基于遠(yuǎn)程參數(shù)控制的DCT關(guān)鍵零部件道路模擬試驗(yàn)

鄒喜紅 譙 凱 石曉輝 余 勇 易 鵬

1.重慶理工大學(xué)汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400054

2.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院，重慶，400054

0 引言

雙離合自動(dòng)變速器（DCT）整機(jī)效率高，在燃油經(jīng)濟(jì)性和成本之間達(dá)到了較好的平衡，因而被認(rèn)為是目前國內(nèi)最具發(fā)展前景的一種新型自動(dòng)變速器［1］。由于路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的存在，DCT中的閥體、傳感器及電子元件等關(guān)鍵零部件長期工作在劇烈的振動(dòng)沖擊之下，其疲勞可靠性是DCT各項(xiàng)性能中最基本和最重要的性能之一，同時(shí)也是我國自主研發(fā)DCT產(chǎn)業(yè)化急需解決的關(guān)鍵問題之一。目前，由于試驗(yàn)手段和試驗(yàn)方法的欠缺，國內(nèi)外普遍采用試驗(yàn)場整車試驗(yàn)來考察DCT及其關(guān)鍵零部件的疲勞可靠性，試驗(yàn)周期長，試驗(yàn)結(jié)果受環(huán)境因素影響較大；部分企業(yè)采用傳統(tǒng)手動(dòng)機(jī)械變速器臺(tái)架試驗(yàn)手段和方法，難以對(duì)DCT閥體、傳感器及電子元件等關(guān)鍵零部件在實(shí)際行駛時(shí)的可靠性進(jìn)行準(zhǔn)確考核。

相比之下，基于遠(yuǎn)程參數(shù)控制（RPC）的道路模擬試驗(yàn)技術(shù)可以很好地復(fù)現(xiàn)車輛在實(shí)際行駛過程中所遇到的各種工況，同時(shí)可以消除外界環(huán)境對(duì)試驗(yàn)的影響，具有試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際接近、周期短、成本低、可重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)。基于RPC的道路模擬試驗(yàn)的主要步驟為：①采集道路載荷譜；②分析、編輯載荷譜得到期望響應(yīng)信號(hào)；③計(jì)算系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)；④生成道路模擬試驗(yàn)的初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)；⑤模擬迭代；⑥道路模擬試驗(yàn)。目前這種技術(shù)在汽車整車及零部件的疲勞可靠性試驗(yàn)中發(fā)揮著越來越重要的作用，國外主要汽車生產(chǎn)廠家?guī)缀醵紦碛械缆纺M試驗(yàn)手段和能力，我國許多汽車生產(chǎn)廠家和有關(guān)科研機(jī)構(gòu)也相繼引進(jìn)了這種類型的試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了很多富有成果的試驗(yàn)研究工作［2］。盡管道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)在汽車整車及零部件的疲勞可靠性試驗(yàn)中得到了較廣泛的應(yīng)用，但在汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用較少。本文提出了一種基于RPC技術(shù)的DCT道路模擬試驗(yàn)方法，以考核DCT閥體、傳感器及電子元件等關(guān)鍵零部件的疲勞可靠性。

1 DCT道路沖擊載荷譜采集與分析

現(xiàn)有的道路載荷譜測量方法一般有六分力傳感器法、五輪儀法、軸頭響應(yīng)法等，但這些方法所使用的儀器比較昂貴，且實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜，因此使用較少［2-4］。本試驗(yàn)采用加速度傳感器法，在理論上將整車的振動(dòng)系統(tǒng)簡化為多點(diǎn)激勵(lì)的自由振動(dòng)系統(tǒng)，將DCT閥體、傳感器、電子元件等關(guān)鍵零部件的振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)作為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并以此響應(yīng)作為道路模擬的目標(biāo)迭代信號(hào)［5］。

在DCT的閥體、傳感器、接插件和自動(dòng)變速箱控制單元（TCU）等零部件附近布置三向加速度傳感器，測量其對(duì)路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)綜合作用下的響應(yīng)；受實(shí)際安裝情況影響，在箱體內(nèi)部不易貼片，于是選取懸置側(cè)板及底部、雙離合器附近肋板等應(yīng)力較大區(qū)域布置應(yīng)變測點(diǎn)，部分測點(diǎn)布置如圖1所示，其中，AC1～AC4為傳感器編號(hào)，S1、S2為應(yīng)變片編號(hào)。汽車裝載質(zhì)量、輪胎氣壓等嚴(yán)格按照《汽車道路試驗(yàn)方法通則》（GB／T 12534-90）執(zhí)行，在數(shù)據(jù)采集過程中用GPS車速儀對(duì)車速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測［6］。試驗(yàn)路段選擇襄陽試車場的綜合路、工況路、高速環(huán)道和山區(qū)路，各種路面的分配比例和行駛車速按某企業(yè)整車可靠性試驗(yàn)方法設(shè)置；為驗(yàn)證采集載荷譜的可靠性和重復(fù)性，每種路段上采樣三個(gè)循環(huán)。

