摘 要：汽車疲勞耐久試驗(yàn)主要分為客戶實(shí)際行駛的道路試驗(yàn)、試驗(yàn)場強(qiáng)化路試驗(yàn)和室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)。室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)由于不受外界因素影響、試驗(yàn)重復(fù)性好、精度高、試驗(yàn)周期短和成本低，已經(jīng)成為汽車開發(fā)驗(yàn)證的重要手段之一。在室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)中，最關(guān)鍵的技術(shù)是道路載荷譜的模擬，文章主要介紹汽車道路載荷的獲取和編輯，TWR迭代技術(shù)和迭代結(jié)果的分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，四立柱輪胎耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架可以很好地模擬道路載荷，從而實(shí)現(xiàn)整車及零部件的快速疲勞試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：輪胎耦合道路模擬測試臺(tái)架 TWR 載荷模擬 疲勞耐久試驗(yàn)

汽車生產(chǎn)廠家通常會(huì)利用試驗(yàn)場強(qiáng)化道路試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)來對汽車在客戶實(shí)際使用中承受的載荷進(jìn)行當(dāng)量模擬，在較短時(shí)間內(nèi)完成疲勞耐久性試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，車身的耐久性通常由路面的垂直輸入載荷所引起的扭轉(zhuǎn)和彎曲所決定，這種載荷可以通過在車輪下使用垂向作動(dòng)器施加激勵(lì)來模擬，這種類型的測試平臺(tái)被稱為4-poster（四立柱輪胎耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架）。輪胎耦合試驗(yàn)可以對車輛的俯仰、側(cè)傾和扭曲運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，一般可以模擬車身或車架80％的疲勞載荷。本文以福建奔馳汽車有限公司的四立柱輪胎耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架為例，分析道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架在汽車疲勞耐久試驗(yàn)中的應(yīng)用。

1 四立柱輪胎耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架簡介

四立柱輪胎耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架由液壓泵站、分油器、高低壓蓄能器、液壓作動(dòng)器、伺服控制系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。液壓泵站負(fù)責(zé)為作動(dòng)器提供動(dòng)力；分油器將液壓油分配并傳送到作動(dòng)器；伺服控制系統(tǒng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)節(jié)伺服閥使作動(dòng)器按照設(shè)定要求上下運(yùn)動(dòng)；電控系統(tǒng)生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過閉環(huán)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成各種指令動(dòng)作。

2 道路模擬試驗(yàn)

道路模擬試驗(yàn)主要包括以下4個(gè)步驟：①道路載荷譜獲取；②數(shù)據(jù)處理；③TWR時(shí)域波形再現(xiàn)；④用迭代得到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，反復(fù)激勵(lì)測試件進(jìn)行疲勞耐久試驗(yàn)。

2.1 道路載荷獲取

研究發(fā)現(xiàn)，加速度傳感器適合采集高頻信號(hào)，位移傳感器適合采集低頻信號(hào)，為了降低誤差，需同時(shí)采集這兩種信號(hào)。本文以福建奔馳某商務(wù)車為研究對象，使用車輪軸頭加速度和減震器位移信號(hào)作為室內(nèi)臺(tái)架迭代試驗(yàn)時(shí)的目標(biāo)信號(hào)，在德國戴姆勒指定的試驗(yàn)場完成多次道路載荷譜采集。軸頭的響應(yīng)信號(hào)使用PCB公司的加速度傳感器，如圖2所示。減震器位移信號(hào)用德國米銥拉線式位移傳感器測量，分別裝于前后左右減振器處，如圖3所示，用Somat數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)采集不同工況和路面下軸頭處的加速度信號(hào)和前后橋減振器的位移信號(hào)，為臺(tái)架迭代試驗(yàn)提供目標(biāo)信號(hào)。為了驗(yàn)證試驗(yàn)的有效性，需要采集車身上的振動(dòng)加速度信號(hào)，用于后續(xù)迭代結(jié)果分析比較，評價(jià)試驗(yàn)的有效性，如圖4所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理

原始信號(hào)采集完成后，需篩選出最能反映實(shí)際道路工況的一組信號(hào)作為臺(tái)架迭代的目標(biāo)信號(hào)，然后再進(jìn)行信號(hào)剪輯、拼接、濾波等處理。

信號(hào)的選取，先檢查各個(gè)通道的信號(hào)是否存在異常，是否有噪聲信號(hào)輸入，剔除異常信號(hào)，然后對同一條道路多次測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，比如信號(hào)的最大值、最小值、平均值、方差等，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以排除異常信號(hào)，選取最有代表性的信號(hào)為目標(biāo)信號(hào)。

信號(hào)剪輯，為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，剪掉振動(dòng)幅值和能量較小的信號(hào)，剪掉的信號(hào)不宜過長，以避免引起信號(hào)失真。

信號(hào)拼接，迭代所用的目標(biāo)信號(hào)通常都由好幾段路組成，需要將不同路面的信號(hào)進(jìn)行拼接，兩個(gè)信號(hào)之間的連接方式需平滑、半正弦、線性，連接到兩點(diǎn)平均值。

信號(hào)濾波，對汽車振動(dòng)和疲勞影響較大的頻率大致在0.5～50Hz，福建奔馳采用N-code傅里葉濾波器對拼接好的信號(hào)進(jìn)行0.5～50Hz帶通濾波，所有信號(hào)濾波完成后，可去除明顯存在的毛刺，超低頻率信號(hào)可進(jìn)行時(shí)基壓縮，經(jīng)過一系列信號(hào)處理后便可得到用于臺(tái)架迭代的目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)，如圖5所示。

