商用車(chē)駕駛室七軸道路模擬試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

摘 要：開(kāi)展商用車(chē)駕駛室臺(tái)架耐久測(cè)試，通常需要用到重型六自由度振動(dòng)臺(tái)、六立柱、八立柱等進(jìn)口專(zhuān)用設(shè)備，由于國(guó)內(nèi)設(shè)備資源緊缺，大大制約了商用車(chē)駕駛室臺(tái)架耐久測(cè)試工作的開(kāi)展。為彌補(bǔ)該類(lèi)專(zhuān)用設(shè)備資源緊缺的不足，本文介紹了適用于駕駛室臺(tái)架耐久測(cè)試的另一重要方式——駕駛室七軸道路模擬試驗(yàn)臺(tái)，并詳細(xì)介紹了其設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法。

關(guān)鍵詞：駕駛室 臺(tái)架耐久測(cè)試 道路模擬

0 引言

商用車(chē)駕駛室的疲勞耐久性能開(kāi)發(fā)一直是商用車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，汽車(chē)企業(yè)、科研院所、高校等均在商用車(chē)駕駛室疲勞耐久測(cè)試、分析等方面開(kāi)展了大量工作。商用車(chē)駕駛室的疲勞耐久性能研究，主要可分為兩個(gè)方向：試驗(yàn)測(cè)試法、有限元分析法。鑒于現(xiàn)階段材料的疲勞破壞理論有待細(xì)化、有限元法計(jì)算疲勞強(qiáng)度的載荷獲取較為復(fù)雜等問(wèn)題，商用車(chē)駕駛室的疲勞耐久性能研究仍然需要較多地借助試驗(yàn)完成。而試驗(yàn)測(cè)試法根據(jù)測(cè)試場(chǎng)地不同又可分為：道路試驗(yàn)、室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)兩類(lèi)。近年來(lái)，在試驗(yàn)室臺(tái)架上開(kāi)展基于真實(shí)載荷的道路模擬試驗(yàn)由于結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，已得到了較為廣泛的應(yīng)用。

開(kāi)展商用車(chē)駕駛室臺(tái)架耐久測(cè)試，通常需要用到重型六自由度振動(dòng)臺(tái)、六立柱、八立柱等專(zhuān)用設(shè)備，由于國(guó)內(nèi)設(shè)備資源緊缺，大大制約了商用車(chē)駕駛室臺(tái)架耐久測(cè)試工作的開(kāi)展。另一種可行的途徑是采用多個(gè)液壓缸搭建商用車(chē)駕駛室耐久試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多個(gè)液壓缸存在運(yùn)動(dòng)耦合，搭建試驗(yàn)臺(tái)的難度較大。本文將從臺(tái)架設(shè)計(jì)、臺(tái)架搭建、臺(tái)架應(yīng)用三個(gè)方面介紹商用車(chē)駕駛室七軸道路模擬試驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)方法。

1 商用車(chē)駕駛室七軸道路模擬試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

商用車(chē)駕駛主要承受了車(chē)架傳遞到駕駛室的各個(gè)方向的力，在這些激勵(lì)力及慣性力的作用下，商用車(chē)駕駛室的振動(dòng)主要包括沿X軸的平動(dòng)、沿Y軸的平動(dòng)、沿Z軸的平動(dòng)，繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)（側(cè)傾）、繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)（俯仰）、繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)（橫擺），以及在不平路面上帶來(lái)的車(chē)架扭轉(zhuǎn)及駕駛室扭轉(zhuǎn)。為了提高商用車(chē)駕駛室臺(tái)架耐久試驗(yàn)的精度，需要盡可能準(zhǔn)確地模擬商用車(chē)駕駛室的六自由度振動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)也意味著應(yīng)當(dāng)盡可能準(zhǔn)確地模擬商用車(chē)駕駛室所受到的全部外界激勵(lì)。為了準(zhǔn)確模擬商用車(chē)駕駛室的實(shí)車(chē)安裝狀態(tài)，保留駕駛室與車(chē)架之間的全部連接方式，包括空氣彈簧、減振器、駕駛室翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)等，同時(shí)截取一段車(chē)架，將車(chē)架作為駕駛室的載荷輸入接口，如圖1所示。