圖1 部分傳感器安裝示意圖

采集的原始響應(yīng)信號(hào)中可能混入了一些非真實(shí)的信號(hào)，如零點(diǎn)漂移、趨勢項(xiàng)和高頻噪聲等，為保證載荷譜的可靠性和真實(shí)性，需要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行必要的分析和處理，消除偽信號(hào)的方法通常有濾波、除均值和除偏置等［3］。圖2中的曲線1表示采集到的原始應(yīng)變信號(hào)，其出現(xiàn)了明顯的零點(diǎn)漂移，為了消除偽信號(hào)，對(duì)采集到的原始信號(hào)進(jìn)行濾波處理。實(shí)踐表明，道路模擬試驗(yàn)機(jī)在0～50Hz頻段內(nèi)具有較好的動(dòng)態(tài)特性，路面對(duì)車輛的垂直方向的振動(dòng)頻率在0.5～20Hz頻段內(nèi)［7-8］，因此對(duì)原始響應(yīng)信號(hào)采用0～50Hz低通濾波，經(jīng)過對(duì)比可以看出，濾波以后零點(diǎn)漂移得到了徹底的消除，而信號(hào)的幅值和趨勢均沒有發(fā)生變化。

圖2 濾波前和濾波后信號(hào)對(duì)比

在采集到的原始響應(yīng)信號(hào)中刪除對(duì)疲勞損傷貢獻(xiàn)較小的信號(hào)段及奇異信號(hào)［9］，提取每種路面的時(shí)域信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行功率譜分析，圖3所示為在相同車速下共振路、坡道路、砂石路、坑洼路、礫石路閥體附近垂直方向加速度功率譜密度曲線，可以看出，路面引起的振動(dòng)能量主要集中在30Hz以下的低頻范圍內(nèi)，以12Hz附近最為集中，在5～30Hz范圍內(nèi)各種路面的功率譜密度從大到小依次為共振路、砂石路、礫石路、坑洼路、坡道路。

圖3 典型路面功率譜密度

為選取合適的模擬目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)，對(duì)同種路面上不同測點(diǎn)垂直方向加速度信號(hào)做功率譜密度分析，如圖4所示，曲線1～7分別代表測點(diǎn)AC1～AC7，由路面引起的0.5～20Hz振動(dòng)頻段內(nèi)各點(diǎn)功率譜密度差異不大，因而選取本試驗(yàn)著重關(guān)注的DCT閥體附近的AC3測點(diǎn)作為模擬目標(biāo)響應(yīng)點(diǎn)。為檢驗(yàn)迭代后生成的振動(dòng)載荷譜的模擬精度，選取布置在DCT接插件、TCU位置附近的AC2、AC4測點(diǎn)作為監(jiān)控點(diǎn)。

圖4 各測點(diǎn)功率譜密度

2 道路模擬試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的生成

為反映DCT在實(shí)際車輛上的安裝情況，本文設(shè)計(jì)了DCT道路模擬試驗(yàn)安裝系統(tǒng)（圖5），并對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析，保證系統(tǒng)在0～50Hz范圍內(nèi)沒有共振點(diǎn)。安裝系統(tǒng)主要包括支撐夾具、懸置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、角形支架和支撐平板等，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與變速器通過角形支架與DCT變速器連成一體，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器與DCT輸入軸相連，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速輸入，以便DCT能夠進(jìn)行正常換擋；變速器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過原車上的4套懸置安裝在支撐夾具上，4套支撐夾具安裝在液壓作動(dòng)器支撐的平板上，較好地反映了DCT在實(shí)車上的安裝情況。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)安裝示意

按圖5所示安裝好DCT后，在試車場采集載荷譜測點(diǎn)的相同位置布置加速度和應(yīng)變傳感器，用選取的目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行模擬迭代。首先通過RPC產(chǎn)生寬帶數(shù)字白噪聲信號(hào)X（f）作為液壓作動(dòng)器的輸入，同時(shí)采集目標(biāo)響應(yīng)點(diǎn)的輸出Y（f），根據(jù)下式求解系統(tǒng)的頻響函數(shù)H（f）（圖6）：

