汽車動力總成懸置耐久試驗載荷譜研究

張 平，王海沛，段小成，葉必軍

(1.上海汽車集團股份有限公司 乘用車公司，上海 201804；2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201；3.寧波拓普集團股份有限公司，浙江 寧波 315800)

汽車動力總成懸置耐久試驗載荷譜研究

張 平1，王海沛2，段小成3，葉必軍3

(1.上海汽車集團股份有限公司 乘用車公司，上海 201804；2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201；3.寧波拓普集團股份有限公司，浙江 寧波 315800)

以某轎車動力總成懸置系統(tǒng)為研究對象，對其道路載荷譜進行了處理分析，并基于懸置系統(tǒng)偽損傷進行了編輯，以達到耐久試驗加速的目的。通過試驗迭代控制技術(shù)，臺架復(fù)現(xiàn)了動力總成懸置在試驗場各工況下的載荷。懸置系統(tǒng)在MAST試驗臺架進行了道路模擬耐久性試驗。試驗表明，所采用的方法可成功用于動力總成懸置的耐久性試驗。

懸置；道路模擬；迭代；數(shù)據(jù)處理；耐久試驗

室內(nèi)道路模擬試驗具有周期短、安全可靠、可控性好、重復(fù)性強和精度高等特點[1]。通過迭代控制技術(shù)，可復(fù)現(xiàn)整車、系統(tǒng)總成及零部件在道路上承受的實際載荷。

本文以動力總成懸置系統(tǒng)布局方式為三點支承(即發(fā)動機懸置、變速箱懸置和后懸置)的某轎車為研究對象，采集試驗場各工況載荷譜并對其進行處理、分析、編輯和迭代，最終獲得多軸模擬試驗系統(tǒng)的驅(qū)動信號，在短時間內(nèi)再現(xiàn)動力總成懸置系統(tǒng)在試驗場的失效形式。

1 多軸模擬試驗臺介紹

多軸模擬試驗臺(Multi-axial Simulation Table，MAST)系統(tǒng)模擬車輛縱向、側(cè)向和垂向等3個方向的平動，以及側(cè)傾、俯仰和橫擺等3個方向的轉(zhuǎn)動，能夠精確模擬汽車在實際運行中的振動環(huán)境[2]。

MAST試驗臺適用任何一種可從整車借助一些彈性零部件分離的總成及零部件的測試[3]，如用于儀表板、座椅系統(tǒng)、保險杠、發(fā)動機懸置、油箱和水箱等部件的試驗[4]，通過對臺面的控制來再現(xiàn)在真實工況下試件的位移、加速度、力或應(yīng)力等。

目前，MAST試驗臺的液壓缸布局方式主要有2種：一種是最傳統(tǒng)的正交式，即在Z軸(垂向)上布置3個液壓缸，在X軸(縱向)和Y軸(側(cè)向)上分別布置1個和2個液壓作動器，其主要振動輸入來自于垂向，縱向和側(cè)向振動輸入相對小一些[5]；另一種為六桿并聯(lián)式，該系統(tǒng)由3個相錯60°角的等邊三角架組成，每個三角架的頂點與2個低點由液壓缸相連接，其機械結(jié)構(gòu)緊湊，縮小了設(shè)備安裝空間，同時還提供了更大的平移距離和旋轉(zhuǎn)角度[6]。本文應(yīng)用美國MOOG公司的MAST試驗臺(見圖1)，該設(shè)備為典型的六桿并聯(lián)式，另外附帶1臺扭矩輸入設(shè)備，共同組成動力總成懸置道路模擬試驗系統(tǒng)。

圖1 美國MOOG公司MAST試驗臺

2 道路載荷譜采集

為獲得懸置系統(tǒng)真實的載荷情況，按規(guī)范要求采集某試驗場25種典型的工況(包括石塊路、坑洼路、市區(qū)工況、加速、制動和轉(zhuǎn)彎等)。為盡量消除偶然因素和駕駛?cè)笋{駛習(xí)慣的影響，在試車場道路載荷譜采集中，由3名駕駛?cè)朔謩e進行采集，每人采集5個循環(huán)[7]。

臺架迭代控制信號根據(jù)下述原則來選取，道路載荷譜中高頻信號主要來源于石塊路，頻率為0.5～40 Hz，利用加速度進行模擬控制；而低頻信號主要來源于汽車加速、制動產(chǎn)生的縱向力及汽車轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的側(cè)向力，利用力和位移進行模擬控制?？紤]現(xiàn)實狀況，本次道路載荷譜采集選擇的位置見表1。

