汽車制動硬管隨機振動環(huán)境的模擬與分析

方 晶, 鄭松林, 馮金芝, 陳 鐵

(上海理工大學機械工程學院,上海 200093)

汽車制動硬管隨機振動環(huán)境的模擬與分析

方 晶, 鄭松林, 馮金芝, 陳 鐵

(上海理工大學機械工程學院,上海 200093)

以汽車制動硬管為研究對象,基于隨機振動下的載荷特征,進行完全模擬道路試驗的室內(nèi)臺架振動可靠性試驗.根據(jù)隨機振動理論分析相關(guān)陪試件的頻域特性,提出了一種簡化的臺架振動環(huán)境模擬方案.基于該方案進行臺架試驗,通過自功率譜密度和累積能量分布兩方面的對比分析,證明該簡化方案在保證臺架試驗準確性的基礎(chǔ)上能夠更加高效地進行室內(nèi)試驗.最后總結(jié)相關(guān)陪試件對制動硬管振動特性的影響,并對室內(nèi)臺架振動模擬試驗進行可靠性評價,為結(jié)構(gòu)特殊的零部件搭建振動試驗臺架提供工程經(jīng)驗和技術(shù)借鑒.

制動硬管;隨機振動環(huán)境;振動特性;模擬實驗;可靠性

實際工程應用中振動問題普遍存在,汽車零部件在實車道路中的振動特性直接決定著其功能安全性和振動可靠性.因此,大多數(shù)情況下都要進行環(huán)境振動試驗來模擬產(chǎn)品的實際振動情況,考核產(chǎn)品的頻率響應特性,測試其性能和質(zhì)量[1].相比于復雜、昂貴,且持久的室外道路試驗,室內(nèi)道路模擬試驗由于其良好的可控性和可重復性、試驗周期短、費用低、限制因素較少等特點,已逐漸成為目前汽車可靠性試驗非常重要的手段之一[2-4].

由于制動硬管安裝在汽車底盤上,其周圍的環(huán)境十分惡劣,在實車道路中承受隨機載荷的工況下,對其可靠性和耐久性有很高的要求,因此掌握其振動特性對于分析制動硬管的振動可靠性具有重要意義.而對于制動硬管,由于其工作環(huán)境復雜,管面有防腐鍍層和熱收縮管保護層,管身造型獨特,連接形式較為特殊,導致直接在制動硬管上安裝加速度傳感器來監(jiān)測其振動信號難以實現(xiàn).因此,必須在室內(nèi)臺架振動模擬試驗中盡量還原其原始振動環(huán)境,通過間接采集法[5]在其相鄰陪試件上進行信號采集,研究對其振動產(chǎn)生較大影響的相關(guān)連接件的振動特性,以此來間接反映制動硬管的振動特性.但與此同時,相鄰陪試件的選取范圍也會直接影響目標零件的信號響應水平和試驗臺的激振功率大小.國內(nèi)外對于此類結(jié)構(gòu)特殊零部件的臺架振動模擬試驗多是采用完全模擬實車道路測試中零部件的安裝形式,保留全部相關(guān)連接件搭建臺架模型,因而搭建出來的臺架往往占用空間大,臺面上的試件較為笨重且質(zhì)量分布不集中,易產(chǎn)生過試驗現(xiàn)象[6],進而導致功率較高,難以提供進行加速分析的強化激振信號.因此,為了提高室內(nèi)模擬試驗的精度,建立準確且簡單的振動環(huán)境模擬試驗模型對振動可靠性試驗來說則顯得尤為關(guān)鍵.

本文以某轎車制動硬管在試車場道路試驗下的載荷特性為參考數(shù)據(jù),在確保制動硬管及其連接件在制動工況中承受隨機振動的前提下,分析原始臺架模擬實驗中相關(guān)陪試件的振動特性,提出簡化的振動環(huán)境模擬方案并進行臺架振動試驗.綜合分析試車場道路試驗及兩次臺架振動試驗的結(jié)果,依次從功率譜密度和累積能量分布[7-8]的角度分析比較相關(guān)陪試件的振動特性以及其對制動硬管振動可靠性的影響.根據(jù)新的振動環(huán)境模擬試驗方案的試驗效果驗證其合理性和準確性,為室內(nèi)臺架振動環(huán)境模擬方案的改進優(yōu)化提供了一種新的思路.