式中，Sxy（f）為輸入與輸出的互功率譜；Sxx（f）為輸入的自功率譜。

圖6 系統(tǒng)頻響函數(shù)

由圖6可以看出，系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性在0～50Hz范圍內(nèi)有兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在12Hz附近，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在39Hz附近。仔細(xì)觀察圖6和圖3可以發(fā)現(xiàn)，頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性的第一個(gè)峰值點(diǎn)正好是圖3中載荷譜能量最大的頻率點(diǎn)，說明圖3中載荷譜的主要峰值在一定程度上由系統(tǒng)本身的頻率響應(yīng)特性引起，因此可以通過調(diào)整各點(diǎn)懸置參數(shù)來改善12Hz附近的頻率響應(yīng)特性，從而改善DCT的振動(dòng)情況。

用編輯的目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)和測量的系統(tǒng)頻響函數(shù)逆矩陣 H-1（f），按公式X（f）＝ H-1（f）Y（f）計(jì)算初始激勵(lì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)X1（f）；用X1（f）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過傳感器回收響應(yīng)信號(hào)Y1（f），將Y1（f）與目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)Y（f）進(jìn)行比較獲得信號(hào)ΔY，通過誤差信號(hào)與系統(tǒng)頻響函數(shù)逆矩陣計(jì)算校正信號(hào)ΔX（f）＝H-1（f）ΔY（f）。校正信號(hào) ΔX（f）乘上衰減系數(shù)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)X1（f）相加得到第二次驅(qū)動(dòng)信號(hào)X2（f），重復(fù)以上步驟，直到響應(yīng)信號(hào)Yn（f）與目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)Y（f）的誤差在可以接受的范圍內(nèi)為止［2］。用最后一次迭代的驅(qū)動(dòng)信號(hào)建立驅(qū)動(dòng)信號(hào)文件，圖7所示為試車場工況路和綜合路迭代后的最終驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖7 迭代后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)

采用圖7所示驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行激振，在控制測點(diǎn)重新拾取響應(yīng)信號(hào)，將拾取響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域的比較［10-11］。圖8為工況路和綜合路模擬響應(yīng)信號(hào)與實(shí)際道路行駛信號(hào)對(duì)比圖，其中，曲線1為采集的實(shí)際道路行駛信號(hào)，曲線2為模擬響應(yīng)信號(hào)。可以看出，模擬響應(yīng)信號(hào)逼近實(shí)際道路采集的目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)，在0～30Hz頻段內(nèi)兩者幅值及變化趨勢基本一致。盡管模擬信號(hào)丟失了部分高頻信息，但由圖3可知，DCT振動(dòng)載荷譜能量主要集中在0～30Hz的低頻部分，因此DCT振動(dòng)載荷譜得到了很好的再現(xiàn)。

圖8 模擬響應(yīng)信號(hào)與控制響應(yīng)信號(hào)對(duì)比

3 模擬試驗(yàn)

室內(nèi)模擬試驗(yàn)以襄陽試車場實(shí)車耐久試驗(yàn)4萬千米的路面比例和不同擋位換擋次數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)室內(nèi)道路模擬耐久試驗(yàn)的路面信息和擋位信息進(jìn)行分配，將不同路面的驅(qū)動(dòng)信號(hào)加載到道路模擬試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行DCT道路模擬試驗(yàn)，同時(shí)收集監(jiān)測點(diǎn)信號(hào)（圖9）和DCT換擋信號(hào)。圖9中，曲線1為試車場采集監(jiān)測點(diǎn)加速度信號(hào)，曲線2為模擬試驗(yàn)采集相同監(jiān)測點(diǎn)加速度信號(hào)，可以看出，監(jiān)測點(diǎn)處模擬響應(yīng)信號(hào)與實(shí)際響應(yīng)信號(hào)的變化趨勢和幅值在0～30Hz的低頻段吻合很好，只是在高頻部分有一些差異，但高頻部分本身幅值很小，對(duì)試驗(yàn)基本不產(chǎn)生影響。根據(jù)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測道路模擬試驗(yàn)時(shí)DCT換擋的雙離合器壓力、換擋位置等信息，可以方便地分析DCT是否出現(xiàn)換擋故障。整個(gè)試驗(yàn)過程中DCT雙離合器壓力及主壓力都比較穩(wěn)定，但出現(xiàn)了2次2擋降1擋失敗的現(xiàn)象，通過分析和排查，排除了液壓系統(tǒng)本身故障的因素，確定換擋失敗是由于TCU電源搭鐵接觸不良。