表1 道路載荷譜采集位置

力傳感器采集動力總成懸置承受3個方向(即X、Y、Z向)的載荷，其作用如下：一方面，進行試驗場與臺架迭代響應(yīng)信號的相關(guān)性分析，驗證臺架迭代精度；另一方面，將懸置載荷信號作為迭代控制的目標信號。有時也可利用應(yīng)變片代替采集懸置承受的載荷。采集的車身加速度作為迭代控制的目標信號，控制車輛的運動姿態(tài)，GPS信號用來監(jiān)控車輛運行速度。

3 數(shù)據(jù)分析處理

本次試驗運用nCode軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理、分析、計算和編輯等操作處理。

3.1 道路載荷譜預(yù)處理

數(shù)據(jù)分析前要選取有效的時域信號，首先對原始時域信號的各通道進行預(yù)處理，主要包括異常信號剔除，去除漂移以及一些不能代表試驗真實載荷水平的信號。

異常信號有如下情況。

1)尖刺點。一般由于電干擾或意外的物理撞擊所引起。在坑洼路工況(簡稱B工況)中由于車輛受到意外撞擊，后懸置X向載荷達到-14 000 N，根據(jù)同種工況的歷史數(shù)據(jù)判定其為尖刺信號(見圖2)，應(yīng)予以剔除。

圖2 異常信號

2)噪聲信號。主要由傳感器松脫、電纜磨損或接頭損壞產(chǎn)生，其特征數(shù)據(jù)值偏離中心比較嚴重。

3.2 載荷譜分析

在實際使用環(huán)境中，汽車結(jié)構(gòu)受到的載荷大多屬于隨機載荷。對于隨機載荷，主要采用時域、頻域及雨流域等統(tǒng)計分析方法[8]。

3.2.1 時域分析

時域分析主要通過各通道的統(tǒng)計值進行分析，包括最大值、最小值、均方根值、峰值因數(shù)和偽損傷值等，峰值因數(shù)(CF)公式如下：

CF>6意味著數(shù)據(jù)中可能存在毛刺或其他不規(guī)則干擾。

通過各通道時域統(tǒng)計值判斷信號的一致性和有效性，并且可以作為迭代效果的驗證參考。

3.2.2 頻域分析

頻域分析是獲得各通道時間歷程信號幅值的均方值隨頻率的分布，得到不同頻率下載荷能量分布的功率譜密度圖。由于其保留了載荷的全部信息，因而被認為是一種較精確、嚴密的載荷統(tǒng)計方法[9]。

石塊路工況(簡稱A工況)發(fā)動機懸置Z向頻域圖如圖3所示，能量主要集中在≤35 Hz的頻率范圍，B工況發(fā)動機懸置X向頻域圖如圖4所示，能量主要集中在≤16 Hz的頻率范圍；因此，對兩種工況進行不同的頻域段的濾波處理。安裝在MAST試驗臺架上的樣件承受慣性反力，無法復(fù)現(xiàn)低頻大位移信號，所以A工況發(fā)動機懸置Z通道濾波頻率為0.5～35 Hz。而扭矩輸入設(shè)備聯(lián)接的樣件承受固定反力，可復(fù)現(xiàn)低頻信號，所以B工況發(fā)動機懸置X通道濾波頻率為0～16 Hz。

圖3 A工況發(fā)動機懸置Z向頻域圖

圖4 B工況發(fā)動機懸置X向頻域圖

4 數(shù)據(jù)編輯

在試車場采集的數(shù)據(jù)中，并不是所有的載荷都對試件壽命產(chǎn)生等量破壞(某些載荷也許不會對破壞產(chǎn)生影響)。如果能夠通過對數(shù)據(jù)的編輯，將信號中對試件破壞沒有影響的載荷剔除，這樣就可以縮短試驗周期。

4.1 刪除損傷貢獻小的工況

利用nCode軟件損傷模塊計算各工況所關(guān)注通道的偽損傷值，統(tǒng)計其占該通道整個耐久試驗周期的比例(見表2)，市區(qū)工況(簡稱C工況)關(guān)注通道損傷貢獻比例很小(接近于0%)，可將其排除掉。最終損傷貢獻相對較大的工況剩下16組。

表2 C工況各通道損傷貢獻比例

4.2 刪除損傷貢獻小的信號

基于試驗所關(guān)注的通道，將信號中對試件破壞沒有影響或影響較小的載荷剔除。目標是保證編輯后的數(shù)據(jù)能夠保留原始數(shù)據(jù)所對應(yīng)試件疲勞損傷值的90%以上。利用nCode軟件計算偽損傷，識別出各通道損傷較小的時間片段并記錄下來，通過二次編輯，刪除損傷較小的載荷信號，刪減的片段需同時應(yīng)用于所有的數(shù)據(jù)通道，以保證各通道信號的原始相位關(guān)系保持一致(見圖5)。編輯后的信號之間采用0.1 s的SineOverlap進行平滑處理，避免信號突變，保證迭代的收斂。