商用車(chē)駕駛室最主要的載荷輸入為路面垂向激勵(lì)，這個(gè)方向的載荷輸入從車(chē)架通過(guò)駕駛室底部4個(gè)空氣彈簧傳遞到駕駛室。因此，為了模擬路面垂向激勵(lì)，在空氣彈簧下方對(duì)應(yīng)的車(chē)架位置處布置4條垂向液壓缸，通過(guò)液壓缸的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)車(chē)架運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)空氣彈簧對(duì)商用車(chē)駕駛室施加垂向激勵(lì)。如果液壓缸1、液壓缸2與液壓缸3、液壓缸4反向運(yùn)動(dòng)，則可以是實(shí)現(xiàn)繞Y軸的激勵(lì)輸入（俯仰運(yùn)動(dòng)）；如果液壓缸1、液壓缸3與液壓缸2、液壓缸4反向運(yùn)動(dòng)，則可以是實(shí)現(xiàn)繞X軸的激勵(lì)輸入（側(cè)傾運(yùn)動(dòng)）。如果液壓缸1、液壓缸4與液壓缸2、液壓缸3反向運(yùn)動(dòng)，則可以實(shí)現(xiàn)車(chē)架、駕駛室的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

為了對(duì)商用車(chē)駕駛室施加側(cè)向激勵(lì)，在液壓缸1、3與車(chē)架連接處再增加2條水平布置的側(cè)向液壓缸。如果液壓缸5、6同向運(yùn)動(dòng)，即可對(duì)車(chē)架、駕駛室施加側(cè)向激勵(lì)；如果液壓缸5、6反向運(yùn)動(dòng)，即可對(duì)車(chē)架、駕駛室施加繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（橫擺）。

為了對(duì)商用車(chē)駕駛室施加縱向激勵(lì)，可在車(chē)架前端或者后端水平布置1個(gè)液壓缸。由于車(chē)架前端有保險(xiǎn)杠等被試件，影響液壓缸的安裝。因此，在車(chē)架后端安裝液壓缸。

加載機(jī)構(gòu)布置如圖2所示。

通過(guò)4條垂向液壓缸、2條側(cè)向水平布置的液壓缸以及1條縱向水平布置的液壓缸，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)商用車(chē)駕駛室的6個(gè)自由度激勵(lì)輸入，模擬商用車(chē)駕駛室6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)液壓缸的數(shù)量，將此試驗(yàn)臺(tái)稱(chēng)為商用車(chē)駕駛室七軸道路模擬試驗(yàn)臺(tái)。

由于車(chē)架和駕駛室具有6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，并且各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)位移較大，如果直接將液壓缸和車(chē)架相連，會(huì)導(dǎo)致7個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)發(fā)生耦合。如果不能很好的協(xié)調(diào)各個(gè)液壓缸的位移，則會(huì)對(duì)被試件產(chǎn)生額外的載荷輸入，導(dǎo)致被試件損壞。如圖3所示，當(dāng)液壓缸1的活塞桿垂向運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)車(chē)架垂向運(yùn)動(dòng)，而水平布置的側(cè)向液壓缸5的活塞桿一端與車(chē)架相連，與車(chē)架一起垂向運(yùn)動(dòng)。液壓缸1、5的連接點(diǎn)A既要繞液壓缸1的底座鉸鏈中心旋轉(zhuǎn)，又要繞液壓缸5的底座鉸鏈中心旋轉(zhuǎn)，因此液壓缸1和液壓缸5的位移必須協(xié)調(diào)，否則會(huì)造成運(yùn)動(dòng)干涉。

為了降低運(yùn)動(dòng)干涉，減小一個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)對(duì)另一個(gè)液壓缸運(yùn)動(dòng)影響，可以在液壓缸和車(chē)架之間通過(guò)連桿連接，如圖4所示。連桿與車(chē)架、連桿與液壓缸活塞桿均通過(guò)魚(yú)眼軸承連接，釋放過(guò)約束。考慮連桿和液壓缸的長(zhǎng)度都超過(guò)1米，如果將液壓缸和連桿排成一條直線(xiàn)與車(chē)架相連，試驗(yàn)臺(tái)的高度過(guò)高，不便于被試件安裝；試驗(yàn)臺(tái)側(cè)向、縱向的占地面積也過(guò)大。

