徐有忠,章禮文

(1.奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程研究總院,安徽 蕪湖 241009; 2.安徽省汽車NVH與可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241009)

0 引 言

懸置系統(tǒng)是連接動(dòng)力總成與車身的重要橋梁,它不僅起到約束動(dòng)力總成位移、隔離并衰減振動(dòng)與噪聲等作用,還能吸收路面帶來的激勵(lì)和瞬態(tài)沖擊,改變動(dòng)力總成響應(yīng),從而提升汽車的舒適性[1]。其耐久可靠性關(guān)系到車輛噪聲(noise)、振動(dòng)(vibration)、聲振粗糙度(harshness)即NVH性能的持續(xù)保持能力,直接影響用戶使用,因此至關(guān)重要。

汽車耐久性試驗(yàn)包含實(shí)車道路試驗(yàn)和室內(nèi)臺架模擬試驗(yàn)。與道路試驗(yàn)相比,臺架試驗(yàn)周期短、重復(fù)性好[2],對應(yīng)的載荷譜處理方法及應(yīng)用研究越來越多。文獻(xiàn)[3]重點(diǎn)圍繞載荷處理,綜述了基于時(shí)域和頻域信號迭代來提升臺架模擬精度的方法;文獻(xiàn)[4]對不同耐久試驗(yàn)方法、技術(shù)及流程進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[5]提出了一種基于各路段最小標(biāo)準(zhǔn)差譜組合的試驗(yàn)場實(shí)測載荷譜選取新方法;文獻(xiàn)[6]提出基于小波變換和損傷保留2種方法來編輯載荷譜。

在實(shí)際車型開發(fā)中,懸置阻尼與剛度特性通常都需要多輪次的調(diào)校優(yōu)化,更需要采用高效的臺架模擬試驗(yàn)來快速驗(yàn)證與確認(rèn)。針對懸置系統(tǒng)的耐久性及其室內(nèi)臺架模擬試驗(yàn)方法,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究。文獻(xiàn)[7]基于遠(yuǎn)程控制參數(shù)技術(shù)遠(yuǎn)程程序控制(remote program control,RPC)重構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置道路載荷譜,建立總載荷序列來驗(yàn)證單個(gè)液壓懸置的耐久性[7];文獻(xiàn)[8]對懸置總成、金屬支架和殼體分別開展動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度試驗(yàn),基于損傷等效的多軸載荷和溫度條件(通過引入溫度箱進(jìn)行模擬)來考核懸置總成的疲勞耐久強(qiáng)度;文獻(xiàn)[9]基于多軸模擬試驗(yàn)臺(multi-axial simulation table,MAST),通過6個(gè)作動(dòng)器模擬車輛6個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),精確再現(xiàn)動(dòng)力總成全套(3個(gè))懸置系統(tǒng)在路試中的運(yùn)行環(huán)境;文獻(xiàn)[10]基于六自由度振動(dòng)臺的道路試驗(yàn)?zāi)M方法,復(fù)現(xiàn)客車動(dòng)力總成全套(4個(gè))懸置系統(tǒng)在實(shí)車路試中的運(yùn)行工況;文獻(xiàn)[11]研究了24通道整車道路臺架上與道路試驗(yàn)中動(dòng)力總成各個(gè)懸置系統(tǒng)主被動(dòng)兩端加速載荷譜的差異[11]。

為了更好地模擬動(dòng)力總成懸置實(shí)際復(fù)雜的承載條件與運(yùn)行環(huán)境,本文提出一種可以同時(shí)對全套懸置系統(tǒng)進(jìn)行完整激勵(lì)加載的臺架耐久模擬試驗(yàn)方法。針對不同路況特點(diǎn)采用不同的相應(yīng)控制迭代方案形成驅(qū)動(dòng)載荷譜,與文獻(xiàn)[9-10]僅用6個(gè)作動(dòng)器對MAST進(jìn)行6個(gè)方向加載不同,本文還在動(dòng)力總成兩端連接的左右驅(qū)動(dòng)軸上施加扭矩譜,同時(shí)還模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)艙內(nèi)溫度變化來動(dòng)態(tài)設(shè)定溫度。對比試驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法有效提升了懸置系統(tǒng)臺架模擬的精度。

