發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架多軸加載道路模擬試驗(yàn)方法研究

趙強(qiáng) 霍福祥 楊立峰 徐佳彬

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

主題詞：發(fā)動(dòng)機(jī)懸置 多軸加載 道路模擬 臺(tái)架試驗(yàn)

1 前言

在商用車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架是重要的部件之一，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架支撐著發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱總成的質(zhì)量，一旦發(fā)生斷裂將會(huì)直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱總成的脫落，動(dòng)力源中斷，并且容易造成交通事故[1]，尤其對(duì)于行駛路面狀況較差的工程車來(lái)說(shuō)，路面沖擊大，發(fā)動(dòng)機(jī)總成懸置支架的工作環(huán)境更加惡劣，因此在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架進(jìn)行耐久性能考核，使其滿足整車的使用要求，提高動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性十分必要。

伴隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，由于室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)具備重復(fù)性好，復(fù)現(xiàn)精度高、試驗(yàn)周期短等諸多優(yōu)勢(shì)，在汽車設(shè)計(jì)研發(fā)中越發(fā)受到青睞，已經(jīng)成為了各主機(jī)廠進(jìn)行產(chǎn)品可靠耐久性開(kāi)發(fā)驗(yàn)證的主要手段之一[2-4]。

本文以某重型車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架為對(duì)象，通過(guò)開(kāi)展載荷譜采集、多軸加載試驗(yàn)臺(tái)架搭建、模擬迭代、損傷分析等方法研究，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架室內(nèi)多軸加載臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)方法，能夠高精度地復(fù)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架在實(shí)車道路試驗(yàn)中的振動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而完成可靠耐久性試驗(yàn)考核。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)多輪改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的快速驗(yàn)證，加速產(chǎn)品定型，極大地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低研發(fā)成本，具備極高的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 多軸加載道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架

汽車行駛過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)總成懸置支架受力狀況十分復(fù)雜，它不僅承載發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱總成的靜載荷，同時(shí)承受車輛運(yùn)動(dòng)中發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱總成各個(gè)方向的動(dòng)載荷。

本文搭建的多軸加載道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架由計(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)等硬件設(shè)備組成。其中，液壓伺服系統(tǒng)由6個(gè)液壓線性作動(dòng)器及相關(guān)附件組成，通過(guò)模擬車架將發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱總成與作動(dòng)器連接。其中，3個(gè)垂向的作動(dòng)器直接與模擬車架連接，3個(gè)水平方向作動(dòng)器（一個(gè)X方向、兩個(gè)Y方向）通過(guò)附帶連桿機(jī)構(gòu)與模擬車架連接，具體如圖1所示。

圖1 多軸加載道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架示意

通過(guò)6個(gè)通道作動(dòng)器的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，在試驗(yàn)室內(nèi)再現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)總成在車輛行駛過(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)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的影響。

3 室內(nèi)多軸加載道路模擬試驗(yàn)

3.1 室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)步驟

利用多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程參數(shù)控制技術(shù)進(jìn)行耐久性道路模擬試驗(yàn)基本上由以下6個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)[5-6]：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)懸置總成支架載荷譜（期望響應(yīng)信號(hào)）采集；

（2）期望響應(yīng)數(shù)據(jù)處理；

（3）試驗(yàn)系統(tǒng)搭建；

（4）求解系統(tǒng)傳遞特性；

（5）模擬迭代獲取最終驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

（6）道路模擬試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)。

3.2 載荷譜采集

3.2.1 控制采集點(diǎn)的選擇

載荷譜采集是室內(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[7]：

（1）一般離激勵(lì)點(diǎn)越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的非線性越太，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。

以某商用車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架為試驗(yàn)對(duì)象，在發(fā)動(dòng)機(jī)前后懸置支架處及變速箱中心位置布置5處加速度傳感器，具體見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架加速度信號(hào)測(cè)點(diǎn)

圖3 實(shí)車狀態(tài)下各加速度測(cè)點(diǎn)布置位置

3.3 期望響應(yīng)數(shù)據(jù)處理

通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的原始時(shí)間歷程信號(hào)并不能直接作為臺(tái)架試驗(yàn)的期望響應(yīng)信號(hào)，需要進(jìn)行必要的處理。本文搭建的多軸加載道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架搭載RFC（Remote Factor Control）遠(yuǎn)程控制軟件來(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)臺(tái)時(shí)，同時(shí)對(duì)原始期望響應(yīng)進(jìn)行濾波、去除趨勢(shì)向及毛刺等處理。

3.4 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

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)器與模擬車架之間的連接沒(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。以某商用車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架為試驗(yàn)對(duì)象搭建的多軸加載道路模擬試驗(yàn)系臺(tái)架見(jiàn)圖4。

