基于彈簧應變的整車四通道臺架試驗研究

彭林廣+何飛+韋仲寧

摘 要：采集某試驗場的應變、加速度等道路載荷譜，用彈簧應變和軸頭加速度作為目標信號，車身大梁加速度信號作為監(jiān)控信號。通過整車四通道臺架的TWR時域迭代技術，再現(xiàn)真實試驗場的道路耐久試驗，縮短整車及車身等部件的疲勞及可靠性的驗證時間。

關鍵詞：四通道；道路載荷譜；彈簧應變；迭代；疲勞耐久

中圖分類號：U467.1+2 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）03-0066-08

The Vehicle Four-channel Bench Test-bet Research Based on the Spring Strain

Peng Lin-guang1， He Fei1， Wei Zhong-ning2

（ 1.Technical Development Center， SAIC GM Wuling Automobile Co.， Ltd ， Liuzhou545007， China； 2. Hunan Lake AI Sheng Automobile Technology Development Co.， Ltd ， Changsha 410013， China ）

Abstract： To collect a certain test field of road load spectrum such as strain， acceleration， using spring strain and head acceleration as the target signal， body acceleration signal as control signal. Through TWR time domain iteration technique of the vehicle four-channel bench， representing the real road endurance test and shorting the verification time of fatigue and reliability for parts such as vehicle and body.

Key Words： Four-channel； Road load spectrum； Spring strain； Fatigue durability

引 言

隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展和汽車三包政策的出臺，整車企業(yè)對整車及零部件的疲勞壽命、安全等性能越來越重視，為了在整車開發(fā)階段更好更快的驗證車輛及零部件的疲勞耐久性，提高產(chǎn)品質(zhì)量，許多企業(yè)引進了整車四通道道路模擬試驗臺架，簡稱四通道臺架。

一般來說，整車項目的開發(fā)階段會通過在汽車試驗場不同的惡劣工況進行耐久試驗來驗證整車及零部件的可靠性，但時間較長。四通道臺架通過4個垂直作動缸可以將整車試驗場道路載荷譜的垂向運動真實有效的模擬出來，減少驗證時間，并且重復性好，效率高。

本文主要通過在試驗場采集整車前后彈簧剪切應變、輪心軸頭和車身大梁垂向加速度等道路載荷譜，經(jīng)過前期的數(shù)據(jù)處理并導入到四通道臺架，通過臺架中的Time Waveform Replication（TWR） 時域波形再現(xiàn)和迭代技術，模擬彈簧、輪心軸頭及車身大梁等部位在路面信號激勵下的響應，加速車身、車架、門蓋、儀表板及附件等部件的疲勞耐久性驗證。

1 四通道臺架模擬試驗原理和流程

車輛在路試試驗場中會受到來自縱向、側(cè)向、縱向的載荷，這些載荷一般都是隨機無規(guī)律的，長時間的隨機循環(huán)載荷或者某個瞬態(tài)載荷，對整車及零部件都會產(chǎn)生疲勞破壞或強度破壞[1]。據(jù)《中國機械工程手冊》中指出，機械結(jié)構件的破壞80%以上都是疲勞破壞。四立柱臺架通過4個垂向作動缸施加激勵來進行模擬，而車身、車架、門蓋、儀表板及附件等部件在路試過程中主要承受來自垂向的載荷，從而引起疲勞破壞，所以四通道臺架主要用來評價車身方面的疲勞[2]。

1.1 原理

根據(jù)疲勞理論，疲勞損傷主要由循環(huán)載荷引起，如果車輛的輸入載荷相同，那么引起的疲勞損傷理論上也應相同，因為汽車各部位所承受的載荷基本上與汽車的輸入載荷信號成比例[3]。因此獲取準確的輸入信號是通道臺架試驗的關鍵。

