單軸振動臺振動質(zhì)量的改進(jìn)

張 博，姚 烈

（上海汽車股份有限公司乘用車分公司技術(shù)中心，上海 201804）

0 引 言

垂向振動對于大多數(shù)車身內(nèi)外飾零部件來說是車輛行駛在道路上的主要振動能量來源，垂向振動臺就是模擬道路垂向振動輸入的試驗(yàn)設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。

目前，應(yīng)用較多的垂向振動臺為電磁振動臺。電磁振動臺振動頻帶較寬，一般為5～1000Hz，有的甚至更高，出力較小，且控制器方式簡單，只能設(shè)置功率譜做隨機(jī)振動，無法進(jìn)行迭代實(shí)時(shí)路譜試驗(yàn)。另一種應(yīng)用較普遍的振動臺原理是液壓，多為多自由度控制，控制復(fù)雜可進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)，振動臺振動頻帶較低（0.5～50Hz），出力較高。隨著靜液壓軸承作動缸的出現(xiàn)，液壓作動缸的頻帶可以高達(dá)200Hz甚至500Hz，如果以靜壓軸承作動缸為振動源集成為單軸垂向振動臺，既可以兼顧低頻振動又可以進(jìn)行迭代實(shí)時(shí)路譜道路模擬試驗(yàn)，對零部件的試驗(yàn)認(rèn)證有很大的幫助。針對此，本文設(shè)計(jì)了一個單軸垂向振動臺。

圖1 單軸振動臺

圖2 控制原理圖

圖3 驗(yàn)收關(guān)鍵信號反饋圖

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

單軸垂向振動臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其控制原理[1-3]如圖2所示。

2 項(xiàng)目驗(yàn)收問題

試驗(yàn)臺驗(yàn)收做道路模擬試驗(yàn)比較順利，做2.5g（5～20Hz）掃頻試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際調(diào)試中臺面加速度反饋信號不能接受，如圖3所示。

可以看出，臺面加速度在波峰和波谷中有巨大的波動，且不平滑。前期分析的故障可能和伺服閥的非線性、氣彈簧系數(shù)以及作動缸內(nèi)的庫倫摩擦力有關(guān)。

3 系統(tǒng)工作機(jī)理及仿真模型的建立

振動源雙桿活塞式液壓缸，結(jié)構(gòu)如圖4所示?；钊麅蓚?cè)都裝有活塞桿，由于兩腔的有效面積相等，故活塞往返的作用力和運(yùn)動速度相等，其運(yùn)動數(shù)學(xué)關(guān)系[4]如下式所示：

式中作動缸出力為左右腔室的壓差乘以有效面積A，P1為左側(cè)腔室壓力，P2為右側(cè)腔室壓力，有效面積A為活塞面積減柱塞面積。

假設(shè)液壓油不可壓縮，柱塞的運(yùn)動速度就是流入作動缸的總流量除以有效面積，如式（2）所示。那么對柱塞速度微分就得到了柱塞的加速度。由于作動缸的柱塞和振動臺面是剛性連接，柱塞的加速度就是振動臺面的加速度，如下式所示：

圖4 液壓振動工作原理圖

圖5 仿真模型原理圖

伺服閥的控制電流與流量成正比，速度的微分為加速度，阻塞面積一定，可以找到伺服閥控制電流與臺面加速度的數(shù)學(xué)關(guān)系[5-6]，從而達(dá)到有效控制的目的，進(jìn)而可以構(gòu)建模型構(gòu)架圖[7-8]，如圖5所示。

模擬模型主要包括伺服閥模型、作動缸模型和控制器。作動缸模型還包括作動缸動態(tài)模型和作動缸安裝底座的動態(tài)模型，氣囊也是要考慮的，也包含非線性因素的伺服閥，伺服閥性能曲線在伺服閥性能試驗(yàn)機(jī)上獲得，該設(shè)備應(yīng)用的相同伺服閥性能曲線如圖6所示。X-Y軸沒有單位，這就需要在仿真模型中調(diào)節(jié)刻度。根據(jù)仿真模型，控制器為常規(guī)比例控制，事實(shí)上控制器的結(jié)構(gòu)只會對以上問題有微小的影響。

4 仿真試驗(yàn)及結(jié)果

針對可能引起該驗(yàn)收問題的原因，設(shè)計(jì)了4個仿真試驗(yàn)，利用模型檢測這些參數(shù)對最后試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1）考慮伺服閥的非線性因素，分別輸入線性的和非線性的伺服閥曲線，觀察最后加速度反饋結(jié)果。