圖4 多軸加載道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架

3.5 系統(tǒng)傳遞特性求解

3.5.1 迭代控制通道選取

參見(jiàn)圖5，遵循3.2.1中迭代控制通道的選取原則，選取模擬車架上左前（X、Y、Z）位置Y、Z方向，右前（X、Y、Z）位置X、Z方向、變速箱中心（X、Y、Z）位置Y、Z方向?yàn)榈刂仆ǖ溃M成6×6矩陣迭代形式，具體迭代控制通道如表1所示。

圖5 迭代控制通道選取

表1 正方矩陣模擬迭代控制通道

3.5.2 求解系統(tǒng)傳遞函數(shù)

將多軸加載試驗(yàn)臺(tái)架定義為多輸入、多輸出振動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)，求解系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。在遠(yuǎn)程控制軟件RFC中定義一個(gè)多輸入白噪聲信號(hào)為X(f)，定義系統(tǒng)傳遞函數(shù)為H(f)，由安裝在系統(tǒng)中的加速度傳感器回采輸出信號(hào)Y(f)反饋給RFC軟件，則有：

式中，X(f)—白噪聲驅(qū)動(dòng)信號(hào)函數(shù)矩陣；Y(f)—回采信號(hào)函數(shù)矩陣；H(f)—系統(tǒng)頻響函數(shù)矩陣。

求解系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下：

3.5.3 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，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[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[9]。

3.6 迭代控制算法及誤差計(jì)算

3.6.1 迭代控制算法

定義處理后的期望響應(yīng)信號(hào)為Y0(t)，經(jīng)傅里葉變換為：

定義頻域初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)為X1(f)，令：

用X1(t)激勵(lì)系統(tǒng)，獲得響應(yīng)信號(hào)Y1(t)，定義首次誤差信號(hào)為ΔY1(t)，則有：

式中，α—迭代增益。

3.6.2 誤差計(jì)算

重復(fù)上述步驟，直到迭代誤差達(dá)到一定范圍內(nèi)，終止迭代，生成的驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)臺(tái)架進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)。模擬迭代誤差計(jì)算方法如（12）式所示。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架總成迭代結(jié)果

4.1 迭代結(jié)果

以某重型車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架為對(duì)象，搭建多軸加載試驗(yàn)臺(tái)架、實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架室內(nèi)臺(tái)架模擬迭代過(guò)程，迭代誤差曲線如圖6所示，迭代最終誤差見(jiàn)表2。

圖6 模擬迭代誤差曲線

表2 各控制通道模擬迭代誤差

顯然，除左前（X、Y、Z）位置LF_Y通道，其他迭代控制通道迭代誤差均接近10%，本文搭建的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架多軸加載試驗(yàn)臺(tái)架模擬迭代精度較高。

4.2 迭代結(jié)果評(píng)價(jià)

以迭代獲得的最終的驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)系統(tǒng)，回采臺(tái)架響應(yīng)信號(hào)，分別基于時(shí)域、頻域及相對(duì)損傷的角度對(duì)臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，圖7為時(shí)域信號(hào)對(duì)比結(jié)果，圖8為頻域信號(hào)對(duì)比結(jié)果，圖9為穿級(jí)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比，相對(duì)損傷對(duì)比見(jiàn)表3。

圖7 迭代時(shí)域信號(hào)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比，顯然臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)在時(shí)域內(nèi)、頻域內(nèi)幾乎趨于一致，相對(duì)損傷比接近0.8～1之間，滿足臺(tái)架試驗(yàn)需求，能夠真實(shí)再現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架在車輛行駛過(guò)程中的振動(dòng)狀態(tài)。即通過(guò)系統(tǒng)迭代獲取的臺(tái)架驅(qū)動(dòng)信號(hào)有較高的精度，滿足工程應(yīng)用需求，能夠代替實(shí)車道路試驗(yàn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架道路模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖8 迭代頻域信號(hào)對(duì)比

圖9 穿級(jí)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)值對(duì)比

表3 各迭代控制通道響應(yīng)信號(hào)相對(duì)損傷

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文以某重型車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架為對(duì)象，首次設(shè)計(jì)搭建了多軸加載試驗(yàn)臺(tái)架，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架的多軸加載道路模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。

（2）通過(guò)開(kāi)展載荷譜采集、數(shù)據(jù)處理，明確了以發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架及變速箱中心位置處的振動(dòng)加速度信號(hào)作為迭代控制目標(biāo)的選取方法。

（3）通過(guò)迭代精度控制，獲取了具有較高精度的臺(tái)架驅(qū)動(dòng)信號(hào)，能夠真實(shí)地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架在車輛行駛過(guò)程中的振動(dòng)特性，滿足產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的工程應(yīng)用需求。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)方法的建立能夠充分發(fā)揮室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)的諸多優(yōu)勢(shì)，在新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)以及產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，具有很強(qiáng)的試驗(yàn)和驗(yàn)證功能，具備很高的工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)為其它車架懸、吊件總成多軸加載臺(tái)架道路模擬試驗(yàn)方法開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。