2.3 TWR迭代技術(shù)

IST公司提出的TWR（Time Waveform Replication）迭代過程分為2步：第一步，系統(tǒng)識(shí)別，找到作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)和車身上的響應(yīng)信號(hào)之間的傳遞關(guān)系；第二步，使用這個(gè)傳遞關(guān)系和迭代找到合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。TWR迭代流程圖如圖6所示。在試驗(yàn)過程中，我們假設(shè)車輛在一定的激勵(lì)和響應(yīng)水平內(nèi)是線性的，將車輛認(rèn)為是一個(gè)控制系統(tǒng)， 這個(gè)控制系統(tǒng)的輸入是作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 控制系統(tǒng)的輸出為車身的響應(yīng)信號(hào)（軸頭加速度和減震器位移傳感器信號(hào)），將目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)與作動(dòng)器激勵(lì)下采集的車身響應(yīng)信號(hào)，進(jìn)行不斷的比較和迭代，直到誤差收斂到能接受的范圍內(nèi)，最后一次迭代的加載譜就是試驗(yàn)所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，能夠在試驗(yàn)臺(tái)上再現(xiàn)汽車在各種不同特征路面上的振動(dòng)響應(yīng)。

通過數(shù)據(jù)采集和編輯得到期望的目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)假設(shè)為：

臺(tái)架生成隨機(jī)白噪聲信號(hào)X，加載X信號(hào)到系統(tǒng)，采集系統(tǒng)輸出Y，建立作動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)信號(hào)（輸入）與車身響應(yīng)信號(hào)（輸出）的數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算Y=[H]X，得出系統(tǒng)傳遞函數(shù)H。

通過計(jì)算得到傳遞函數(shù)H（f），求出原始驅(qū)動(dòng)信號(hào)：

式中為逆?zhèn)鬟f函數(shù)，為付氏變換，用原始驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)系統(tǒng)，收集車輛響應(yīng)信號(hào)，其中為反饋因子，一般。然后計(jì)算誤差：

再求出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的修正值

式中是的付氏變換，最后得到新的驅(qū)動(dòng)信號(hào)：

利用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，收集響應(yīng)，重復(fù)上述步驟，直到使響應(yīng)與的誤差可以接受為止，最后得到的就是滿足一定精度要求的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2.4 迭代結(jié)果分析

目標(biāo)信號(hào)和最終臺(tái)架驅(qū)動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的比較主要有：時(shí)間歷程比較（幅值誤差、最大值、最小值和RMS值等）；頻譜分析；雨流周期計(jì)數(shù)法；相對疲勞損傷計(jì)算等。

對比時(shí)域波形圖，系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào)和迭代的目標(biāo)信號(hào)在時(shí)間歷程上的曲線要盡量一致，兩者的均方根比值越接近100%越好，一般在90%左右，誤差和目標(biāo)信號(hào)的均方根比值越接近0越好，一般在5%左右，如圖7所示福建奔馳迭代結(jié)果圖。此時(shí)響應(yīng)信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)在時(shí)間歷程上重合度很好，如圖8所示，通過對比PSD曲線（功率譜密度），二者在頻域上也很接近，達(dá)到了較為理想的模擬精度。

通過雨流計(jì)數(shù)法把目標(biāo)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的載荷歷程簡化為若干個(gè)載荷循環(huán)，通過比較分析（見圖9），目標(biāo)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)也比較接近。

疲勞累積損傷，即在交變載荷下零件產(chǎn)生的損傷，隨著循環(huán)次數(shù)的增加而累積。本文使用N-Code 軟件進(jìn)行名義疲勞損傷計(jì)算，通過預(yù)先設(shè)定的S- N 曲線，計(jì)算名義損傷（pseudo damage）。結(jié)果如表1所示，通過比較發(fā)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的名義損傷值也比較接近。

通過分析，目標(biāo)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)較為接近，誤差在試驗(yàn)接受范圍內(nèi)，可以認(rèn)為臺(tái)架響應(yīng)信號(hào)能較好地模擬實(shí)際行駛過程中的目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)。

2.5 疲勞試驗(yàn)

完成TWR迭代后，選取最后一輪臺(tái)架迭代的作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為疲勞耐久試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，按耐久試驗(yàn)要求整合不同路面的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行排序并設(shè)置循環(huán)數(shù)。預(yù)留一個(gè)軸頭加速度傳感器，拆除其他加速度和位移傳感器，預(yù)留的加速度傳感器用于試驗(yàn)過程監(jiān)控，即可開始樣件的疲勞試驗(yàn)。定期查看預(yù)留的加速度信號(hào)，如果多次出現(xiàn)異常峰值，則一般是由減震器出現(xiàn)衰減或其他機(jī)械結(jié)構(gòu)件損壞導(dǎo)致。試驗(yàn)過程中需要定期檢查車身、底盤懸架、車架、門蓋、儀表板及其他內(nèi)外飾件是否出現(xiàn)磨損、開裂、干涉等問題，及時(shí)記錄和反饋相關(guān)問題。

3 結(jié)語

通過對試驗(yàn)的分析，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫靥娲囕v在實(shí)際道路上的疲耐久試驗(yàn)，不僅可以加速試驗(yàn)進(jìn)程，降低成本，提高新車型開發(fā)效率，而且更容易觀察到整車的運(yùn)動(dòng)形式和零部件之間的相互作用，為汽車零部件和整車的開發(fā)驗(yàn)證提供了可靠的試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)支持。

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