1 懸置系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)臺架設(shè)計(jì)

為了盡量模擬實(shí)車狀態(tài),將動(dòng)力總成和全套懸置系統(tǒng)完全按前艙布置參數(shù),安裝在MTS公司六自由度MAST振動(dòng)臺上。臺架設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)試驗(yàn)原理

臺架具體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)試驗(yàn)安裝示意圖

圖2中,整個(gè)動(dòng)力總成通過左、右懸置和后懸置系統(tǒng)及其安裝座固定在六自由度振動(dòng)臺臺面上,變速箱兩端通過左、右驅(qū)動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)工裝連接,驅(qū)動(dòng)軸與動(dòng)力總成通過工裝剛性連接。試驗(yàn)工裝與夾具的設(shè)計(jì)要求較高,否則會影響道路模擬試驗(yàn)的效果,其設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的原則[7]如下:

(1) 工裝夾具的半功率帶寬范圍避開測試頻率,其固有頻率應(yīng)大于400 Hz以上。

(2) 工裝夾具的各向剛度足夠大,確保受力后其變形對試驗(yàn)結(jié)果影響足夠小。

(3) 工裝夾具約束面與實(shí)際零件安裝接觸面積相同。

在帶環(huán)境艙的MAST臺架模擬試驗(yàn)中,通過溫控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境艙內(nèi)懸置系統(tǒng)的溫度與實(shí)際溫度保持一致相對容易,相對復(fù)雜的是在六自由度振動(dòng)臺上再現(xiàn)道路試驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)載荷條件,包括迭代模擬懸置系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和驅(qū)動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)載荷狀態(tài)。

1.2 載荷試驗(yàn)迭代流程

懸置系統(tǒng)載荷迭代流程如圖3所示。

圖3中,利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集載荷譜,包括道路試驗(yàn)車各懸置的三向加速度(懸置系統(tǒng)主被動(dòng)兩端——?jiǎng)涌倐?cè)、車身側(cè))、質(zhì)心三向加速度和驅(qū)動(dòng)軸扭矩載荷譜。

圖3 懸置系統(tǒng)載荷迭代流程

1.3 載荷試驗(yàn)迭代方案

本文通過分析比較,制定懸置系統(tǒng)主要載荷的5種迭代方案,具體如下:

(1) 方案1為“驅(qū)動(dòng)軸扭矩+車身側(cè)加速度”信號控制迭代。

(2) 方案2為“驅(qū)動(dòng)軸扭矩+(車身側(cè)+質(zhì)心)加速度”信號控制迭代。

(3) 方案3為“驅(qū)動(dòng)軸扭矩+(車身側(cè)+質(zhì)心+動(dòng)總側(cè))加速度”信號控制迭代。

(4) 方案4為“驅(qū)動(dòng)軸扭矩+動(dòng)總側(cè)加速度”信號控制迭代。

(5) 方案5為“驅(qū)動(dòng)軸扭矩+質(zhì)心加速度”信號控制迭代。

將迭代得到的臺架載荷譜與道路試驗(yàn)中采集的載荷譜進(jìn)行精度比較,可以確定最佳迭代方案。

2 試驗(yàn)相關(guān)的關(guān)鍵處理

2.1 懸置系統(tǒng)道路載荷譜采集

整車道路試驗(yàn)中所采用的道路覆蓋了車輛用戶在使用過程中可能遇到的30多種典型工況路面,如凹坑路、水泥波紋路、搓板路、鵝卵石路、比利時(shí)路、扭曲路和沙石路等。