1 制動硬管隨機振動環(huán)境分析

制動硬管[9]作為整車制動系統(tǒng)中動力傳輸?shù)年P(guān)鍵性零件之一,其振動特性直接決定著制動系統(tǒng)的振動可靠性.而制動硬管的振動環(huán)境主要包括兩個方面:安裝環(huán)境和振動信號.

1.1 制動硬管工作環(huán)境分析

制動硬管與相關(guān)連接件在端部剛性連接,沒有密封墊片或密封圈之類的中間介體,因此從組成結(jié)構(gòu)上來說,在臺架振動模擬試驗中,其相鄰陪試件會對其振動產(chǎn)生較大影響,主要有:真空助力器、制動主缸、壓力調(diào)節(jié)器和從壓力調(diào)節(jié)器分出去的左前、右前、左后、右后4根硬管.其具體布局如圖1所示.

圖1 制動硬管在發(fā)動機艙內(nèi)的位置分布Fig.1 Location of the brake pipe in engine compartment

在發(fā)動機艙內(nèi),制動踏板給真空助力器的推桿下壓推力,真空助力器將推力通過制動主缸推桿傳遞到制動主缸,二者之間不相通.同時,制動主缸處于懸置狀態(tài),與壓力調(diào)節(jié)器由兩根制動硬管相連接,壓力調(diào)節(jié)器下端用兩個三角鋼板支架反扣在車身上,支架之間是橡膠墊柔性連接,簡化圖如圖2所示.

1.2 制動硬管室外道路振動環(huán)境分析

室外采譜道路選擇某試車場SVP強化道路[10],根據(jù)采樣定理,采樣頻率設(shè)置為500 Hz.結(jié)合上文中對制動硬管工作環(huán)境的分析和實車振動試驗測點的布置原則[11],在對其振動產(chǎn)生較大影響的連接件上布置測點,即真空助力器頂部(AZVPL1)、制動總缸側(cè)部(AZVPL2)、壓力調(diào)節(jié)器上部(AZBSVL)、車身靠近壓力調(diào)節(jié)器處(AZKAL).針對制動硬管的垂向振動特性,觀察各測點的Z向加速度信號.

圖2 制動硬管振動環(huán)境簡化圖Fig.2 Simplified diagram of the vibration environment for brake pipe

運用載荷譜分析應用軟件LMS Tecware,依據(jù)載荷譜處理方法[12]對采集到的四通道載荷時間歷程進行各通道同步,檢驗其隨機性和平穩(wěn)性.選擇樣本和濾波,消除奇異點,去除趨勢項,剪切過渡路面,完成基于雨流計數(shù)統(tǒng)計分析的載荷譜壓縮、外推和用戶關(guān)聯(lián)比例疊加等強化處理,形成了用于臺架振動試驗的目標載荷譜,如圖3所示.在載荷時間歷程中,橫坐標表示采樣時間t;縱坐標表示各通道加速度a.

圖3 4個Z向通道時間歷程(0～1 030 s)Fig.3 Time histories of four channels in Z direction(0～1 030 s)

根據(jù)隨機振動理論,在經(jīng)典的隨機振動分析[13]中,樣本時間歷程用x(t)表示,一般用功率譜密度函數(shù)(power spectral density function,PSD) SPSD(ω)來描述隨機振動過程,它定義了隨機振動的能量在頻域上的分布,通常采用快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)的方法由隨機振動的時域信號RPSD(τ)轉(zhuǎn)換得到,即

式(1)為經(jīng)典傅里葉變換公式,式中,T表示周期, s;ω表示頻率,Hz;t和τ表示時間,s.經(jīng)處理后得到的4個Z向通道的功率譜密度-頻率曲線如圖4所示,圖中,f表示功率.

圖4 4個Z向通道的功率譜密度曲線Fig.4 PSD curves of four channels in Z direction

根據(jù)圖中四通道PSD曲線,可以得出初步結(jié)論:

a.真空助力器、制動主缸、壓力調(diào)節(jié)器與車身振動的PSD曲線在16 Hz之前基本完全相同,可判斷路面不平引起的車身振動集中在低頻域內(nèi),由車身引起制動硬管及其連接件的振動,16 Hz之后制動硬管及連接件的振動情況與連接形式和發(fā)動機艙的內(nèi)部環(huán)境有關(guān);

b.真空助力器的振動情況與車身振動情況基本吻合,故可判斷真空助力器與車身連接非常緊固,起到支撐制動主缸的作用,視為可去除陪試件;

c.制動主缸固有頻率為78 Hz,處于懸置狀態(tài),壓力調(diào)節(jié)器的振動波峰出現(xiàn)在24,44,50 Hz,柔性作用明顯,制動主缸和壓力調(diào)節(jié)器與制動硬管直接連接,振動情況相互影響,故視為非可去除陪試件.