液壓缸、連桿與車(chē)架直連導(dǎo)致的問(wèn)題，可通過(guò)引入搖臂機(jī)構(gòu)，改變液壓缸的運(yùn)動(dòng)傳遞的方向，從而合理的布置液壓缸的位置。在車(chē)架下方垂向布置連桿，對(duì)車(chē)架施加垂向激勵(lì)的液壓缸水平布置，在液壓缸和連桿之間通過(guò)搖臂連接，搖臂約束在液壓缸安裝底座上。當(dāng)液壓缸的活塞桿水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)搖臂旋轉(zhuǎn)，搖臂的旋轉(zhuǎn)又帶動(dòng)連桿上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)車(chē)架上下運(yùn)動(dòng)。通過(guò)搖臂連接液壓缸和連桿，可以將液壓缸水平布置，顯著降低臺(tái)架的高度，便于被試件的拆裝。

對(duì)側(cè)向激勵(lì)輸入和縱向激勵(lì)入，也可以采用相同的方式，通過(guò)搖臂連接液壓缸和連桿，將試驗(yàn)臺(tái)布置得較為緊湊。將側(cè)向液壓缸布置在YZ平面內(nèi)，液壓缸軸線(xiàn)與地面成一定夾角。將縱向液壓缸布置在XZ平面內(nèi)，液壓缸軸線(xiàn)與地面也成一定夾角。液壓缸活塞桿的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)，再帶動(dòng)連桿沿側(cè)向或縱向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。為了避免車(chē)架上下跳動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致側(cè)向連桿、縱向連桿的擺動(dòng)角度過(guò)大，連桿的長(zhǎng)度需要設(shè)計(jì)的足夠長(zhǎng)，通常需要大于1m。按照上述設(shè)計(jì)方案，利用三維建模軟件，完成底座、搖臂、連桿、連接鉸鏈等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并完成試驗(yàn)臺(tái)以及車(chē)架、駕駛室的裝配，如圖5所示。

2 商用車(chē)駕駛室七軸道路模擬試驗(yàn)臺(tái)搭建

2.1 液壓缸及伺服閥的選型

七軸道路模擬試驗(yàn)臺(tái)中最關(guān)鍵的部件為液壓缸和伺服閥，其性能決定了試驗(yàn)臺(tái)的極限能力。液壓缸的主要參數(shù)包括推力、行程、最大速度等，伺服閥的主要參數(shù)為流量?？梢愿鶕?jù)試驗(yàn)對(duì)象的質(zhì)量、路譜位移、速度、加速度等對(duì)液壓缸和伺服閥進(jìn)行選型。

2.2 軸承選型

軸承的選型主要是考慮其承載能力、間隙、耐磨性能。首先，其承載能力應(yīng)滿(mǎn)足傳遞的最大載荷的要求，不能因沖擊載荷而失效或過(guò)早發(fā)生疲勞失效。其次，軸承的間隙應(yīng)盡量小，否則會(huì)由于間隙過(guò)大，導(dǎo)致較大的沖擊載荷。最后，耐磨性能應(yīng)較好，否則試驗(yàn)過(guò)程中由于軸承磨損后，間隙過(guò)大導(dǎo)致試驗(yàn)一致性變差，在試驗(yàn)過(guò)程中需要頻繁更換軸承，降低試驗(yàn)效率。

2.3 工裝設(shè)計(jì)

試驗(yàn)工裝是七軸道路模擬試驗(yàn)臺(tái)中最基本的結(jié)構(gòu)件，用于安裝液壓缸，連接試驗(yàn)對(duì)象等。固定在地面上的試驗(yàn)工裝，承受液壓缸的反作用力。連接液壓缸和試驗(yàn)對(duì)象的工裝，則傳遞液壓缸的作用力。這些工裝應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

（1）質(zhì)量——模擬實(shí)車(chē)部件應(yīng)與實(shí)車(chē)部件質(zhì)量相當(dāng)，其它連接、固定夾具質(zhì)量盡量小，以減小慣性負(fù)載。

（2）剛度——模擬實(shí)車(chē)部件應(yīng)與實(shí)車(chē)部件剛度、強(qiáng)度一致。其它連接、固定夾具剛度盡量大，以保證夾具本身的變形必須非常的小。

（3）強(qiáng)度——通過(guò)CAE模擬對(duì)夾具進(jìn)行加載，計(jì)算最大應(yīng)力，應(yīng)不超過(guò)材料屈服極限。

