重型車(chē)駕駛室多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)迭代精度控制方法研究

趙強(qiáng) 霍福祥 董偉 徐佳彬 楊立峰

（一汽解放汽車(chē)有限公司 商用車(chē)開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春 130011）

主題詞：駕駛室 多軸加載 道路模擬

1 前言

伴隨著汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，利用室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，已被國(guó)際上的汽車(chē)企業(yè)廣泛采用。由于室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)重復(fù)性好、復(fù)現(xiàn)精度高、試驗(yàn)周期短，因此，在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)車(chē)輛零部件及整車(chē)進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)是加速新車(chē)型開(kāi)發(fā)、提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段，在汽車(chē)設(shè)計(jì)研發(fā)中越發(fā)受到青睞[1-3]。

在商用車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，駕駛室是重要的總成部件之一，考核駕駛室總成及其附件的可靠性是十分必要的。汽車(chē)行駛過(guò)程中，駕駛室的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)很復(fù)雜，存在垂直、俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)以及扭曲變形等7個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)[4]。為了在室內(nèi)模擬駕駛室在車(chē)輛行駛過(guò)程中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)工況，再現(xiàn)7個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，室內(nèi)多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)駕駛室道路模擬試驗(yàn)必不可少的試驗(yàn)設(shè)備之一。

本文以某重型牽引車(chē)駕駛室為試驗(yàn)對(duì)象，利用多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)夾具將作動(dòng)器與駕駛室總成及輔助連接裝置連接固定，完成臺(tái)架搭建。簡(jiǎn)述了該試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理及優(yōu)勢(shì)，針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中迭代精度控制方法展開(kāi)研究，通過(guò)控制迭代精度，真實(shí)地再現(xiàn)了商用車(chē)駕駛室在室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)中模擬道路上產(chǎn)生6個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)和車(chē)架變形對(duì)駕駛室總成的影響。

2 多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)針對(duì)商用車(chē)駕駛室總成及其附件進(jìn)行室內(nèi)可靠性道路模擬試驗(yàn)的最先進(jìn)的設(shè)備之一。該試驗(yàn)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、電控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、機(jī)械部分、液壓伺服系統(tǒng)（7套）等硬件設(shè)備組成。其中，液壓伺服系統(tǒng)由7個(gè)液壓線性作動(dòng)器及相關(guān)附件組成，通過(guò)夾具連接將4個(gè)垂向的作動(dòng)器分別作用在被試駕駛室車(chē)架上，模擬駕駛室在道路上垂直、俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)以及扭曲變形；另外，布置3個(gè)附帶連桿機(jī)構(gòu)的作動(dòng)器，其中2個(gè)通過(guò)夾具連接作用在車(chē)架橫向以模擬駕駛室橫向運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；還有1個(gè)作動(dòng)器與車(chē)架橫梁前端連接，模擬駕駛室的縱向運(yùn)動(dòng)，具體如圖1所示。

通過(guò)7個(gè)通道作動(dòng)器的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)能夠在試驗(yàn)室內(nèi)真實(shí)再現(xiàn)商用車(chē)駕駛室在車(chē)輛行駛過(guò)程中產(chǎn)生的垂直、縱向、側(cè)向、水平轉(zhuǎn)動(dòng)、俯仰、翻滾運(yùn)動(dòng)和車(chē)架變形對(duì)駕駛室總成及其附件的影響，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)，考核駕駛室總成及其附件的設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和適用性，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型和質(zhì)量改進(jìn)提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。同時(shí)，該試驗(yàn)系統(tǒng)可進(jìn)行汽車(chē)座椅、發(fā)動(dòng)機(jī)、懸置、傳動(dòng)系等受激振動(dòng)系統(tǒng)或零部件總成的道路模擬試驗(yàn)及分析工作。

圖1 多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

3 影響迭代精度的相關(guān)因素

模擬迭代精度控制是室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，迭代精度的好壞能夠直接影響到被試件在室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)中能否真實(shí)再現(xiàn)車(chē)輛在實(shí)際行駛過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為了獲取較高的迭代精度，需要對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中能夠影響迭代精度的因素進(jìn)行分析、甄別，盡可能消除（或減少）其對(duì)迭代精度的影響。