本文對搭載整車綜合耐久道路試驗(yàn)車輛的懸置系統(tǒng)道路載荷譜進(jìn)行采集,使用HBM-SoMat公司生產(chǎn)的eDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),得到的采集通道(按2 048 Hz采樣率進(jìn)行載荷譜采集)及其與1.3節(jié)信號控制迭代方案對應(yīng)的關(guān)系見表1所列。

表1中:加速度單位為g;扭矩單位為N·m;Ctrl表示控制信號;Mon表示監(jiān)控信號;通道包括在動(dòng)力總成懸置安裝點(diǎn)的動(dòng)總側(cè)和車身側(cè)各布置3個(gè)三向加速度傳感器,在動(dòng)總質(zhì)心布置1個(gè)三向加速度傳感器,在兩側(cè)驅(qū)動(dòng)軸軸桿上安裝扭矩測試應(yīng)變片。三向加速度傳感器和應(yīng)變片安裝圖如圖4所示。

表1 道路載荷譜采集通道及信號控制迭代方案

圖4 三向加速度和應(yīng)變片安裝圖

2.2 臺架通道設(shè)置

六自由度振動(dòng)臺驅(qū)動(dòng)通道設(shè)置為3個(gè)平動(dòng)方向Long、Lat、Vert,3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向Roll、Pitch、Yaw,2個(gè)扭轉(zhuǎn)方向TIF1、TIF2,見表2所列。

2.3 載荷譜編輯

對試車場采集到的原始路譜進(jìn)行重采樣、去均值以及剪切等編輯處理,同時(shí)去除毛刺等異常數(shù)據(jù),平滑過渡斷點(diǎn),保持通道間相位關(guān)系[5,10]。編輯數(shù)據(jù)的主要目的是把原采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和壓縮,縮短試驗(yàn)周期。按照損傷等效原則,刪去信號中無損傷或小損傷信號[6],使編輯后的數(shù)據(jù)保留原始路譜98%以上的損傷值,得到臺架試驗(yàn)的目標(biāo)響應(yīng)譜。懸置系統(tǒng)載荷譜壓縮編輯流程界面如圖5所示。

2.4 輸入輸出信號之間關(guān)系建立

假設(shè)系統(tǒng)為線性系統(tǒng),可以根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出信號與頻響函數(shù)的關(guān)系由試驗(yàn)的目標(biāo)信號和頻響逆函數(shù)矩陣反推得到所需的驅(qū)動(dòng)信號。由于實(shí)際系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)(如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等)都存在一定程度上的非線性,根據(jù)線性系統(tǒng)計(jì)算出的驅(qū)動(dòng)信號去激勵(lì)系統(tǒng)時(shí)得到的響應(yīng)與期望響應(yīng)存在很大的誤差。為了消除非線性的影響,需要使用迭代的方法逐步修正驅(qū)動(dòng)信號,使系統(tǒng)的響應(yīng)逼近目標(biāo)信號。試驗(yàn)迭代的輸入、輸出關(guān)系如圖6所示。

由圖6可知,試驗(yàn)系統(tǒng)包括伺服控制器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(作動(dòng)器)、懸置系統(tǒng)和信號測量系統(tǒng),輸入信號向量為X,輸出信號向量為Y。迭代之前,六自由度振動(dòng)臺設(shè)置生成一個(gè)白噪聲驅(qū)動(dòng)譜(表2中的8個(gè)通道),其頻率和幅值覆蓋道路載荷譜。根據(jù)白噪聲驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲得響應(yīng)通道的響應(yīng)譜(輸出信號Y)和輸入信號X,可以求得頻響函數(shù)矩陣H[2,3,9,10],即

H=YT/XT

(1)

其中:輸出信號Y=[y1y2y3…ym],m為輸出信號數(shù),由表2可知m=8;輸入信號X=[x1x2x3…xn],n為輸入信號數(shù),實(shí)際由方案1～方案5確定;頻響函數(shù)H為m×n矩陣。

