汽車液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備建設(shè)淺談

程俊東,周兆耀, 董遠(yuǎn)明

(吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)汽車的要求也隨之提高，對(duì)汽車的可靠性也越來(lái)越重視。目前汽車可靠性的實(shí)物驗(yàn)證方式主要有：試車場(chǎng)道路耐久試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)，其中臺(tái)架試驗(yàn)有著驗(yàn)證周期短、不受外部環(huán)境影響、變量輸入條件易于控制等優(yōu)點(diǎn)。液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備即為室內(nèi)可靠性驗(yàn)證臺(tái)架試驗(yàn)最常用的試驗(yàn)設(shè)備之一。

本文作者結(jié)合液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備建設(shè)實(shí)踐，主要闡述了常用的液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備類別、設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)、試驗(yàn)設(shè)備種類選擇及流量計(jì)算分析方法，并對(duì)液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備整體建設(shè)提出了一些原則和方法。某汽車研究院液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備建成后使用便利、功能完善、便于管理、易于維護(hù)，說(shuō)明該建設(shè)原則與方法具有一定價(jià)值。

1 液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介

液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備是汽車開(kāi)發(fā)臺(tái)架試驗(yàn)中最常用的設(shè)備之一。它通過(guò)將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，使作動(dòng)器通過(guò)伺服閥做出高頻響應(yīng)從而輸出所需的直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[1]。液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備整套系統(tǒng)一般包括：液壓泵站、液壓管道、分油器、作動(dòng)器、控制器、計(jì)算機(jī)及軟件。以MTS整車四立柱道路模擬試驗(yàn)臺(tái)為例，其主要組成部分如圖1所示。

圖1 液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備組成部分參考圖

1.1 液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備分類

通常按照汽車開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)對(duì)象和級(jí)別，液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備分為整車級(jí)和系統(tǒng)及零部件級(jí)試驗(yàn)設(shè)備。常用的整車級(jí)液壓伺服試驗(yàn)臺(tái)架有：整車多軸軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)(圖2)、整車四立柱道路模擬試驗(yàn)臺(tái)(圖3)；常用的系統(tǒng)及零部件級(jí)液壓伺服試驗(yàn)臺(tái)架有：MAST試驗(yàn)臺(tái)(圖4)、零部件液壓動(dòng)態(tài)伺服試驗(yàn)臺(tái)(圖5)、彈性體試驗(yàn)臺(tái)、減振器試驗(yàn)臺(tái)等。

圖2 整車多軸軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)

圖3 整車四立柱道路模擬試驗(yàn)臺(tái)

圖4 MAST試驗(yàn)臺(tái)

圖5 零部件液壓動(dòng)態(tài)伺服試驗(yàn)臺(tái)

1.2 液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備主要供應(yīng)商

當(dāng)前在國(guó)內(nèi)汽車開(kāi)發(fā)試驗(yàn)領(lǐng)域，市場(chǎng)占有率較高的液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備供應(yīng)商主要有：美國(guó)MTS、美國(guó)IST、美國(guó)MOOG、英國(guó)Servotest、日本鷺宮等。

2 液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備在建設(shè)時(shí)技術(shù)指標(biāo)較多，最重要的技術(shù)指標(biāo)有載荷/位移范圍、頻率響應(yīng)范圍、軸頭線速度、設(shè)備地基類型等。

2.1 載荷/位移范圍

常用的液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為作動(dòng)器，其主要分為直線作動(dòng)器和扭轉(zhuǎn)作動(dòng)器兩種。以某型號(hào)直線作動(dòng)器為例，其形狀如圖6所示。

圖6 直線作動(dòng)器

以直線作動(dòng)器為例，其控制方式為力和位移控制。常用的力載荷加載范圍為：±15、±25、±50、±100 kN等。位移加載范圍常見(jiàn)的有：±75、±125、±150、±250 mm等，各企業(yè)也可根據(jù)自身實(shí)際需要要求供應(yīng)商進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。

2.2 頻率響應(yīng)范圍

頻率響應(yīng)范圍指作動(dòng)器施加動(dòng)態(tài)力時(shí)可以達(dá)到的響應(yīng)頻率。因?yàn)榇蟛糠值钠嚵悴考绺避嚰?、控制臂、穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、減振彈簧等試件動(dòng)態(tài)響應(yīng)的頻率范圍在0～50 Hz之間，同時(shí)通過(guò)對(duì)試車場(chǎng)路譜采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，其頻域分布范圍一般也在50 Hz以內(nèi)，如圖7所示，所以液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備常用的頻率響應(yīng)范圍為0～50 Hz。