3.1 控制采集點(diǎn)的選擇

路譜采集是室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)之一。其中，控制采集點(diǎn)（道路模擬試驗(yàn)中用于模擬迭代的遠(yuǎn)程控制點(diǎn)）的選擇會(huì)直接影響到臺(tái)架模擬迭代精度，一般情況下，控制采集點(diǎn)的選擇遵循以下原則[5]：

（1）一般離激勵(lì)點(diǎn)越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的非線性程度越高，模擬精度越低，因此，根據(jù)臺(tái)架結(jié)構(gòu)，盡量選取靠近臺(tái)架各通道激勵(lì)點(diǎn)的位置作為控制采集點(diǎn)。

（2）控制采集點(diǎn)的選取應(yīng)盡可能與某一試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)力成線性關(guān)系，而與其它試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)力成正交關(guān)系，以便于迭代盡快能夠收斂。

由于被試駕駛室是通過(guò)車(chē)架與多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)作動(dòng)器連接，且駕駛室受到的激勵(lì)是通過(guò)前后懸置傳遞到駕駛室上的，因此，控制采集點(diǎn)選取在車(chē)架上駕駛室前后懸置與車(chē)架連接位置（4處），如圖2所示。以被試駕駛室車(chē)架處產(chǎn)生的加速度響應(yīng)信號(hào)作為迭代期望響應(yīng)。

圖2 控制采集點(diǎn)布置位置

3.2 數(shù)據(jù)前處理

通過(guò)數(shù)采系統(tǒng)采集的原始時(shí)間歷程信號(hào)中會(huì)存在較多毛刺點(diǎn)及高頻響應(yīng)信號(hào)，并不能直接作為臺(tái)架試驗(yàn)的期望信號(hào)，需要進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理。多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)使用遠(yuǎn)程控制軟件RFC來(lái)實(shí)現(xiàn)道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)配備Wave Analysis Edit數(shù)據(jù)處理模塊，可以將原始數(shù)據(jù)中那些被認(rèn)為對(duì)疲勞損傷貢獻(xiàn)不大的輔助連接路面信號(hào)段刪除，極大的縮短迭代周期及道路模擬試驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)對(duì)原始期望響應(yīng)進(jìn)行濾波、去除趨勢(shì)項(xiàng)及毛刺等處理能夠有效地提高模擬迭代精度[6]。

3.3 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建尺寸精度

在臺(tái)架搭建過(guò)程中，作動(dòng)器的位置布置要十分精確，以確保作動(dòng)器與車(chē)架之間的連接沒(méi)有預(yù)緊力，消除預(yù)緊力在系統(tǒng)模擬迭代過(guò)程中產(chǎn)生的影響，保證迭代精度[6]。以某重型駕駛室為試驗(yàn)對(duì)象搭建的多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

3.4 系統(tǒng)白噪聲信號(hào)生成

求解系統(tǒng)傳遞函數(shù)作為整個(gè)模擬迭代過(guò)程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，能否準(zhǔn)確的測(cè)定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)將直接影響臺(tái)架模擬迭代的精度。系統(tǒng)傳遞函數(shù)的求解過(guò)程中，定義的白噪聲信號(hào)是否合適將直接影響系統(tǒng)傳遞函數(shù)測(cè)定的準(zhǔn)確性。因此，需要根據(jù)不同的試驗(yàn)對(duì)象及期望響應(yīng)的頻率范圍反復(fù)的嘗試以獲取最優(yōu)的白噪聲信號(hào)。