圖5 A工況下懸置時域信號編輯

編輯信號時需注意如下幾點：1)保留必要的極端(瞬態(tài))路面；2)根據(jù)各工況的特征，編輯后的路面總長度應(yīng)不少于原路面長度的一定比例，以避免過分取舍和強化而引起信號失真；3)避免產(chǎn)生附加損傷。

驗證編輯數(shù)據(jù)的效果，將編輯數(shù)據(jù)的每個通道偽損傷值、最大值、最小值、PSD與原始數(shù)據(jù)進行比較。偽損傷值需保留>90%，PSD損失<20%，最大值、最小值均保持不變。通過數(shù)據(jù)的編輯將310 h的耐久試驗壓縮到210 h。

5 迭代計算

迭代一般分為如下幾步：系統(tǒng)識別、建立逆向模型及產(chǎn)生初次驅(qū)動信號、迭代。

5.1 系統(tǒng)識別

在臺架上對整個試驗系統(tǒng)施加激勵，建立驅(qū)動信號同試驗系統(tǒng)響應(yīng)信號的數(shù)學(xué)模型，目的是獲取系統(tǒng)的傳遞函數(shù)或頻響函數(shù)。

設(shè)置白噪聲(驅(qū)動信號)各通道屬性(見圖6)，包括頻率下限(lower cut-off frequency)、能量開始衰減頻率(break frequency)、能量衰減速率(exponent)和頻率上限(upper cut-off frequency)。根據(jù)經(jīng)驗，位移控制形式的能量衰減速率一般設(shè)置在1.5～2單位；然后，設(shè)置白噪聲信號的幅值分布，白噪聲的時間越長，傳遞函數(shù)越精確，但不宜過長，100 s即可。運行白噪聲，計算試驗系統(tǒng)的頻響函數(shù)。

圖6 白噪聲頻率成分曲線

5.2 建立逆向模型及產(chǎn)生初次驅(qū)動信號

建立逆向模型，試驗系統(tǒng)的響應(yīng)作為輸入，液壓缸的驅(qū)動作為輸出；使用逆向模型，計算液壓缸的初次驅(qū)動信號，從而實現(xiàn)一組特定的試驗系統(tǒng)響應(yīng)目標。

5.3 迭代控制

臺架控制頻帶寬度的設(shè)置范圍應(yīng)大于目標信號的頻帶寬度。迭代過程中最關(guān)鍵的操作是設(shè)置gain值(即增益系數(shù))。gain值的設(shè)置取決于系統(tǒng)的線性程度，初次迭代時gain值應(yīng)盡量設(shè)置小一些(0.3～0.5)。如果迭代不收斂，可調(diào)整gain值來解決。某些通道之間存在耦合相互影響現(xiàn)象，可通過調(diào)整gain值進行協(xié)調(diào)，如進行B工況迭代時，后懸置X向迭代響應(yīng)超出，而Z向未達到目標值，Z向迭代響應(yīng)的增長促進X向載荷的繼續(xù)加大，這種情況需抑制X向增益，通過調(diào)整X向gain值到0.1，迭代最終收斂。gain值可分別在頻域或時域進行控制，保證在某個時間段或某個頻域段的增益減小。

5.4 迭代精度評價

迭代精度的評價方法包括時域、頻域和偽損傷值等的前后比較。

5.4.1 時域評價

時域評價(見圖7)除感官判斷外，均方根值的比較也是一種判斷迭代收斂的參考標準，一般迭代響應(yīng)均方根值與目標響應(yīng)均方根值的比值達到±90%可以接受。在完成13次迭代后，認為精度基本達到要求，保存驅(qū)動信號，作為后續(xù)耐久性試驗的驅(qū)動譜。除均方根值評價外，迭代響應(yīng)的最大值、最小值也作為判定迭代效果的依據(jù)(見圖8)。

圖7 迭代響應(yīng)與目標響應(yīng)時域比較

圖8 迭代響應(yīng)與目標響應(yīng)最大、最小、均方根值比較

5.4.2 頻域評價

迭代響應(yīng)與目標響應(yīng)的頻域比較如圖9所示，主要的頻域段基本一致，證明迭代點頻域的模擬精度比較好。

圖9 迭代響應(yīng)與目標響應(yīng)頻域比較

5.4.3 偽損傷評價

25種典型的工況中，9組工況載荷較小，對零件產(chǎn)生的總損傷較小。為縮短試驗時間，現(xiàn)統(tǒng)計其余16組工況中關(guān)注通道的總偽損傷值。從統(tǒng)計保留的比例(見表3)看，各通道迭代保留的損傷都應(yīng)在50%～200%。每種工況都有一些重點關(guān)注的通道，如制動工況縱向貢獻損傷的比例較大，迭代時需重點關(guān)注，以保證最終保留損傷可接受。

