整車行駛可靠性與室內(nèi)道路模擬試驗技術(shù)方法研究

夏雪寶，魯吉林，余云加，楊明軍

（1.廣州廣電計量檢測股份有限公司,廣州 510000；2.陸軍裝備部裝備項目管理中心,北京 100012）

引言

各種新車型從設(shè)計開發(fā)到穩(wěn)定生產(chǎn)及整車改進都要經(jīng)過各類型的試驗，其中行駛可靠性試驗是考核整車底盤及上裝設(shè)備可靠性的關(guān)鍵試驗，在相關(guān)的國標(biāo)及國軍標(biāo)中均有相應(yīng)規(guī)定[1，2]。各類汽車行駛可靠性考核一般是通過實際道路行駛試驗或汽車試驗場試驗進行考核[3]。

道路行駛可靠性試驗是將汽車按實際使用條件行駛至規(guī)定的里程，考核車輛行駛過程中底盤及上裝設(shè)備的可靠性能。行駛試驗對各種路面的里程、對炎熱、寒冷和高原等地區(qū)的試驗時間均有規(guī)定。由于是在實際外場路面行駛幾千公里至上萬公里，道路行駛試驗會存在實際路面條件難以控制、環(huán)境條件復(fù)雜、試驗周期長及保密性無法保證等問題[4]。汽車試驗場是試驗汽車的專用場地，由可進行平順性、可靠性和耐久性試驗的高速環(huán)形路、石塊路、搓板路和其他典型路段組成，有坡道、彎道、塵灰室、鹽水池、淋水室和試驗涉水性能的水池以及試驗轉(zhuǎn)向特性用的圓形場地等。相比于道路試驗，試驗場試驗可有效解決路面條件及保密性等問題。但對于專用特種軍用車輛，需建設(shè)相應(yīng)的試驗場路面，投資巨大費用較高[5]。

室內(nèi)道路模擬是一種重要的可靠性、耐久性試驗方法，通過數(shù)字計算機技術(shù)和液壓伺服技術(shù)能在實驗室室內(nèi)模擬復(fù)現(xiàn)車輛實際行駛時的振動環(huán)境，精確再現(xiàn)車輛行駛過程中各種運動狀態(tài)及受載荷激勵情況，可節(jié)省大量人力物力[6，7]。由于道路模擬試驗在室內(nèi)進行，能更好的進行保密控制，同時因道路模擬試驗系統(tǒng)運行時重復(fù)性好，當(dāng)試驗車輛出現(xiàn)故障時，通過路譜重復(fù)運行，有利于故障復(fù)現(xiàn)與驗證。目前國內(nèi)軍用整車及類似產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計或改裝，都是采用傳統(tǒng)的道路試驗方法，在開發(fā)的初期，沒有時間和條件進行車輛及上裝設(shè)備整車級的試驗。上裝設(shè)備電子元器件和電子設(shè)備作為設(shè)備進行過振動等環(huán)境可靠性測試，但系統(tǒng)集成為車載上裝設(shè)備后，其可靠性工作環(huán)境與設(shè)備級振動環(huán)境不一致，導(dǎo)致每次道路試驗時都會出現(xiàn)大量問題，嚴(yán)重制約了軍用整車的進一步發(fā)展提升。

針對軍用整車行駛可靠性存在的問題，本文采用一種以軍用整車短時外場道路試驗結(jié)合室內(nèi)道路模擬試驗對其行駛可靠性進行考核的方法。該方法通過先將軍用整車在外場進行短時短距離的外場行駛試驗，采集樣車外場道路行駛時底盤結(jié)構(gòu)及上裝設(shè)備振動應(yīng)變響應(yīng)信號，對響應(yīng)信號進行分析、壓縮、裁剪編輯以獲得道路譜數(shù)據(jù)，再在道路模擬系統(tǒng)上通過對整車設(shè)備結(jié)構(gòu)的損傷效果進行對比驗證，驗證該車型等效道路載荷譜，最終加載等效的道路載荷譜至道路模擬系統(tǒng)臺架上對整車的行駛可靠性進行等效考核。

1 道路模擬系統(tǒng)及路譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1 道路模擬系統(tǒng)

室內(nèi)道路模擬系統(tǒng)的驅(qū)動動力有電動和液壓兩種類型，由于液壓驅(qū)動式道路模擬系統(tǒng)推力大、費用低、性能優(yōu)良，因此應(yīng)用較電動式更為廣泛[8]。本文軍用整車試驗用的道路模擬系統(tǒng)為液壓式，如圖1所示，主要由液壓泵及驅(qū)動電機、液壓油源、液壓缸、電液伺服閥、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。

圖1 道路模擬系統(tǒng)臺架

表1 路譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備清單

該道路模擬試驗系統(tǒng)屬于輪胎耦合式系統(tǒng)，總共六個作動器，單個作動器推力最大推力13 t，頻率范圍0.1～50 Hz，振幅350 mm，軸頭最大垂向速度2 m/s，路譜迭代精度（時域）優(yōu)于5 %。該系統(tǒng)可用于3軸及以下、最大整車重量12 t的通用型軍用整車。

1.2 路譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

路譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體設(shè)備清單如表1所示，相應(yīng)的整車道路模擬試驗流程如圖2所示。

2 外場試驗及路譜采集

2.1 外場試驗

某軍用整車外場試驗場地跑道符合GJB 219B附錄D的規(guī)定，外場實物圖如圖3所示，該環(huán)形跑道一圈周長為約為0.8 km。在保證安全的前提下，按《XXX軍用整車試驗大綱的要求》以30 km/h左右車速行駛，完成數(shù)據(jù)采集。試驗時，樣車要穩(wěn)住車速，然后勻速駛過試驗路段，記錄各加速度傳感器及應(yīng)力應(yīng)變信號。