圖3 某重型牽引車(chē)駕駛室

3.5 系統(tǒng)相干函數(shù)控制

多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中，在選定比較理想的傳遞函數(shù)的同時(shí)還需要對(duì)相干函數(shù)進(jìn)行設(shè)定。相干函數(shù)反映的是系統(tǒng)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間在各頻率處的相關(guān)程度。一般情況下，如果輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的相干函數(shù)在再現(xiàn)頻帶內(nèi)的函數(shù)值大于0.8，則認(rèn)為系統(tǒng)有良好的相干性[7-8]。通常各激勵(lì)通道與響應(yīng)通道之間的常相干函數(shù)，在再現(xiàn)頻率范圍內(nèi)函數(shù)值接近于1，均可以用于迭代補(bǔ)償計(jì)算；而各激勵(lì)通道與響應(yīng)通道之間的偏相干函數(shù)，選取函數(shù)值大于0.8的頻率范圍，用于迭代補(bǔ)償計(jì)算，能夠有效地提高系統(tǒng)迭代精度。

3.6 系統(tǒng)夾具剛度

對(duì)于重型車(chē)多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，部分實(shí)車(chē)車(chē)架作為支撐夾具，通過(guò)連接夾具將被試駕駛室與多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)作動(dòng)器連接，車(chē)架截取的長(zhǎng)短及中間支撐橫梁的變化會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)車(chē)架與實(shí)車(chē)車(chē)架剛度差異，進(jìn)而極大的影響系統(tǒng)迭代精度。需要通過(guò)2次加工，調(diào)整試驗(yàn)車(chē)架的剛度與實(shí)車(chē)車(chē)架剛度接近，降低車(chē)架剛度變化對(duì)模擬迭代精度的影響。

4 模擬迭代過(guò)程的精度控制

上述影響迭代精度的相關(guān)因素中，系統(tǒng)白噪聲信號(hào)生成及系統(tǒng)夾具剛度對(duì)迭代精度的影響尤為重要，且其它影響因素對(duì)迭代精度的影響可以在數(shù)據(jù)采集、處理及臺(tái)架搭建過(guò)程中避免。因此，針對(duì)所述2種影響因素進(jìn)行迭代精度控制方法研究，對(duì)比不同情況下的迭代精度控制效果。

4.1 系統(tǒng)白噪聲信號(hào)對(duì)迭代精度的影響

基于多軸加載遠(yuǎn)程RFC控制系統(tǒng)，通過(guò)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下編輯白噪聲信號(hào)的功率譜密度函數(shù)和幅值來(lái)定義白噪聲信號(hào)。其中，幅值的選取遵循如下原則：根據(jù)不同的試驗(yàn)系統(tǒng)，在不超過(guò)被試件所能承受的加載范圍內(nèi)，幅值取值越大，越能準(zhǔn)確的測(cè)定系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

針對(duì)以某重型駕駛室為試驗(yàn)對(duì)象搭建的臺(tái)架系統(tǒng)（參照?qǐng)D2），在同一再現(xiàn)頻率范圍內(nèi)，定義2種具有不同功率譜密度函數(shù)的白噪聲信號(hào)，具體如圖4、圖5所示。對(duì)系統(tǒng)相干函數(shù)的影響如圖6、圖7所示，黃色（深色）代表已經(jīng)選定的頻率范圍，方框圈中的是常相干函數(shù)，其余為偏向干函數(shù)，迭代結(jié)果如圖8、圖9所示，通道控制通道及控制點(diǎn)參照表1，各通道迭代最終誤差參照表2。

圖4 白噪聲信號(hào)功率譜1

圖5 白噪聲信號(hào)功率譜2

圖6 相干函數(shù)曲線1

圖7 相干函數(shù)曲線2

圖8 迭代誤差曲線1

圖9 迭代誤差曲線2

表1 迭代控制通道及控制點(diǎn)位置

表2 2種白噪聲信號(hào)下迭代最終誤差 %

參照表2，顯然用后一種白噪聲信號(hào)求解的系統(tǒng)傳遞函數(shù)比較準(zhǔn)確，繼而能夠獲取較高精度的模擬迭代結(jié)果，滿(mǎn)足臺(tái)架試驗(yàn)的誤差要求。

4.2 夾具剛度對(duì)迭代誤差的影響

針對(duì)以某重型駕駛室為試驗(yàn)對(duì)象搭建的臺(tái)架系統(tǒng)，在迭代過(guò)程中發(fā)現(xiàn)車(chē)架變形也會(huì)對(duì)迭代精度產(chǎn)生較大的影響，通過(guò)反復(fù)驗(yàn)證分析，得到結(jié)論如下。