由(1)式可知,輸出信號Y可以表示為:

YT=HXT

(2)

即

(3)

由(3)式可得:

i=1,2,3,…,m

(4)

3 載荷譜迭代

3.1 迭代計(jì)算步驟

根據(jù)上述輸入信號與輸出信號之間的關(guān)系,得到如下的載荷譜迭代計(jì)算具體步驟。

(1) 利用系統(tǒng)頻響函數(shù)H-1與已編輯好的目標(biāo)信號Ydesire,計(jì)算得到初始驅(qū)動(dòng)信號X0。

(2) 加載初始驅(qū)動(dòng)信號X0,生成初始響應(yīng)信號Y0。

(3) 比較初始響應(yīng)信號Y0與目標(biāo)信號Ydesire,將兩者的差值乘以系統(tǒng)頻響函數(shù)的逆矩陣H-1,再乘迭代因子g,加上初始驅(qū)動(dòng)信號X0,計(jì)算得到第1次驅(qū)動(dòng)信號X1。

(4) 重復(fù)步驟(2)和步驟(3),依次得到第1次響應(yīng)信號Y1和第2次驅(qū)動(dòng)信號X2、第2次響應(yīng)信號Y2和第3次驅(qū)動(dòng)信號X3、第3次響應(yīng)信號Y3和第4次驅(qū)動(dòng)信號X4,直至迭代到第n次響應(yīng)信號Yn與目標(biāo)信號Ydesire差值的均方根值與目標(biāo)信號Ydesire的均方根值之比小于規(guī)定值(一般為≤15%)時(shí),停止迭代。

(5) 以停止迭代時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號Xn作為最終的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)信號[9-10]。

3.2 最佳迭代方案獲取

按上述試驗(yàn)迭代計(jì)算步驟,對1.3節(jié)給出的5種方案分別開展迭代計(jì)算。

對道路載荷譜進(jìn)行編輯處理,刪除對懸置系統(tǒng)損傷貢獻(xiàn)小的小幅值信號,得到目標(biāo)載荷信號[7]。計(jì)算MAST驅(qū)動(dòng)譜和路試中懸置系統(tǒng)加速度之間、臺架扭矩和路試扭矩之間的傳遞函數(shù),通過迭代求取MAST的驅(qū)動(dòng)譜,保證全套懸置系統(tǒng)響應(yīng)信號與目標(biāo)信號接近一致[9-10]。

將迭代得到的臺架載荷譜與道路試驗(yàn)中采集的載荷譜進(jìn)行精度比較,獲得臺架試驗(yàn)結(jié)果與目標(biāo)信號較吻合的最佳方案。

限于篇幅,本文僅給出通過大量的試驗(yàn)方案迭代及比較得出的最佳試驗(yàn)迭代方案,即驅(qū)動(dòng)軸扭矩與車身側(cè)加速度信號控制迭代方案1,而在出現(xiàn)共振路況部分,采用驅(qū)動(dòng)軸扭矩與動(dòng)總質(zhì)心加速度控制迭代方案5。

比利時(shí)路面是一種典型的凸凹壞路,為整齊石塊路面[12],這種路面在整車道路耐久試驗(yàn)時(shí)很容易出現(xiàn)共振,因此最佳試驗(yàn)方案必須采用控制迭代方案5。其他30多種典型路面工況,沒有出現(xiàn)共振,因此最佳試驗(yàn)方案應(yīng)采用控制迭代方案1。

比利時(shí)路面容易產(chǎn)生共振,相較于其他路面工況控制迭代收斂更難。由于篇幅所限,下文以比利時(shí)路面工況為例來展示迭代結(jié)果:① 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置車身側(cè)和動(dòng)總質(zhì)心三向加速度(X、Y、Z3個(gè)方向)的響應(yīng)信號與目標(biāo)信號的時(shí)域比較;② 響應(yīng)信號與目標(biāo)信號的頻域比較;③ 均方根誤差統(tǒng)計(jì)值、均方根響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值、相對偽損傷。