2 臺架振動環(huán)境模擬方案

2.1 原始室內(nèi)臺架振動試驗分析

室內(nèi)臺架試驗采用電動試驗臺,完全模擬實車中制動硬管的安裝形式設(shè)計試驗方案一,新的測點布置以及加速度傳感器的布置如圖5所示(見下頁),即真空助力器頂部(AZVPL1)、制動總缸側(cè)部(AZVPL2)、壓力調(diào)節(jié)器上部(AZBSVL)、壓力表位置處(AZBSVR)、鋼板支座(AZKAL1)和臺面(AZKAL2).

臺架試驗進行5～100 Hz的完全模擬道路試驗過程的隨機振動試驗,經(jīng)過處理得到其載荷時間歷程,進而得到其PSD曲線,如圖6所示(見下頁).

結(jié)合道路載荷譜和臺架振動試驗載荷譜的PSD曲線圖可知,臺面、夾具及試件共同對振動激勵有響應是從5 Hz開始,至100 Hz激振截止分別呈現(xiàn)出不同的曲線形式,代表了其各自的頻域特性,試驗方案可以模擬道路試驗信號.但是,該方案由于全部保留了制動硬管所有的相關(guān)陪試件,造成部分試件已伸出臺面,整個臺架結(jié)構(gòu)占用空間大;兩個鋼制夾具重量大、重心高,使得臺面上試件很重且質(zhì)量分布不集中,降低了振動傳遞效果的準確性;而且臺架功率大,不利于室內(nèi)振動環(huán)境的加速分析.

2.2 制動硬管振動環(huán)境模擬簡化方案

基于前文中功率譜密度分析結(jié)果,在保證制動硬管及其連接件在制動工況時承受隨機振動的前提下,就原始試驗方案的不足之處,對試驗臺架搭建模型進行改進,提出簡化的振動環(huán)境模擬方案,即方案二.

圖5 原始室內(nèi)臺架振動試驗模型Fig.5 Original vibration bench test model

圖6 原始臺架試驗六通道功率譜密度曲線Fig.6 PSD curves of six channels in original bench test

2.2.1 建立振動模擬環(huán)境的原則

制動硬管所處的環(huán)境包括運動和振動兩大要素.振動環(huán)境的模擬是模擬的核心,運動環(huán)境的模擬是振動環(huán)境模擬的保證.正確地建立制動硬管的模擬環(huán)境,應遵循的原則是盡可能地使目標零件承受和道路試驗過程中相同的振動環(huán)境;對制動硬管的相關(guān)陪試件進行改進優(yōu)化;降低臺架的重量和功率,使其在室內(nèi)臺架振動試驗中能夠更加高效地運行.

2.2.2 建立振動模擬環(huán)境的方法

在臺架模擬試驗中,建立與實車道路中相同的振動環(huán)境,主要包括軟環(huán)境和硬環(huán)境兩個部分.軟環(huán)境中,最大限度地模擬目標零件的振動特性,采用道路模擬實驗設(shè)備MTS對臺架模型輸入新的激振信號,通過反復迭代使其不斷接近目標零件的目標譜,重建振動環(huán)境.硬環(huán)境中,新的模擬模型在試驗方案一的基礎(chǔ)上進行如下改變:

a.用夾具替代真空助力器,保證制動主缸與夾具的接觸形式和制動主缸與真空助力器的接觸形式相同,保持絲杠對制動推桿的推力作用,推力值用油壓表確定;

b.移除前艙板,將制動主缸和壓力調(diào)節(jié)器分別固定于夾具上,折彎右前輪硬管,其端部保持原來彎曲形狀并伸展到臺面上,接壓力表并將其安裝于臺面內(nèi);

c.在保證垂向剛度的前提下,用鋁合金夾具替代原始的鋼制夾具,減輕夾具重量,并且將整個被試件的重心下移,提高振動傳遞效果的準確性,具體如圖7所示.

圖7 簡化的振動環(huán)境模擬試驗模型Fig.7 Simplified vibration environment simulation model

對于新設(shè)計的夾具進行模態(tài)分析,模態(tài)計算驗證了在5～100 Hz隨機振動試驗中不會達到夾具的固有頻率值,即不發(fā)生共振.