表3 臺架迭代響應(yīng)總損傷保留比例

編輯耐久試驗路譜序列，保證每種工況連續(xù)運行不能超過3遍，大載荷與小載荷工況穿插運行，避免極限工況集中出現(xiàn)。

在懸置系統(tǒng)進行總載荷序列的121%時，發(fā)現(xiàn)變速箱懸置主簧斷裂，而在試驗場試驗行駛總載荷125%時也發(fā)生主簧斷裂現(xiàn)象。試驗表明，可以通過MAST道路模擬試驗，在短時間內(nèi)再現(xiàn)懸置系統(tǒng)在試驗場的失效形式。

6 結(jié)語

1)探討了如何從時域、頻域角度處理分析道路載荷譜，基于偽損傷值對道路載荷譜進行了編輯，將試驗時間減少為原來時間的68%，達到了耐久試驗加速的效果。

2)討論了試驗迭代控制參數(shù)的設(shè)定、迭代精度的評價原則，對其他整車、總成及零部件等多通道試驗臺架迭代控制具有參考意義。

3)對于動力總成懸置而言，通過迭代控制技術(shù)在MAST試驗臺上能夠正確、快速地模擬在道路上的振動特性，快速復(fù)現(xiàn)了懸置系統(tǒng)在試車場的失效形式，為動力總成系統(tǒng)的設(shè)計和改進提供了驗證手段和參考依據(jù)，縮短了試驗周期，降低了試驗費用，并為進行開發(fā)試驗質(zhì)量分析零件提供了研究思路。

[1] 梁映珍, 周鋐, 王二兵, 等. LMS系統(tǒng)在整車室內(nèi)臺架道路模擬試驗中的應(yīng)用[C]//2010年LMS中國用戶大會論文集. 成都: LMS公司, 2010.

[2] 杜建國. 某客車動力總成懸置系統(tǒng)振動解耦優(yōu)化設(shè)計[J]. 新技術(shù)新工藝, 2014(2): 40-41.

[3] Dodds C J. Structural testing of complete vehicles, aggregates and components in the laboratory[M]. Scotland: Dodds and Associates, 2007.

[4] 易明. 臺架模擬轎車車頭子系統(tǒng)道路載荷譜的方法研究[D]. 上海: 同濟大學(xué), 2003.

[5] 段魯男. 中國汽車工程學(xué)會年會論文集[C]//北京:中國汽車工程學(xué)會, 2007:343-346.

[6] 穆格公司. 穆格(MOOG)向著名汽車頂架制造商拓樂公司(Thule)提供多軸振動試驗平臺[EB/OL]. [2008-09-05]. http://www.chinaauto.net/daily_express/qy/2008-09-05/298204.htm.

[7] 彭為, 靳曉雄, 孫士煒. 道路模擬試驗中道路載荷譜的選擇方法[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報, 2004,18(1): 6-9.

[8] 《汽車工程手冊》編輯委員會. 汽車工程手冊(試驗篇)[M]. 北京:人民交通出版社, 2000.

[9] 卿宏軍, 等.某轎車結(jié)構(gòu)載荷譜采集與分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2012, 39(12):32-36.

責(zé)任編輯鄭練

AStudyontheLoadingDatafortheDurabilityTestofVehiclePowertrainMount

ZHANG Ping1, WANG Haipei2, DUAN Xiaocheng3, YE Bijun3

(1.SAIC Motor Passenger Vehicle Co., Ltd., Shanghai 201804, China; 2.Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd., Shanghai 201201, China; 3.Ningbo Tuopu Group Inc., Ningbo 315800, China)

A certain vehicle powertrain mount system is taken as studying object to process and analyzing road load data, according to the pseudo damage to edit the loading data, we can accelerate durability test. By the iteration control technique test, the loading of the powertrain mount on the proving ground under different conditions in the rig reappears. Powertrain mount durability test is conducted with MAST test rig. The results show that the proposed method is effective for powertrain mount durability test.

mount, road simulation, iteration, data processing, durability test

U 463.33

:A

張平(1979-)，男，工程師，主要從事汽車動力總成懸置系統(tǒng)及車架系統(tǒng)設(shè)計等方面的研究。

2015-04-20