基于道路載荷與負(fù)載電流模擬的主動減振器耐久試驗方法

張桂明，何海，萬尚國

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 引言

傳統(tǒng)的汽車減振器作為一種被動元件，只能提供單一的阻尼系數(shù)，不能充分兼顧車輛的舒適性與操控性，而主動減振器能夠根據(jù)路面條件及駕駛狀態(tài)實時動態(tài)地對減振器阻尼進(jìn)行調(diào)節(jié)。電控單元通過傳感器采集車輛行駛狀態(tài)信號并經(jīng)過運算向減振器的控制閥發(fā)出控制電流，通過調(diào)節(jié)閥門開度改變減振器腔室間連同部分的截面積從而獲得適應(yīng)當(dāng)前狀態(tài)的阻尼系數(shù)。

減振器作為懸架子系統(tǒng)的一部分，具有衰減振動的作用，在其整個使用周期內(nèi)承受大量的復(fù)雜的交變載荷，此外在整車壽命周期內(nèi)往往不希望對其進(jìn)行更換，因此其結(jié)構(gòu)耐久性能非常重要，對減振器零部件級的耐久性能驗證通常采用CAE分析或物理試驗兩種方法。CAE方法通過建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，并對耐久性強化路面進(jìn)行建模得到虛擬載荷輸入，從而在早期開發(fā)階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)的耐久性驗證[1]。物理試驗則通過對實際載荷譜與受力進(jìn)行分析[2]，并通過加載設(shè)備對零部件樣件進(jìn)行加載[3]，從而模擬結(jié)構(gòu)載荷來進(jìn)行耐久性驗證。對于傳統(tǒng)的被動結(jié)構(gòu)件的耐久性驗證技術(shù)已較為成熟，但目前對主動減振器等具有可變工作特性的結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性驗證的研究與應(yīng)用尚處于初步階段。

主動減振器新技術(shù)帶來了整車動力學(xué)性能上的提升，同時也對減振器的零部件級結(jié)構(gòu)耐久試驗提出了新要求，除了需要模擬主動減振器載荷與運動，還需要復(fù)現(xiàn)其對應(yīng)時刻的電磁閥工作狀態(tài)。本文作者詳細(xì)論述了載荷及電流信號的采集與模擬方法，并對所搭建的耐久試驗裝置進(jìn)行了介紹，最后通過對零部件試驗與整車試驗中主動減振器的結(jié)構(gòu)應(yīng)變損傷計算及疲勞失效模式進(jìn)行對比，驗證了該試驗方法的有效性。

1 主動減振器耐久試驗方法概述

傳統(tǒng)的被動減振器通過采集試車場實車行駛過程中的道路載荷信號并通過加載設(shè)備進(jìn)行載荷復(fù)現(xiàn)來進(jìn)行零部件級的結(jié)構(gòu)耐久試驗，對于主動減振器的耐久試驗，基本思路是在傳統(tǒng)減振器試驗的基礎(chǔ)上，增加對主動減振器電磁閥工作電流信號的采集，以及電流信號與載荷信號的同步復(fù)現(xiàn)來實現(xiàn)。

1.1 道路數(shù)據(jù)采集

采集實車在試車場各種路面行駛過程中的主動減振器工作電流信號、活塞桿位移、活塞桿應(yīng)變信號、減振器底部筒壁應(yīng)變信號。其中，活塞桿位移信號以及結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號分別通過拉線位移傳感器與應(yīng)變片進(jìn)行采集，如圖1所示。對于減振器工作電流信號，在驅(qū)動電路回路中串聯(lián)一個電阻元件并采集電阻元件兩端的電壓信號，通過電壓信號與電阻阻值計算得到電子控制閥驅(qū)動電路中的電流信號。圖2為實車在道路行駛過程中采集的電壓、應(yīng)變及位移信號。

圖1 實車傳感器安裝位置

圖2 采集的道路數(shù)據(jù)

1.2 道路載荷的模擬

道路載荷模擬裝置包含主動減振器、液壓作動缸、傳感器、MTS控制柜及軟件等，如圖3所示。將主動減振器頂部通過安裝底座固定在支撐件上，同時將減振器底部與液壓作動缸相連，以活塞桿位移作為迭代目標(biāo)信號，以活塞桿應(yīng)變信號和減振器底部筒壁應(yīng)變信號作為監(jiān)控信號，通過驅(qū)動液壓作動缸的運動復(fù)現(xiàn)主動減振器在整車運動狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受載情況。

圖3 道路結(jié)構(gòu)載荷模擬裝置

1.2.1 模型辨識

為了獲得試驗裝置中響應(yīng)信號與驅(qū)動信號之間的傳遞關(guān)系，以白噪聲激勵信號作為系統(tǒng)輸入，同時記錄系統(tǒng)的響應(yīng)信號，并通過式(1)求取系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)：