（4）模態(tài)——夾具的最小共振頻率（固有頻率）必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最高的測(cè)試頻率。一般一階模態(tài)為控制帶寬的2倍。

（5）間隙——所有夾具應(yīng)把間隙控制到最小，以提高頻響。

（6）解耦——夾具盡量在機(jī)械設(shè)計(jì)上將力解耦，以方便迭代。

考慮工裝結(jié)構(gòu)的通用性，4個(gè)垂向加載的底座結(jié)構(gòu)相同，2個(gè)側(cè)向加載的底座和1個(gè)縱向加載的底座結(jié)構(gòu)相同。4個(gè)垂向加載的搖臂結(jié)構(gòu)相同，2個(gè)側(cè)向加載和1個(gè)縱向加載的搖臂結(jié)構(gòu)相同。完成這些工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖6所示。

考慮工裝的模態(tài)頻率的要求，對(duì)上述工裝進(jìn)行約束模態(tài)分析。垂向加載底座的前2階模態(tài)頻率分別為204.5Hz、207.5Hz，模態(tài)振型如圖7所示。側(cè)向、縱向加載底座的前2階模態(tài)頻率分別為194.6Hz、275.9Hz，模態(tài)振型如圖8所示。底座的約束模態(tài)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于試驗(yàn)頻率，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

垂向加載搖臂的前2階模態(tài)頻率分別為181.0Hz、527.5Hz，模態(tài)振型如圖9所示。側(cè)向、縱向加載搖臂的前2階模態(tài)頻率分別為256.6Hz、493.8Hz，模態(tài)振型如圖10所示。搖臂的約束模態(tài)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于試驗(yàn)頻率，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

2.4 臺(tái)架搭建

完成試驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵部件選型、結(jié)構(gòu)件試制加工后，搭建商用車(chē)駕駛室七軸道路模擬試驗(yàn)臺(tái)，并安裝商用車(chē)駕駛室樣件，如圖11所示。除了已經(jīng)介紹過(guò)的一些主要部件之外，還有一些配套的部件，例如液壓試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中的油泵、管路、分油器、蓄能器等。為了便于樣機(jī)拆裝和安全，在車(chē)架下方還設(shè)計(jì)了支撐結(jié)構(gòu)，當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)泄壓后用于支撐車(chē)架、駕駛室等樣件。

樣件安裝過(guò)程中，涉及調(diào)整各個(gè)加載機(jī)構(gòu)的位置，并對(duì)車(chē)架進(jìn)行調(diào)平。對(duì)駕駛室也需要進(jìn)行配重，調(diào)節(jié)駕駛室懸架的狀態(tài)與實(shí)車(chē)一致。

3 商用車(chē)駕駛室七軸道路模擬試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用

在臺(tái)架上開(kāi)展道路模擬試驗(yàn)的步驟包括試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜采集、路譜編輯處理、傳遞函數(shù)求解、道路模擬迭代及開(kāi)展耐久試驗(yàn)等幾個(gè)步驟。

近年來(lái)，作者所在公司開(kāi)發(fā)的駕駛室七軸道路模擬試驗(yàn)臺(tái)在各典型道路工況下，迭代精度滿(mǎn)足行業(yè)道路模擬試驗(yàn)要求。已先后為國(guó)內(nèi)各大商用車(chē)主機(jī)廠開(kāi)展了20余臺(tái)駕駛室的道路模擬試驗(yàn)，累計(jì)耐久試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)超過(guò)6000小時(shí)，為國(guó)內(nèi)商用車(chē)產(chǎn)品耐久性驗(yàn)證作出了重要貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了商用車(chē)駕駛室七軸道路模擬試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)原理、設(shè)計(jì)方法和搭建要求。該臺(tái)架既彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)重型六自由度振動(dòng)臺(tái)、六立柱、八立柱等進(jìn)口專(zhuān)用設(shè)備不足的問(wèn)題，也很好的在臺(tái)架上復(fù)現(xiàn)了商用車(chē)駕駛室在實(shí)際行駛過(guò)程中受到的所有路面激勵(lì)。該試驗(yàn)臺(tái)在作者所在公司得到了較好的應(yīng)用，為國(guó)內(nèi)商用車(chē)產(chǎn)品耐久性驗(yàn)證作出了重要貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]丁昕.道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)研制[J].世界汽車(chē)，1997（6）：12-14.