四通道臺架可以從很多方面來獲得輸入信號，例如直接使用從試驗場采集的垂向位移信號作為輸入信號，也可以對已有的載荷信號進行統(tǒng)計分析，使用滿足特性的測試信號作為輸入信號，如加速度信號、應變信號等。但上述方法在頻率響應敏感度上有一定的局限性，不能很好的再現(xiàn)車輛在實際路試過程中的狀況。隨著現(xiàn)代測試技術的蓬勃發(fā)展，德國INSTRON公司（簡稱IST）提出了時域波形再現(xiàn)技術TWR，通過迭代，一步一步獲得目標測量點在臺架迭代過程中的模擬信號，當該模擬信號與目標信號的擬合度達到要求，誤差較小時，此時的輸入信號作為作動缸的驅(qū)動信號，還原車輛在路試中的狀態(tài)[4]。此次臺架采用德國IST公司的四通道道路模擬試驗系統(tǒng)，如圖1。

IST四通道試驗臺是采用四個輪胎耦合的方式來進行工作，整車放置于試驗臺的四個托盤中，托盤與垂直作動缸直接相連。驅(qū)動信號導入到臺架系統(tǒng)中，作動缸接受輸入信號對輪胎產(chǎn)生相應的激勵，從而使整車獲得相應的響應。由于臺架的作動缸只能垂向運動，只能通過位移信號來控制作動缸，輸出的信號可以是輪心軸頭垂向加速度和輪心的跳動量。

1.2 流程

試驗流程主要包括以下步驟：

（1）道路載荷譜的采集：在車輛目標點安裝傳感器，按照相應耐久試驗要求在試驗場采集數(shù)據(jù)；

（2）道路載荷譜的編輯：查找處理異常信號，去掉損傷較小的過渡路面，濾波；

（3）迭代：通過TWR迭代，傳遞函數(shù)不斷修正，得到臺架驅(qū)動信號；

（4）臺架試驗：對每個工況的數(shù)據(jù)按照耐久試驗要求進行排序并加載循環(huán)數(shù)，觀察記錄試驗中產(chǎn)生的問題和時間。

2 試驗場道路載荷譜數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 試驗測點選擇

據(jù)前所述，四通道臺架是依靠垂直作動缸來進行迭代，只能模擬整車在試驗場的垂向運動，故只需采集車輛的垂向相關信號即可。一般來說，加速度傳感器在高頻信號敏感，位移傳感器在低頻信號敏感，為了讓降低誤差，需要同時采集加速度和位移信號，如輪心軸頭垂向加速度、軸頭相對車身的垂向位移或者車身大梁垂向加速度等信號。

采集軸頭相對車身的垂向位移需要專業(yè)的位移傳感器，該傳感器單價較高，安裝此類傳感器需要加工和焊接支架，試驗過程中容易發(fā)生支架波動或變形，傳感器脫落等問題，為了避免風險，用前后彈簧的剪切應變信號代替垂向位移信號。彈簧的剪切應變通過靜標定可反映出彈簧在試驗中承受的垂向的載荷，而垂向載荷與彈簧的伸縮垂向位移存在線性關聯(lián)，進一步與軸頭的相對位移存在關聯(lián)，并且應變片也對低頻信號敏感。

本次試驗場路面信號主要采集輪心軸頭垂向加速度，彈簧剪切應變、車身大梁垂向加速度，其中軸頭加速度，彈簧應變作為后續(xù)四通道臺架試驗目標信號，大梁加速度作為輔助和監(jiān)控信號，共12個通道，具體如表1。

2.2 傳感器布置

4個軸頭加速度傳感器通過小支架分別安裝在軸頭，4個車身大梁加速度分別安裝在離軸頭較近的大梁平整位置，4個彈簧應變片分別粘貼在前后彈簧的中端，并且與彈簧的剪切軌跡成45度，具體如圖2：