圖9 監(jiān)測點(diǎn)加速度功率譜密度比較

4 結(jié)論

（1）試車場實(shí)際行駛信號(hào)和室內(nèi)模擬響應(yīng)信號(hào)對(duì)比結(jié)果表明，試車場實(shí)際行駛信號(hào)在室內(nèi)得到了很好的模擬和再現(xiàn)，本文所建立的試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方法完全正確，遠(yuǎn)程參數(shù)控制道路模擬試驗(yàn)技術(shù)可以應(yīng)用于DCT等自動(dòng)變速器關(guān)鍵零部件室內(nèi)可靠性試驗(yàn)中。

（2）分析采集的道路載荷譜和系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)發(fā)現(xiàn)，在12Hz附近均出現(xiàn)較大峰值，因此可以通過調(diào)整各懸置匹配參數(shù)來改善12Hz附近的頻率響應(yīng)特性，從而改善DCT的振動(dòng)情況。

（3）本文采用單通道道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)DCT關(guān)鍵零部件道路模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行了探索性研究，但為獲得更高的模擬迭代精度，需建立多通道道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

［1］牛樹宇，黃安華.雙離合自動(dòng)變速器是我國未來自動(dòng)變速器的最佳選擇［J］.農(nóng)機(jī)使用與維修，2009（5）：21-22.Niu Shuyu，Huang Anhua.Dual Clutch Transmission is the Best Choice of Automatic Transmission in Our Country in the Future［J］.Farm Machinery Using ＆ Maintenance，2009（5）：21-22.

［2］雷達(dá)，陳劍，汪學(xué)嶺.汽車電器試驗(yàn)臺(tái)道路模擬試驗(yàn)方法的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2009（8）：67-69.Lei Da，Chen Jia，Wang Xueling.Research and Implementation of Road Simulation for Automotive Electric Products Test Bed［J］.Noise and Vibration Control，2009（8）：67-69.

［3］鄒喜紅，石曉輝，施全，等.基于道路模擬的摩托車動(dòng)力學(xué)建模與仿真［J］.中國機(jī)械工程，2010，21（3）：372-377.Zou Xihong，Shi Xiaohui，Shi Quan，et al.Modeling and Simulation of Motorcycle Dynamics Based on Road Simulation［J］.China Mechanical Engineering，2010，21（3）：372-377.

［4］王霄鋒.汽車可靠性工程基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［5］張立軍，司揚(yáng)，余卓平.燃料電池轎車動(dòng)力系統(tǒng)及其零部件道路模擬試驗(yàn)［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37（2）：244-248.Zhang Lijun，Si Yang，Yu Zhuoping.Investigation Into Road Simulation Experiment of Powertrain and Its Key Components of a Fuel Cell Passenger Car［J］.Journal of Tongji University，2009，37（2）：244-248.

［6］馬浩松.汽車座椅六通道道路模擬試驗(yàn)的研究［J］.上海汽車，2010（4）：8-12.Ma Songhao.Research of Road Simulation Test for Auto-seat based on 6-Channel Test System［J］.Shanghai Auto，2010（4）：8-12.

［7］Karbassian A，Bonathan D，Katakami T.Accelerated Vibration Durability Testing of a Pickup Truck Rear Bed［J］.SAE Paper，2009-01-1406.

［8］Wu V，Andrews G，Vermeulen C，et al.Effective Solutions to Decreasing Load Conflicts Using 4DOF Road Test Simulators［J］.SAE Paper，2007-01-1350.

［9］錢立軍，吳道俊，楊年炯，等.基于室內(nèi)道路模擬技術(shù)的整車加速耐久性試驗(yàn)的研究［J］.汽車工程，2011，33（2）：91-95.Qian Lijun，Wu Daojun，Yang Nianjiong，et al.A Research on Vehicle Accelerated Durability Test Based on Indoor Road Simulation Technology［J］.Automotive Engineering，2011，33（2）：91-95.

［10］李光攀，過學(xué)迅，楊波，等.汽車耐久可靠性試驗(yàn)方法［J］.天津汽車，2008（10）：34-37.Li Guangpan，Guo Xuexun，Yang Bo，et al.Research on Test Methods of Durability and Reliability of Vehicle［J］.Tianjin Auto，2008（10）：34-37.

［11］江浩斌，戴云，于林濤.基于六通道道路模擬機(jī)的重型汽車路面激勵(lì)再現(xiàn)試驗(yàn)［J］.汽車技術(shù)，2008（9）：46-49.Jiang Haobin，Dai Yun，Yu Lintao.Road Surface Excitation Reappearance Experiment on Heavyduty Truck Based on 6-Channel Road Simulator［J］.Automobile Technology，2008（9）：46-49.