H(f)=Gyx(f)Gxx(f)-1

(1)

式中：H(f)為系統(tǒng)模型；Gyx(f)為響應(yīng)信號和激勵信號的互功率譜；Gxx(f)為激勵信號的自功率譜。

1.2.2 信號迭代

迭代的目的在于獲得與迭代目標(biāo)響應(yīng)信號相對應(yīng)的系統(tǒng)驅(qū)動信號，從而基于驅(qū)動信號復(fù)現(xiàn)目標(biāo)信號。若假設(shè)系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，則根據(jù)前面求得的頻響函數(shù)可以得到初始驅(qū)動信號

X(f)=H(f)-1Y(f)

(2)

式中：X(f)為驅(qū)動信號譜函數(shù)；Y(f)為目標(biāo)響應(yīng)信號譜函數(shù)。

實際上，由于系統(tǒng)的非線性特性，需要通過迭代來不斷對驅(qū)動信號進(jìn)行修正，即反復(fù)利用求得的驅(qū)動信號驅(qū)動系統(tǒng)，同時計算系統(tǒng)實際響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)間的偏差，根據(jù)系統(tǒng)逆頻響函數(shù)計算驅(qū)動信號的修正量，并基于修正量不斷更新驅(qū)動信號，直到迭代目標(biāo)得到滿足。迭代的過程如圖4所示。

圖4 迭代流程

1.3 減振器電磁閥工作電流的模擬

電流模擬裝置如圖5所示，由工控機(jī)與可編程電源組成。電流模擬的基本原理如圖6所示，在主工控機(jī)中導(dǎo)入實車采集處理的主動減振器的電流信號，并建立了LabVIEW程序?qū)崟r地輸出電流信號，遠(yuǎn)程工控機(jī)通過NI板卡輸出模擬電流，并通過可編程電源進(jìn)行功率放大后將工作電流信號作用于主動減振器，為使主工控機(jī)與MTS控制柜及軟件實現(xiàn)時鐘同步，由MTS控制柜輸出時鐘同步信號直接觸發(fā)LabVIEW程序運行，從而保證電流信號與道路載荷譜的同步播放，模擬主動減振器真實的工作狀態(tài)。

圖5 電流模擬控制系統(tǒng)

圖6 電流模擬原理

2 耐久試驗方法的驗證

2.1 迭代結(jié)果分析

應(yīng)用MTS公司的RPC軟件[4]對試驗裝置進(jìn)行迭代得到驅(qū)動信號?；贛iner法則計算各監(jiān)控通道的迭代響應(yīng)信號與原始數(shù)采信號的偽損傷，其中，活塞桿應(yīng)變迭代后信號的偽損傷相對于原始信號保留了69%，減振器底部筒壁應(yīng)變迭代后信號的偽損傷相對于原始信號保留了83%，滿足企業(yè)規(guī)范要求。圖7為減振器活塞桿位移的時域信號，最終響應(yīng)信號與迭代目標(biāo)信號一致。圖8為減振器活塞桿位移信號的功率譜密度，頻域上可見最終響應(yīng)信號與迭代目標(biāo)信號一致。以上分析表明迭代效果很好，臺架最終響應(yīng)信號復(fù)現(xiàn)了迭代目標(biāo)信號，即復(fù)現(xiàn)了主動減振器在整車試驗中的工作狀態(tài)。

圖7 減振器活塞桿位移的時域信號對比

圖8 減振器活塞桿位移的功率譜密度對比

2.2 與整車試驗的對比分析

為定量地驗證減振器零部件試驗與整車試驗的一致性，對兩種試驗中減振器底部筒壁應(yīng)變進(jìn)行了相關(guān)性分析，圖9—圖11分別展示了雨流統(tǒng)計、穿級對數(shù)及功率譜密度的對比?？梢?，零部件試驗與整車試驗中應(yīng)變表現(xiàn)出基本一致的相關(guān)性。

圖9 雨流計數(shù)對比

圖10 穿級計數(shù)對比

圖11 功率譜密度對比

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)被動減振器部件耐久試驗載荷模擬的基礎(chǔ)上，利用工控機(jī)及可編程電源同步地模擬主動減振器工作電流來進(jìn)行主動減振器的零部件試驗，基于這種方案能夠充分體現(xiàn)整車行駛過程中主動減振器在整車結(jié)構(gòu)中的工作狀態(tài)，從而在開發(fā)早期有效地進(jìn)行主動減振器的零部件級。該試驗方法可以推廣應(yīng)用下列室內(nèi)試驗類型：系統(tǒng)級的前后懸架系統(tǒng)試驗；整車級的整車道路模擬結(jié)構(gòu)耐久性試驗。其對縮短產(chǎn)品開發(fā)與試驗周期具有積極的意義。