2.3 道路載荷譜采集

傳感器布置完成后，通過LMS的數(shù)據(jù)采集儀器以滿載標準在北京通州交通部公路交通試驗場的不同工況按照企業(yè)耐久路試標準采集路面信號，如比利時路、扭曲路、方坑等工況。在數(shù)據(jù)采集過程中，每段工況一般采集3次，記錄路面出現(xiàn)的異常情況，如突然的減速或制動等，并用GPS儀器監(jiān)控車速，以便后續(xù)檢查信號。

2.4 道路載荷譜編輯

載荷譜采集完成后，用LMS的Tec-Ware數(shù)據(jù)處理軟件并結(jié)合測試記錄表和GPS速度，檢查每段工況的數(shù)據(jù)，從3次采集的信號中選取一段較好的數(shù)據(jù)進行預處理，例如異常突出點等。對于一般的乘用車，如轎車、SUV及MPV等，車身大梁的加速度不會超過10g，輪心軸頭加速度不會超過30g。

一般來說，路面的信號激勵頻率為50Hz，在數(shù)據(jù)的濾波處理中，采用0.3～50Hz帶通濾波，具體如圖3。由于多個不同工況在一個信號文件里，濾波后需要將不同工況的銜接過渡路面刪除，銜接路面以幅值為0的2～3秒的信號代替，并將每段工況的數(shù)據(jù)單獨截取出來以工況的名字進行標記。這樣去掉損傷很小的過渡路面，保留了95%以上的路面損傷，縮減了四通道臺架試驗時間，加速了驗證過程，具體如圖4：

2.5 電橋橋路布置

由于加速度傳感器的差分橋路布置與臺架的信號輸入端接線一致，不用調(diào)整輸入端線路。而彈簧剪切應變測試采用的是惠斯通1/2橋，與應變片連接的信號輸出端采用的是LEMO接頭，通過LEMO接頭接入到臺架系統(tǒng)中，具體信息如圖5：

2.5 加速度和應變傳感器標定

按照圖5和表2將各個線路一一對應連起來，接入到四通道臺架輸入端進行標定，以便得到合適的最大激勵電壓，即標定系數(shù)，具體如公式2-1。

標定系數(shù)=傳感器靈敏度×實測最大量程

加速度傳感器在TWR系統(tǒng)中標定比較容易，類型選用V進行標定，單位為g，最大量程按50g來計算，加速度傳感器靈敏度一般為40mV/g，標定系數(shù)約為2V。

由于臺架系統(tǒng)自身的原因，彈簧剪切應變傳感器的標定較為復雜。類型選用mV/V進行標定，單位為usn（TWR系統(tǒng)無法識別uε），最大量程根據(jù)實測的應變，按2000uε進行計算?；菟雇?/2橋的靈敏度，單位為mV/V/uε，根據(jù)1/2橋的輸出電壓公式2-2來推算。

ΔE：橋路輸出端電壓，單位為mV；

U：橋路供給端電壓，單位為V；

K：應變片靈敏度，此次應變片靈密度為2.08；

ε1，ε2：1#、2#應變片的應變，單位為muε，需除以1000轉(zhuǎn)換為uε，此次橋路中ε1=uε，ε2=-uε；

根據(jù)公式2-2可以推知，彈簧剪切應變傳感器的靈敏度為0.00104mV/V/uε，具體如下：

靈密度 （ mV/V/uε） =2.08×2/4/1000=0.00104。

根據(jù)公式2-1可以得出彈簧剪切應變在IST四通道臺架系統(tǒng)的標定系數(shù)為2.08mV/V，具體如下：

標定系數(shù)=0.00104×2000=2.08 mV/V。

3 四通道臺架模擬試驗

用在試驗場進行道路載荷譜采集的原車進行四通道臺架模擬試驗，減少加速度傳感器粘貼位置、車輛等差異導致的誤差。

3.1 目標信號

根據(jù)前面所述，加速度傳感器和位移傳感器分別在低頻、高頻頻域易產(chǎn)生較大的誤差，為了降低這種誤差，需同時考慮將加速度和位移信號作為目標信號。

據(jù)前所述，本次試驗目標點為輪心軸頭，彈簧，其中試驗場采集的編輯后的輪心軸頭垂向加速度、彈簧剪切應變作為目標信號，車身大梁垂向加速度作為輔助和監(jiān)控信號，采集的信號如下圖6：