2.3 振動環(huán)境模擬簡化方案效果分析

按照簡化模型,布置與原始臺架試驗規(guī)范相同的加速度傳感器和對應通道,進行時間歷程為400 s的隨機振動試驗,采樣頻率均設(shè)置為500 Hz,分析處理得到PSD曲線分布如圖8所示.

圖8 模擬簡化模型的隨機試驗六通道功率譜密度曲線Fig.8 PSD curves of six channels in random vibration test of the simplified simulation model

下面基于載荷譜分析原理,依次從功率譜密度和累積能量分布的角度對前后兩種臺架振動試驗方案與試車場道路試驗信號中的通道信號進行分析比較,分析振動環(huán)境模擬簡化方案的效果.

2.3.1 功率譜密度分析

a.壓力調(diào)節(jié)器處信號對比(AZBSVL通道).

如圖9所示,壓力調(diào)節(jié)器固有頻率為49 Hz,兩種臺架振動試驗方案中壓力調(diào)節(jié)器處信號的PSD曲線在形式上較為相近,振動特性相似,均在固有頻率時激振能量最大,在20 Hz和50 Hz下出現(xiàn)峰值;而方案二在25～100 Hz平滑上升至峰值后平滑下降,說明在主要頻率處能量更集中,能夠在接近道路工況的振動情況下加速臺面振動信號能量的輸入.

圖9 壓力調(diào)節(jié)器處功率譜密度曲線對比圖Fig.9 PSD curves comparison chart of the pressure regulator

b.真空助力器處信號對比(AZVPL1通道).

如圖6和圖8所示,在兩種試驗方案中鋼板支座、真空助力器與臺面這3個測點的PSD曲線均基本重合,三者的固有頻率值均超過100 Hz.說明方案二中真空助力器處的設(shè)計合理,夾具的傳遞性能良好,并且進一步驗證了真空助力器與車身連接緊固,起到支撐固定作用.再由圖10中5～100 Hz頻率范圍內(nèi)的曲線形式來看,方案二明顯跟實車道路試驗得到的PSD曲線更為相近,在50～100 Hz之間不會產(chǎn)生峰值而且能量分布更集中,保持了道路試驗中的固有頻率特征,說明方案二的振動傳遞性能較好.

圖10 真空助力器處功率譜密度曲線對比圖Fig.10 PSD curves comparison chart of the vacuum booster

c.制動主缸處信號對比(AZVPL2通道).

觀察圖11可知,制動主缸固有頻率為78 Hz,處于懸置狀態(tài).方案二中制動主缸測點處的信號與實車道路測量信號更為接近,二者與方案一的信號曲線有很大不同,從而說明方案二的振動試驗更好地復現(xiàn)了實際車輛道路中制動主缸的振動形式.方案一中由于真空助力器作為單獨零件存在,對制動主缸的振動特性產(chǎn)生了相當大的影響.

圖11 制動主缸測點處功率譜密度曲線對比圖Fig.11 PSD curves comparison chart of the brake cylinder

由圖6和圖8可知,方案一中壓力表測點處PSD曲線出現(xiàn)3個較大波峰,與臺面和其它試件的振動形式均有較大差別,且在100 Hz之后還出現(xiàn)較小波動.而在方案二中將其置于臺面上后,其PSD曲線與臺面和支座基本一致,說明了方案一中的現(xiàn)象是由于壓力表遠離振動臺中心,由夾具懸置而引起的振動造成的.因此,方案二更加逼近實車道路試驗的振動形式.

2.3.2 累計能量分布分析

對上述3組PSD曲線進行積分,可得5～100 Hz頻率范圍內(nèi)的均方值,用φ2x表示,即代表了不同測點處的累計能量分布,具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示(見下頁).

兩種方案臺架振動試驗和道路試驗在各測點處的均方值在數(shù)值分布形式上基本相近,從而驗證了兩種試驗方案與道路試驗具有相近的振動特性,說明了兩種方案的設(shè)計均較為準確.

再結(jié)合表1可知,兩種方案中不同頻率下的能量占總能量的百分比非常接近.壓力調(diào)節(jié)器處的主要受振頻率范圍是15～60 Hz,3次試驗所受激振能量所占總能量分別為77.66%,76.02%,82.95%;真空助力器處的主要受振頻率范圍是5～80 Hz,分別占總能量值的79.20%,95.15%,93.41%;制動主缸處的主要受振頻率范圍是25～100 Hz,分別占總能量值的64.19%,85.95%,87.75%.以上結(jié)果反映出兩種方案臺架振動試驗均能達到道路試驗中在相同頻率范圍內(nèi)對能量分布的要求,且較道路試驗的能量更為集中,均能很好地模擬實車道路試驗.方案二中的振動環(huán)境模擬簡化方案更加簡便,比原始臺架振動試驗更好地獲得由臺面?zhèn)鬟f來的能量,提供強化信號,提高了振動信號能量的輸入,在更加逼近道路試驗的基礎(chǔ)上加速了室內(nèi)臺架試驗過程.