圖7 試車場(chǎng)路譜數(shù)據(jù)頻域分析圖

2.3 軸頭線速度

作動(dòng)器的軸頭速度主要指作動(dòng)器活塞桿端在動(dòng)態(tài)力作用下的最大速度，是作動(dòng)器在加載時(shí)最重要的參數(shù)，它決定了作動(dòng)器能達(dá)到的加載頻率和相應(yīng)的加載行程[2]。其主要受伺服閥的額定流量控制，可以根據(jù)軸頭線速度需要來(lái)選用合適的伺服閥型號(hào)及相應(yīng)的泵站來(lái)提供足夠的流量需求。

正弦加載時(shí)軸頭線速度v經(jīng)驗(yàn)公式：

v=2·π·a·f

式中：a為加載幅值;f為加載頻率。

2.4 設(shè)備地基類型

因?yàn)橐簤核欧囼?yàn)設(shè)備安裝地面承受的反力會(huì)向周圍建筑物傳遞，造成建筑物震動(dòng)和其他影響，所以液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備不能直接安放在未經(jīng)處理的地面上。安裝地基一般有兩種處理方式：固定式地基和懸浮式地基。

固定式地基是指液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備安裝在一個(gè)大的鋼筋混凝土質(zhì)量塊上，然后將這種大的質(zhì)量塊安放在地面上，如圖8所示，同時(shí)質(zhì)量塊的固有頻率必須要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最高的激勵(lì)頻率。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，一般零部件級(jí)別的液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備地基可以采用。

圖8 固定式地基圖

懸浮式地基是指利用彈簧減振器在質(zhì)量塊與地面之間進(jìn)行隔離，如圖9和圖10所示。安裝彈簧減振器后質(zhì)量塊的固有頻率非常低，一般在0.8～2.0 Hz之間。這種安裝方式可提高試驗(yàn)設(shè)備的試驗(yàn)精度，同時(shí)對(duì)周圍建筑物影響很小，但是在減振彈簧建設(shè)、地基調(diào)平、地基安裝、使用維護(hù)等方面費(fèi)用較高。一般整車級(jí)別特別是慣性力加載的液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備地基可以采用。

圖9 懸浮式地基圖

圖10 懸浮式地基減振器圖

3 液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備建設(shè)原則

結(jié)合某汽車研究院液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備建設(shè)情況，通過(guò)設(shè)備規(guī)劃、選型、確定參數(shù)、配套設(shè)施、整體布局等步驟來(lái)完成設(shè)備建設(shè)。建設(shè)中主要考慮的原則有如下7條。

3.1 液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備規(guī)劃

首先要結(jié)合公司的實(shí)際情況如試驗(yàn)室定位、歷史遺留設(shè)備等，以及公司產(chǎn)品種類、型號(hào)及相應(yīng)參數(shù)等，對(duì)設(shè)備建設(shè)進(jìn)行全局考慮、整體規(guī)劃。通常采用整體規(guī)劃法，實(shí)際建設(shè)時(shí)可分批次進(jìn)行。

比如某汽車研究院液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備在建設(shè)時(shí)整體規(guī)劃布局多種常用等液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備，同時(shí)按照規(guī)劃設(shè)備所需進(jìn)行場(chǎng)地面積及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。實(shí)際設(shè)備建設(shè)時(shí)分批次，首先投資建設(shè)急需及驗(yàn)證效果明確的試驗(yàn)臺(tái)。

3.2 液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備種類選擇

液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備種類多樣，常見(jiàn)的有：帶環(huán)境倉(cāng)/常溫整車多軸軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)、帶環(huán)境倉(cāng)/常溫整車四立柱道路模擬試驗(yàn)臺(tái)、帶環(huán)境倉(cāng)/常溫MAST試驗(yàn)臺(tái)、液壓動(dòng)態(tài)伺服試驗(yàn)臺(tái)、懸置單軸/多軸動(dòng)靜剛度試驗(yàn)臺(tái)、減振器耐久試驗(yàn)臺(tái)等。

建設(shè)時(shí)需綜合考慮試驗(yàn)室定位、項(xiàng)目開(kāi)發(fā)試驗(yàn)需求、試驗(yàn)驗(yàn)證效果、設(shè)備投資金額等因素。如一般汽車主機(jī)廠試驗(yàn)室定位于自身只做整車及系統(tǒng)級(jí)臺(tái)架試驗(yàn)，而相應(yīng)零部件試驗(yàn)靠各供應(yīng)商自身的試驗(yàn)室驗(yàn)證，所以建設(shè)的液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備也以整車級(jí)試驗(yàn)設(shè)備為主。如一般汽車主機(jī)廠對(duì)帶環(huán)境倉(cāng)的四立柱道路模擬試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)需求強(qiáng)烈，而對(duì)整車多軸軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)需求較低，所以帶環(huán)境倉(cāng)的四立柱道路模擬試驗(yàn)臺(tái)就會(huì)優(yōu)先建設(shè)。