3.2 迭代流程

根據(jù)四通道臺架模擬的原理，在進行模擬試驗前，需要對道路載荷譜信號進行迭代，迭代流程如下：

迭代前，需要獲得一個傳遞函數(shù)：通過系統(tǒng)設置自動生成一個頻率為50Hz的隨機信號X，將該信號輸入到臺架系統(tǒng)，測出目標點響應信號Y，根據(jù)前述的疲勞理論，其中Y=[H]X，從而求解得到傳遞函數(shù)[H]=Y/X。

根據(jù)傳遞逆函數(shù)[H]-1和編輯后的道路載荷譜信號Yt，主要是輪心軸頭垂向加速度和彈簧應變信號等目標信號，可以逆向獲得四通道臺架作動缸的初始輸入驅(qū)動信號X0，即X0=α0 [H]-1Yt，其中α0為修正系數(shù)，也可理解為誤差系數(shù)[5]。

通過加載初始驅(qū)動信號X0到臺架可獲得目標點初始響應信號Y0，比較Y0和Yt，若二者吻合比較好，那么X0就是所需要的驅(qū)動信號；若吻合不好，則需要進行第1次迭代，通過公式3-1計算獲得X1：

X1=X0+α1 [H]-1（Yt-Y0）

將X1再次作為驅(qū)動信號輸入到臺架，得到第1次的響應信號Y1，比較Y1和Yt的吻合度，即誤差。如果誤差較小，迭代結(jié)束，反之亦然。一般來說，需要進行多次迭代才能得到合適的驅(qū)動信號，通過公式 3-2獲得n次迭代后的驅(qū)動信號，以此類推，直至迭代輸出的輪心軸頭垂向加速度和前后彈簧剪切應變信號與目標信號達到要求：

Xn=Xn-1+αn[H]-1（Yt-Yn-1）

n：迭代次數(shù)，n≥1；

Xn：n次迭代后的驅(qū)動信號；

Yn-1：n-1次迭代后的目標點信號，即輸出的響應信號；

Yt：目標信號；

αn：第n次迭代的修正系數(shù)；

[H]-1：傳遞函數(shù)的逆函數(shù)。

3.3 迭代結(jié)果

經(jīng)過多次迭代后，在時域、頻域、均方根等三個方面，將編輯后的試驗場采集的輪心軸頭的垂向加速度和彈簧剪切應變信號與四通道臺架試驗輸出得到的目標點響應信號進行比較，發(fā)現(xiàn)二者在時域、PSD（頻率譜）、穿級統(tǒng)計計數(shù)等方面很接近，如圖7、圖8：

在時域上還可以將迭代過程中每次的響應信號與目標信號的最大值、最小值進行比較，發(fā)現(xiàn)隨著迭代次數(shù)的增加，二者也越來越接近，直至差異在5%以內(nèi)，具體如下圖9：

每次迭代的響應信號與目標信號也可以從迭代結(jié)果的均方根誤差和均方根值進行比較，隨著迭代過程進行，二者均方根誤差在10%以內(nèi)，均方根值比值接近100%，具體如圖10：

而臺架迭代中采集的車身大梁位置的加速度信號與試驗場進行對比，發(fā)現(xiàn)二者差異較大，具體如圖11，主要是由于車身大梁作為剛性體，固有頻率較低，容易產(chǎn)生共振，加速度傳感器對其敏感度較低，但可以在后續(xù)的臺架試驗中監(jiān)控車身大梁沖擊情況，如底盤件與車身大梁干涉導致車身受到的沖擊較大。