4 目標(biāo)信號的道路模擬

4.1 時(shí)域信號比較

對比利時(shí)路面工況采用迭代方案5迭代后,發(fā)動(dòng)機(jī)懸置車身側(cè)和動(dòng)總質(zhì)心三向加速度響應(yīng)信號與目標(biāo)信號的時(shí)域比較如圖7所示。圖7中,藍(lán)色和紅色分別代表目標(biāo)和響應(yīng)信號,下文同。

圖7 時(shí)域加速度響應(yīng)信號與目標(biāo)信號的比較

4.2 頻域信號比較

對比利時(shí)路面工況采用迭代方案5迭代后,發(fā)動(dòng)機(jī)懸置車身側(cè)和動(dòng)總質(zhì)心三向加速度響應(yīng)信號與目標(biāo)信號的頻域比較如圖8所示。其中，PSD為功率譜密度。

圖8 頻域加速度響應(yīng)信號與目標(biāo)信號比較

從圖7和圖8可以看出,臺架響應(yīng)信號與目標(biāo)信號在時(shí)域和頻域中幾乎重合,這充分說明懸置系統(tǒng)在臺架上的受力狀態(tài)與在試車場中行駛的受力狀態(tài)幾乎相同,表明迭代結(jié)果的精度很高。

4.3 迭代誤差分析

均方根誤差統(tǒng)計(jì)值效果如圖9所示。圖9中,縱坐標(biāo)為臺架信號誤差均方根與路試信號均方根比值的百分?jǐn)?shù)。

圖9 比利時(shí)路均方根誤差統(tǒng)計(jì)值收斂情況

均方根響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值如圖10所示。圖10中,縱坐標(biāo)為臺架信號均方根與路試信號均方根比值的百分?jǐn)?shù)。

圖10 比利時(shí)路均方根響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值情況

由圖9可知,試驗(yàn)迭代的均方根誤差統(tǒng)計(jì)值小于等于15%;由圖10可知,均方根響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值大于等于95%。圖9和10表明,迭代獲得的計(jì)算結(jié)果均較為合理,滿足誤差要求。

迭代后,臺架驅(qū)動(dòng)響應(yīng)信號的相對偽損傷如圖11所示。其中:通道1表示左車身側(cè)支架X向加速度;通道2表示左車身側(cè)支架Y向加速度;通道3表示左車身側(cè)支架Z向加速度;通道4表示右車身側(cè)支架X向加速度;通道5表示右車身側(cè)支架Y向加速度;通道6表示右車身側(cè)支架Z向加速度;通道7表示后車身側(cè)支架X向加速度;通道8表示后車身側(cè)支架Y向加速度;通道9表示后車身側(cè)支架Z向加速度;通道10表示動(dòng)總質(zhì)心X向加速度;通道11表示動(dòng)總質(zhì)心Y向加速度;通道12表示動(dòng)總質(zhì)心Z向加速度;通道13表示左驅(qū)動(dòng)軸扭矩;通道14表示右驅(qū)動(dòng)軸扭矩。

圖11 相對偽損傷

由圖11可知,相較于目標(biāo)信號,迭代后臺架驅(qū)動(dòng)響應(yīng)信號的相對偽損傷基本控制在0.8～1.2之間,各通道的相對損傷值均在可接受的范圍內(nèi)。

因此,迭代獲得的驅(qū)動(dòng)信號對路面實(shí)測的載荷復(fù)現(xiàn)得很好。

5 試驗(yàn)結(jié)果

整個(gè)臺架模擬試驗(yàn)中應(yīng)用了綜合路試中采集的30多種典型路面工況對應(yīng)的載荷譜來驗(yàn)證全套懸置系統(tǒng)的耐久性能。