2.2 路譜采集

根據(jù)外場行駛試驗時樣車結(jié)構(gòu)及上裝設(shè)備特性，采集16通道原始信號，其中10通道應(yīng)變監(jiān)測底盤關(guān)鍵部位，4通道軸頭加速度信號，2通道上裝設(shè)備加速度信號，其中某振動和某應(yīng)變測點如圖4所示。

圖2 整車道路模擬試驗流程

圖3 外場環(huán)形跑道典型路面

圖4 振動和應(yīng)變測點安裝圖

該軍用整車?yán)@環(huán)形跑道行駛一周，行駛距離0.8 km，共采集119 s振動、應(yīng)變信號，各信號的時間歷程曲線分別如圖5～7所示。

圖5 10通道應(yīng)變信號

3 路譜數(shù)據(jù)裁剪處理

如圖8所示，陰影標(biāo)記片段為沒有損傷貢獻或損傷貢獻較小的可編輯裁剪部分。數(shù)據(jù)裁剪后，原始119 s信號數(shù)據(jù)編輯壓縮為54 s。以通道1測點應(yīng)變信號為例，對編輯前后的信號進行頻域成分對比如圖9所示。

由圖9可知編輯前后應(yīng)變信號頻率成分及幅值沒有發(fā)生明顯變化，說明編輯裁剪后信號能有效反映行駛時的載荷環(huán)境條件。

4 道路模擬試驗

4.1 路譜數(shù)據(jù)的加載迭代

用上述54 s的4個軸頭編輯裁剪后的路譜數(shù)據(jù)，作為道路模擬系統(tǒng)臺架迭代目標(biāo)，通過臺架閉環(huán)控制策略在時域上復(fù)現(xiàn)該加速度信號。以通道11的軸頭加速度為例，控制系統(tǒng)迭代后道路模擬臺架上的加速度響應(yīng)及目標(biāo)信號對比如圖10所示。

圖6 4通道軸頭加速度信號

圖7 2通道上裝設(shè)備加速度信號

圖8 路譜數(shù)據(jù)編輯裁剪示意圖

圖9 應(yīng)變信號裁剪前后頻域?qū)Ρ?/p>

由圖10可知，迭代后的響應(yīng)加速度與目標(biāo)加速度值能很好重合，說明閉環(huán)控制系統(tǒng)精度高。如圖11所示，迭代后的4通道軸頭加速度信號的RMS（有效值）與目標(biāo)信號RMS的比值均在91 %以上，說明臺架可精確復(fù)現(xiàn)樣車實際行駛時的振動環(huán)境條件。

4.2 道路模擬試驗損傷效果驗證

道路模擬臺架以4通道軸頭加速度為迭代目標(biāo)，閉環(huán)控制系統(tǒng)能精確控制臺架對樣車施加路譜振動環(huán)境條件。為評估道路模擬系統(tǒng)臺架及實際路面行駛在相同振動環(huán)境條件下，樣車的損傷效果是否一致，對比分析實際行駛試驗時與道路模擬試驗時樣機底盤各測點的應(yīng)力應(yīng)變損傷水平。由于篇幅有限，僅以底盤通道5-6應(yīng)變測點及上裝設(shè)備通道15振動測點為例，進行功率譜密度對比如圖12～14所示。

由圖12～14可知，道路模擬試驗和行駛試驗各測點的頻率成分及幅值大小一致，偏差較小?？梢姷缆纺M試驗時各測點的響應(yīng)信號與外場行駛試驗時各測點目標(biāo)信號得到了精確的復(fù)現(xiàn)，即行駛試驗對樣車的損傷效果與道路模擬時對樣車的損傷效果一致，54 s的道路模擬試驗的考核效果可等效為外場119 s（0.8 km）的行駛可靠性試驗，因此對于10 000 km可靠性里程，按傳統(tǒng)道路行駛試驗方法需50天左右才可完成可靠性試驗，而采用道路模擬臺架僅需運行187.5 h（1周左右）即可達到可靠性試驗考核的目的。

圖10 軸頭加速度迭代加載效果

圖11 4通道軸頭加速度復(fù)現(xiàn)信號的RMS值精度

圖12 通道5應(yīng)變測點損傷效果對比

圖13 通道6應(yīng)變測點損傷效果對比

圖14 通道15振動水平對比

5 結(jié)論

本文通過典型路面的外場行駛試驗，采集樣車底盤結(jié)構(gòu)及上裝設(shè)備振動應(yīng)變響應(yīng)信號，并進行數(shù)據(jù)裁剪以獲得路譜數(shù)據(jù)，再以該路譜數(shù)據(jù)為輸入，通過道路模擬試驗對樣車進行激勵加載，結(jié)果表明道路模擬試驗對樣車損傷效果與外場行駛試驗效果一致。最終該方法可將該軍用整車10 000 km（約50天）外場行駛可靠性試驗縮短為室內(nèi)道路模擬系統(tǒng)臺架上187.5 h（1周）的試驗，加速了該類型軍用整車的研發(fā)速度，縮短研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)費用，且能更好的進行保密控制。但由于室內(nèi)道路模擬試驗并不能復(fù)現(xiàn)整車外場試驗的高低溫、淋雨日曬吹風(fēng)等環(huán)境條件及發(fā)動機工作的激勵載荷，采用道路模擬試驗如何復(fù)現(xiàn)該類環(huán)境條件及載荷需要進一步的研究，如采用一定比例的外場行駛試驗及室內(nèi)道路模擬試驗進行行駛可靠性考核可作為后續(xù)的研究方向之一。