據(jù)上所述，迭代17次后，無論從時域、頻域，還是從均方根上可以判定第17次迭代的目標點響應信號與目標信號可以很好的吻合，此次的作動缸驅(qū)動信號與試驗場路面載荷接近，可以反映車輛在試驗場的耐久工況的真實情況。用此時的驅(qū)動信號進行四通道臺架試驗，與在試驗場路試的疲勞程度基本一致，可以開始進行四通道臺架試驗。

3.4 臺架試驗及結(jié)果

將第17次迭代時的作動缸驅(qū)動信號按照公司耐久規(guī)范，不同工況需要數(shù)量不等的循環(huán)，編輯組成相應的循環(huán)程序。待用LMS數(shù)采設備采集一個循環(huán)的輪心軸頭信號后，拆除輪心軸頭加速度，更換粘有應變片的前后彈簧，保留車身大梁加速度傳感器并在前后減振器上安裝點Top_mount安裝加速度傳感器作為監(jiān)控，開始進行四通道臺架耐久模擬實驗。

臺架試驗中，用LMS數(shù)采設備采集的輪心軸頭信號與試驗場采集的信號進行對比，可以發(fā)現(xiàn)二者在時域、頻域等方面比較接近，再次從側(cè)面驗證了此次的驅(qū)動信號可以很好的模擬試驗場實際試驗工況，具體如圖12：

臺架試驗過程中，需要在臺架系統(tǒng)地庫安裝高清攝像頭便于觀察和記錄試驗中作動缸的運轉(zhuǎn)情況，在四個車輪附近安裝小型吹風機和前后減振器支柱上粘貼溫度片，以防減振器溫度過高，及時觀察減振器溫度變化。

對于車身、車架、門蓋、儀表板及附件等部件在臺架試驗過程中的情況，需要定期用肉眼觀察查看是否出現(xiàn)磨損、開裂、干涉等問題，尤其是焊點、橡膠襯套件。對于不易觀察的部位，需用顯影劑來輔助觀察。

對于減振器和車身大梁，需定期結(jié)合Top_mount點和車身大梁處的加速度時域信號，分別查看減振器特性是否衰減，車身大梁與其他部件是否存在干涉等情況。如果加速度信號多次出現(xiàn)異常峰值，則一般是由于減振器出現(xiàn)衰減或車身大梁存在干涉，使整車平順性變差。

對于出現(xiàn)的問題需要及時記錄，例如發(fā)生的時間或試驗里程數(shù)、發(fā)生部位等，并拍照留檔。圖13是臺架試驗運行64h、80h分別出現(xiàn)的后備箱地板開裂、尾門框焊點開裂。

4 結(jié)語

本文通過對四通道臺架試驗進行了相對詳盡的介紹，包括試驗場數(shù)據(jù)采集及處理、電橋橋路、IST四通道臺架設備的原理和應用等。提出了運用彈簧剪切應變代替位移來進行迭代的一種方法，通過臺架的迭代，發(fā)現(xiàn)彈簧應變和軸頭加速度的誤差均在可接受的范圍內(nèi)，用二者的信號也可以很好的實現(xiàn)迭代，并且迭代后的臺架試驗能夠再現(xiàn)試驗場的道路工況，與試驗場的疲勞基本一致，加速了試驗過程，達到了疲勞試驗的效果，對汽車零部件和整車的試驗開發(fā)提供了一種可靠的試驗方法。

參考文獻：

[1]張義民. 汽車零部件可靠性設計[M]. 北京：北京理工大學出版社，2000.

[2]COLIN J D.Structural testing of complete vehicles，agregates and components in the laboratory[J].Dodds and Associates， 2007.

[3]Muddiman M W，Moore G R. Structural Correlation of Auotmotive Proving Ground to Dhina Customer Field Usage[M].USA：UltiTech Corporation，2003：6-9.

[4]董強強，柴保明，趙志強等. 四通道臺架試驗臺在整車疲勞分析中的應用[J].河北工業(yè)高科技，2014，31（5） ：430-431.

[5]邱炎. 四立柱振動臺架在車輛疲勞試驗中的應用[J].機電技術，2013（01）：58-59.