3.3 液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)參數(shù)選擇

液壓伺服設(shè)備選型明確后，就需要根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象參數(shù)來(lái)選設(shè)備的載荷/位移范圍、軸頭速度、頻響范圍等參數(shù)。

設(shè)備的載荷/位移范圍根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的載荷范圍來(lái)確定，軸頭速度主要靠加載波形計(jì)算得到，總之要結(jié)合實(shí)際所需，參數(shù)范圍過(guò)小則不能滿足試驗(yàn)需求，過(guò)大則造成浪費(fèi)。

如某企業(yè)建設(shè)的整車四立柱道路模擬試驗(yàn)臺(tái)主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 整車四立柱道路模擬試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

3.4 設(shè)備建設(shè)地基類型選擇

如前文所述，設(shè)備地基的選擇，經(jīng)常根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備的類型、使用環(huán)境、振動(dòng)影響來(lái)進(jìn)行選擇。如常見(jiàn)的多軸軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)、整車四立柱試驗(yàn)臺(tái)因振動(dòng)量較大，故采用懸浮式地基。

3.5 油源泵站建設(shè)

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備的型號(hào)和軸頭速度來(lái)計(jì)算泵站的最大流量，同時(shí)泵站的流量最好預(yù)留有后期可擴(kuò)展的空間，特別是分批次建設(shè)時(shí)。

如圖11所示，液壓作動(dòng)器在運(yùn)行過(guò)程中活塞桿兩端壓力是平衡的。

圖11 作動(dòng)器液壓平衡示意

液壓泵站流量計(jì)算公式[3]為

伺服閥兩邊壓力平衡:

ps-p1=p2-pr

伺服閥的壓降為：

pv=2(ps-p1)

作動(dòng)器活塞兩邊壓力平衡：

p1·A=p2·A+100×F=(ps-p1+pr)+100×F

所以，提供作動(dòng)器支撐力的油壓p為：

p1=(ps+pr)/2+100×F/2A

如果進(jìn)油壓力為21 MPa,回油壓力為1 MPa,作動(dòng)器活塞面積為20 cm2,那么提供作動(dòng)器產(chǎn)生30 kN的力就需要油壓18.5 MPa,伺服閥兩邊壓降pv為5 MPa,計(jì)算可以得到伺服閥的最大流量Qmax=0.025A·vmax。

實(shí)際計(jì)算時(shí)主要考慮兩種不同加載載荷時(shí)系統(tǒng)的平均流量，液壓泵站流量計(jì)算公式為：

正弦激勵(lì)平均流量

Qave=0.025vmax(2A/π)

隨機(jī)激勵(lì)平均流量

Qave=0.025vmax·2A·sqrt(2/π)

上述公式計(jì)算中使用到的符號(hào)和單位見(jiàn)表2。

表2 液壓泵站流量計(jì)算公式符號(hào)及單位

3.6 冷卻循環(huán)水

因?yàn)樽鲃?dòng)器使用液壓油為能源不斷做功，導(dǎo)致液壓油溫度上升，而液壓油的理想運(yùn)行溫度為38～42 ℃，所以需要冷卻循環(huán)水對(duì)液壓油進(jìn)行冷卻[4]。冷卻循環(huán)水流量計(jì)算方法通過(guò)熱力學(xué)熱平衡計(jì)算公式計(jì)算冷卻循環(huán)水的流量，如下式所示：

C1·M1·(T1-T2)=C2·M2·(T3-T4)

此外，因?yàn)槔鋮s循環(huán)水會(huì)對(duì)液壓泵站中的散熱片有腐蝕作用，一般會(huì)設(shè)置冷卻循環(huán)水過(guò)濾或軟化裝置。

3.7 場(chǎng)地/管道布置

液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備及液壓油管道的布置原則：基于整體規(guī)劃，一次性建設(shè)，對(duì)后續(xù)建設(shè)的液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備預(yù)留位置及液壓油管道，做好試驗(yàn)間、控制間、油泵間和液壓油管道等各個(gè)區(qū)域的整體布局建設(shè)。

4 結(jié)論

對(duì)液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)介紹，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)室建設(shè)基本原則做了簡(jiǎn)單闡述。針對(duì)液壓伺服試驗(yàn)設(shè)備建設(shè)提供建議如下：

(1)通過(guò)整體規(guī)劃，做好空間布置，并為后續(xù)建設(shè)設(shè)備預(yù)留位置。

(2)試驗(yàn)設(shè)備的建設(shè)是一個(gè)整體系統(tǒng)的工程，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)是緊密關(guān)聯(lián)的，設(shè)備建設(shè)要根據(jù)自身實(shí)際情況進(jìn)行選擇，一步步確認(rèn)需求參數(shù)，使建成的試驗(yàn)室能夠滿足完全實(shí)際使用要求。