（1）被試駕駛室通過(guò)車(chē)架與多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)作動(dòng)器連接，車(chē)架過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致后端懸空，系統(tǒng)重心偏移。在系統(tǒng)加載過(guò)程中，后端懸空部分振動(dòng)對(duì)迭代精度影響較大。

（2）臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系及車(chē)架上懸掛件脫離車(chē)架，會(huì)導(dǎo)致車(chē)架剛度變小，系統(tǒng)加載時(shí)車(chē)架變形增大，對(duì)迭代精度影響較大。

改進(jìn)措施：截掉車(chē)架尾端多余部分，并在2側(cè)車(chē)架對(duì)應(yīng)作動(dòng)器連接位置各增加2根橫向支撐桿，通過(guò)螺栓與2側(cè)車(chē)架連接固定，以增加車(chē)架橫向剛度，具體如圖10所示。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，系統(tǒng)迭代精度得到了有效地改善，如圖11、圖12所示，改進(jìn)前后各通道迭代最終誤差參照表3。

圖10 車(chē)架剛度改進(jìn)措施

圖11 車(chē)架改進(jìn)前迭代誤差曲線

圖12 車(chē)架改進(jìn)后迭代誤差曲線

5 迭代最終結(jié)果評(píng)價(jià)

針對(duì)以某重型駕駛室為試驗(yàn)對(duì)象搭建的臺(tái)架系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模擬迭代精度控制分析，以迭代獲得的最終的驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)系統(tǒng)，通過(guò)RFC回采車(chē)架上的響應(yīng)信號(hào)，在時(shí)域內(nèi)、頻域內(nèi)分別對(duì)臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，以車(chē)架上某控制點(diǎn)處的臺(tái)架響應(yīng)信號(hào)為例，對(duì)比結(jié)果如圖13、圖14所示，圖15為穿級(jí)計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)量比較。

表3 車(chē)架改進(jìn)前后迭代最終誤差 %

圖13 時(shí)域信號(hào)對(duì)比

圖14 頻域信號(hào)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可以看出，由RFC得到的臺(tái)架響應(yīng)信號(hào)在時(shí)域內(nèi)、頻域內(nèi)與實(shí)際路面載荷譜（期望響應(yīng)）重合度較高，穿級(jí)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)量與實(shí)際路面載荷譜基本一致，即迭代得到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)有較高的精度，能夠真實(shí)地再現(xiàn)駕駛室在車(chē)輛行駛過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以用于驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行駕駛室道路模擬試驗(yàn)，能夠得到與在試車(chē)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)近乎一致的結(jié)果。

圖15 穿級(jí)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)量對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文以某重型車(chē)駕駛室為試驗(yàn)對(duì)象，搭建了駕駛室總成多軸加載試驗(yàn)系統(tǒng)，簡(jiǎn)述了該試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理及在駕駛室總成及其附件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和質(zhì)量改進(jìn)過(guò)程中的重要作用及優(yōu)勢(shì)。

（2）針對(duì)重型車(chē)駕駛室系統(tǒng)，分析了試驗(yàn)過(guò)程中影響迭代精度的各種因素，重點(diǎn)針對(duì)模擬迭代過(guò)程中白噪聲信號(hào)的生成及車(chē)架剛度的改進(jìn)對(duì)迭代精度的影響，論述了多軸加載道路模擬試驗(yàn)迭代精度控制方法，為重型車(chē)駕駛室道路模擬試驗(yàn)方法的建立奠定了基礎(chǔ)。

（3）利用多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)在試驗(yàn)室內(nèi)完成對(duì)商用車(chē)駕駛室總成及附件的可靠性考核，通過(guò)控制迭代精度，獲取了具有較高的精度的臺(tái)架驅(qū)動(dòng)信號(hào)，能夠真實(shí)地模擬駕駛室總成在車(chē)輛行駛過(guò)程中的振動(dòng)特性，滿(mǎn)足產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的工程應(yīng)用需求。