表1 不同試驗下各頻率處累計能量分布統(tǒng)計Tab.1 Accumulative energy distribution statistics in frequency domain in different tests

3 制動硬管臺架振動模擬試驗可靠性評價

在制動硬管的振動環(huán)境中,在保證制動硬管及其連接件在制動工況時承受隨機振動的前提下,從設(shè)計的臺架振動環(huán)境模擬簡化方案結(jié)果分析中可以看出:

a.制動硬管的相關(guān)連接件在隨機振動過程中會對被試件產(chǎn)生沖擊力,嚴重影響了制動硬管的振動特性,會使被試件的可靠性壽命發(fā)生褪化,形成故障源,加速其失效過程;

b.由于制動主缸懸置、壓力調(diào)節(jié)器與車身柔性連接,二者的振動特性互相影響,因此方案二相比于方案一而言,在保證以上零部件安裝形式不變的基礎(chǔ)上,使用鋁制夾具直接替代真空助力器的工作形式,使得方案二可以更加準確地模擬被試件的試車場道路試驗,并且減少了夾具懸置帶來的過振動現(xiàn)象,減輕了夾具重量,使得整個臺架重心下移,提高了振動傳遞效果的準確性、高效性和制動硬管的振動試驗可靠性.

4 結(jié)束語

基于制動硬管在實車道路上的載荷特性,嘗試運用載荷譜處理分析技術(shù),對制動硬管振動可靠性試驗產(chǎn)生影響的不同相關(guān)陪試件進行探索性研究,提出了一種振動環(huán)境模擬簡化方案,從自功率譜密度和能量分布兩個方面分別分析了振動試驗的可行性.研究結(jié)果顯示,簡化方案在保證零件振動試驗結(jié)果準確性的基礎(chǔ)上,相比于原始方案可以更加逼近道路振動試驗結(jié)果,而且整個臺架模型更為簡便,臺架振動試驗更為高效.

此類振動環(huán)境模擬簡化方案的建立方法為分析相關(guān)陪試件對被試件振動特性的影響,以及工程應用中搭建具有類似結(jié)構(gòu)特點的臺架振動模擬試驗模型提供了有益的參考,同時在臺架隨機振動試驗合理性的研究上也是一種積極的探索.

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(編輯:丁紅藝)

Simulation and Analysis of Random Vibration Environment for Auto Brake Pipe

FANGJing, ZHENGSonglin, FENGJinzhi, CHENTie
(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Based on the load characteristics in random vibration environment,the reliability of an auto brake pipe was investigated.According to the theory of random vibration,the reliability simulation test on a vibration bench was carried out to analyze the vibration characteristics of the related specimens in frequency domain.Then a simplified vibration environment simulation scheme of the bench test was put forward and implemented to analyze the signals from the aspects of power spectral density and accumulative energy distribution.The study proves that with the simplified scheme,the test can be done more efficiently if the accuracy of the bench test is guaranteed.The influences of the accompanying test specimens on the vibration characteristics of the brake pipe and the reliability assessment of the vibration bench test were summed up.The results provide engineering experiences and technical references to the construction of vibration bench test with similar characteristics.

auto brake pipe;random vibration environment;vibration characteristic;simulation experiment;reliability

U 467.3

A

1007-6735(2015)03-0257-06

10.13255/j.cnki.jusst.2015.03.010

2014-04-17

國家“十二五”863重大項目(2012AA110701);國家自然科學基金資助項目(50875173,51375313);上海市科委基礎(chǔ)研究重點項目(11140502000,13JC1408500);上海市教委重點學科建設(shè)資助項目(J50503);上海市研究生創(chuàng)新基金資助項目(JWCXSL1302)

方 晶(1990-),女,碩士研究生.研究方向:汽車現(xiàn)代設(shè)計理論.E-mail:fj55550@126.com

鄭松林(1958-),男,教授.研究方向:汽車現(xiàn)代設(shè)計理論.E-mail:songlin_zheng@126.com