為了驗(yàn)證動(dòng)力總成全套懸置系統(tǒng)臺架耐久模擬試驗(yàn)方法的有效性,在某車型開發(fā)中,開展第1輪綜合道路試驗(yàn)驗(yàn)證的同時(shí),基于帶環(huán)境溫度艙的MAST,搭建如圖2所示的包含動(dòng)力總成、3個(gè)懸置系統(tǒng)、左右驅(qū)動(dòng)軸在內(nèi)的系統(tǒng)臺架試驗(yàn),通過加載驅(qū)動(dòng)譜和設(shè)定溫度條件開展環(huán)境艙內(nèi)的全套懸置系統(tǒng)的臺架模擬試驗(yàn)。

模擬實(shí)際環(huán)境控制懸置系統(tǒng)的溫度,按照最佳試驗(yàn)迭代方案,將前述迭代停止時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號Xn作為最終的驅(qū)動(dòng)信號Xdrive,按照道路試驗(yàn)規(guī)范循環(huán)順序及次數(shù)將驅(qū)動(dòng)信號串聯(lián)成試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)譜,對懸置系統(tǒng)進(jìn)行加載,以此來考核懸置系統(tǒng)的耐久可靠性。

在開展六自由度臺架試驗(yàn)與綜合道路試驗(yàn)后,均發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)左側(cè)橡膠懸置系統(tǒng)出現(xiàn)失效,具體開裂的位置與裂紋情況如圖12所示。

圖12a所示為臺架試驗(yàn)運(yùn)行過程中,載荷譜對應(yīng)整車路試當(dāng)量里程約11 280 km時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)左懸置總成出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,裂紋長約5 mm,右懸置總成和后懸置總成均未失效。

圖12b所示為在整車綜合道路試驗(yàn)中,發(fā)動(dòng)機(jī)左懸置總成在路試12 000 km時(shí)出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象,開裂位置與臺架上開裂位置一致,裂紋長約10 mm,右懸置總成和后懸置總成均未失效。

由圖12可知,對于該車型發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的失效情況,這一輪臺架試驗(yàn)結(jié)果與路試結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了本文提出的動(dòng)力總成全套懸置系統(tǒng)臺架耐久模擬試驗(yàn)方法的有效性。

圖12 懸置系統(tǒng)失效圖

6 結(jié) 論

(1) 本文對六自由度振動(dòng)臺應(yīng)用RPC技術(shù),通過提出的試驗(yàn)迭代,有效地獲得了懸置系統(tǒng)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)載荷譜。

(2) 比利時(shí)路面工況的案例表明,無論是車身側(cè)加速信號,還是動(dòng)總質(zhì)心的加速信號,在時(shí)域和頻域的迭代信號都能與采集信號吻合,且迭代精度滿足誤差要求。因此,本文提出的臺架模擬迭代方法能有效再現(xiàn)路試懸置系統(tǒng)相關(guān)載荷譜。

(3) 臺架模擬試驗(yàn)中, 左懸置出現(xiàn)故障的里程數(shù)與路試發(fā)現(xiàn)故障的里程比較接近, 且左懸置失效模式、開裂位置與形狀也與路試情況高度吻合。因此,驗(yàn)證了本文提出的全套懸置系統(tǒng)臺架耐久模擬試驗(yàn)方法是有效且可靠的。

(4) 本文提出的懸置系統(tǒng)臺架耐久模擬試驗(yàn)方法不僅可以有效地對帶有動(dòng)力總成的全套懸置系統(tǒng)進(jìn)行快速耐久驗(yàn)證,替代過去采用整車綜合路試對懸置系統(tǒng)進(jìn)行完整考核的驗(yàn)證手段,還可用于早期快速驗(yàn)證懸置系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,減少整車道路試驗(yàn)的輪次,從而提升整車產(chǎn)品的開發(fā)效率。