迭代通道，對比響應(yīng)信號與目標信號的功率譜?？梢?，無論是加速度還是應(yīng)變通道，其迭代響應(yīng)信號和目標信號的功率譜都擬合較好。

圖6 吊勾應(yīng)變功率譜密度對比

圖7 吊勾加速度功率譜對比

均方根誤差可作為迭代時的誤差收斂曲線，其計算方法為：

式中：ε為均方根誤差，RMS（yt（t））為響應(yīng)信號均方根值，RMS（yd））為目標信號均方根值。

下圖8 為迭代過程中的均方根誤差收斂曲線，經(jīng)過多次迭代，各通道的誤差都低于20%，滿足迭代要求。

圖8 各通道均方根值誤差收斂曲線

偽損傷的計算，通過對每個應(yīng)變通道采集信號的收集，利用miner 線性損傷累積法則及Goodman 疲勞經(jīng)驗公式，計算出系統(tǒng)響應(yīng)信號偽損傷與目標信號偽損傷的比值，從而判斷偽損傷的保留率[6]。實際的損傷計算結(jié)果可見下表2，各通道偽損傷保留比值均位于50%～200%之間，迭代效果滿足要求。

表2 信號偽損傷對比表

Miner 線性損傷累積法則：

總損傷量：

式中：Ni為σ-N曲線上相應(yīng)的應(yīng)力幅σi對應(yīng)的疲勞循環(huán)次數(shù)；ni為應(yīng)力幅σi作用下的實際循環(huán)次數(shù)。

Goodman 疲勞經(jīng)驗公式：

式中：σi為等效零均值應(yīng)力；σai為第i個應(yīng)力幅值；σmi為第i個應(yīng)力均值；σb抗拉強度（根據(jù)材料類型可查的）。

相對能量計算，對于加速度信號使用式（8）計算出響應(yīng)信號及目標信號的能量，并求出其相對能量比值，通過其比值大小可以判斷加速度通道的能量保留效果。

式中：E是相對能量，a（t）為加速度信號。

表3 為各垂向通道最終響應(yīng)加速度能量與目標信號能量的比值。相對能量比值均位于80%～120%之間，迭代效果滿足要求。

表3 信號能量對比表

由以上評價結(jié)果可知迭代效果較好，滿足耐久試驗的要求。

4.3 耐久試驗

根據(jù)實際道路試驗規(guī)范，編輯路面循環(huán)次數(shù)，進行試驗。耐久試驗后，發(fā)現(xiàn)排氣管吊耳掛鉤焊點開裂，波紋管網(wǎng)面金屬絲斷裂，與道路試驗排氣系統(tǒng)的失效情況相同，從而驗證了該試驗方法的有效性。

5 結(jié)論

本文從信號采集、夾具設(shè)計制作、臺架搭建到迭代試驗完整的論述了排氣系統(tǒng)道路模擬試驗的試驗方法，與國外需要使用成本巨大的MAST 臺架相比，本試驗方法僅僅使用垂直液壓缸的組合，即完成了排氣系統(tǒng)道路模擬試驗的目的，大大降低了試驗成本，具有開創(chuàng)性意義。對很多汽車廠商及零部件企業(yè)具有參考指導(dǎo)意義。