2）逐漸增加氣彈簧的系數(shù)，觀察最后加速度反饋結(jié)果。

3）逐漸增加氣彈簧的系數(shù)庫倫摩擦力，觀察最后加速度反饋結(jié)果。

4）逐漸增加彈簧載荷，觀察最后加速度反饋結(jié)果。

4.1 伺服閥非線性因素影響

當(dāng)不考慮伺服閥的非線性時(shí)，加速度的信號如圖7所示，信號很完美。但是，由于圖6中伺服閥的非線性，雖然控制參數(shù)鎖定了，但是伺服閥流量變成非線性。當(dāng)非線性發(fā)生在零點(diǎn)附近時(shí)，作動缸的兩個腔室的壓力會下降，從而影響伺服閥的控制流量導(dǎo)致波動，從而加速度會隨著流量的波動而波動，如圖8所示。這說明伺服閥的非線性確實(shí)是加速度反饋不穩(wěn)的一個原因。

4.2 氣彈簧參數(shù)影響

在仿真模型中，將氣彈簧的系數(shù)由實(shí)際的2e8逐漸增加到2e10，加速度反饋如圖9所示，對比圖3的加速度輸出，表明加速度和彈簧系數(shù)關(guān)系不大。

4.3 庫倫摩擦力影響

圖6 三級伺服閥特性曲線

圖7 排除伺服閥的非線性因素

當(dāng)庫倫摩擦力在50～200N范圍內(nèi)變化時(shí)，臺面加速度如圖10所示，與圖8變化相比，發(fā)現(xiàn)庫倫摩擦力對臺面加速度有微小影響，有必要降低庫倫摩擦力以促進(jìn)加速度反饋信號質(zhì)量；但事實(shí)上試驗(yàn)用的作動缸是靜壓軸承作動缸，實(shí)際摩擦力不會超過5N，這樣庫倫摩擦力對加速度的輸出影響就可以忽略不計(jì)。

圖9 考慮彈簧力影響因素

圖10 考慮庫倫摩擦力影響因素

4.4 彈簧載荷影響

當(dāng)作動缸的球頭和臺面的連接比較松的時(shí)候，這個作用力就象一個作用于臺面的彈簧力，在仿真模型中改變彈簧力系數(shù)，變化范圍0～107N/m，最后加速度反饋如圖圖11所示，與圖8相比較，加速度反饋很相似但實(shí)際彈簧力系數(shù)不可能這么大，實(shí)際接近0，所以彈簧載荷的影響可以忽略不計(jì)。

圖11 考慮彈簧載荷影響因素

5 結(jié)束語

最后針對數(shù)學(xué)模型推測的因素依次進(jìn)行試驗(yàn)認(rèn)證：1）調(diào)換線性度好的伺服閥；2）關(guān)閉開啟氣彈簧；3）測量空載庫倫力；4）調(diào)節(jié)彈簧載荷等方法，收集臺面加速度反饋。最后得出結(jié)論：伺服閥非線性因素是影響作動缸輸出（位移、速度、加速度）質(zhì)量的主要原因，因此更換線性度好的伺服閥，可以解決振動質(zhì)量的問題。

另外，由于線性度好的伺服閥流量一般比較小，適合做振動異響試驗(yàn)；而有非線性特性的伺服閥流量一般比較大，適合做道路模擬試驗(yàn)。所以，在不同試驗(yàn)時(shí)，伺服閥需要切換以滿足不同類型的試驗(yàn)以確保試驗(yàn)質(zhì)量。

[1] 顧柏良.汽車工程手冊-試驗(yàn)篇[M].北京：人民交通出版社，2001：699-705.

[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊-液壓控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社出版，2004：85-89.

[3] Katsuhiko O.現(xiàn)代控制工程[M].3版.盧伯英，于海勛，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2001：235-242.

[4] 王守城.液壓傳動[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006：91-94.

[5] 左建民.液壓與氣壓傳動[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：23-36.

[6] 賈銘新.液壓傳動與控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，2001：55-68.

[7] 能超.計(jì)算方法-算法設(shè)計(jì)及其Matlab實(shí)現(xiàn)[M].2版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010：249-256.

[8] Mohand M，Michel M.Matlab與Simulink工程應(yīng)用[M].趙彥玲，吳淑紅，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002：3-11.

[9] Elmar S.電測技術(shù)[M].殳偉群，譯.北京：電子工業(yè)出版社出版，2005：41-42.