汽車室內(nèi)道路模擬試驗研究

摘 要：汽車疲勞耐久試驗主要分為客戶實際行駛的道路試驗、試驗場強化路試驗和室內(nèi)臺架道路模擬試驗。室內(nèi)臺架道路模擬試驗由于不受外界因素影響、試驗重復(fù)性好、精度高、試驗周期短和成本低，已經(jīng)成為汽車開發(fā)驗證的重要手段之一。在室內(nèi)臺架道路模擬試驗中，最關(guān)鍵的技術(shù)是道路載荷譜的模擬，文章主要介紹汽車道路載荷的獲取和編輯，TWR迭代技術(shù)和迭代結(jié)果的分析。試驗結(jié)果表明，四立柱輪胎耦合道路模擬試驗臺架可以很好地模擬道路載荷，從而實現(xiàn)整車及零部件的快速疲勞試驗。

關(guān)鍵詞：輪胎耦合道路模擬測試臺架 TWR 載荷模擬 疲勞耐久試驗

汽車生產(chǎn)廠家通常會利用試驗場強化道路試驗和室內(nèi)試驗臺架試驗來對汽車在客戶實際使用中承受的載荷進行當(dāng)量模擬，在較短時間內(nèi)完成疲勞耐久性試驗。研究發(fā)現(xiàn)，車身的耐久性通常由路面的垂直輸入載荷所引起的扭轉(zhuǎn)和彎曲所決定，這種載荷可以通過在車輪下使用垂向作動器施加激勵來模擬，這種類型的測試平臺被稱為4-poster（四立柱輪胎耦合道路模擬試驗臺架）。輪胎耦合試驗可以對車輛的俯仰、側(cè)傾和扭曲運動進行模擬，一般可以模擬車身或車架80％的疲勞載荷。本文以福建奔馳汽車有限公司的四立柱輪胎耦合道路模擬試驗臺架為例，分析道路模擬試驗臺架在汽車疲勞耐久試驗中的應(yīng)用。

1 四立柱輪胎耦合道路模擬試驗臺架簡介

四立柱輪胎耦合道路模擬試驗臺架由液壓泵站、分油器、高低壓蓄能器、液壓作動器、伺服控制系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。液壓泵站負責(zé)為作動器提供動力；分油器將液壓油分配并傳送到作動器；伺服控制系統(tǒng)根據(jù)驅(qū)動信號調(diào)節(jié)伺服閥使作動器按照設(shè)定要求上下運動；電控系統(tǒng)生成驅(qū)動信號，通過閉環(huán)控制執(zhí)行機構(gòu)，完成各種指令動作。

2 道路模擬試驗

道路模擬試驗主要包括以下4個步驟：①道路載荷譜獲?。虎跀?shù)據(jù)處理；③TWR時域波形再現(xiàn)；④用迭代得到的驅(qū)動信號，反復(fù)激勵測試件進行疲勞耐久試驗。

2.1 道路載荷獲取

研究發(fā)現(xiàn)，加速度傳感器適合采集高頻信號，位移傳感器適合采集低頻信號，為了降低誤差，需同時采集這兩種信號。本文以福建奔馳某商務(wù)車為研究對象，使用車輪軸頭加速度和減震器位移信號作為室內(nèi)臺架迭代試驗時的目標(biāo)信號，在德國戴姆勒指定的試驗場完成多次道路載荷譜采集。軸頭的響應(yīng)信號使用PCB公司的加速度傳感器，如圖2所示。減震器位移信號用德國米銥拉線式位移傳感器測量，分別裝于前后左右減振器處，如圖3所示，用Somat數(shù)據(jù)采集器實時采集不同工況和路面下軸頭處的加速度信號和前后橋減振器的位移信號，為臺架迭代試驗提供目標(biāo)信號。為了驗證試驗的有效性，需要采集車身上的振動加速度信號，用于后續(xù)迭代結(jié)果分析比較，評價試驗的有效性，如圖4所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理

原始信號采集完成后，需篩選出最能反映實際道路工況的一組信號作為臺架迭代的目標(biāo)信號，然后再進行信號剪輯、拼接、濾波等處理。

信號的選取，先檢查各個通道的信號是否存在異常，是否有噪聲信號輸入，剔除異常信號，然后對同一條道路多次測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，比如信號的最大值、最小值、平均值、方差等，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以排除異常信號，選取最有代表性的信號為目標(biāo)信號。

信號剪輯，為了縮短試驗時間，剪掉振動幅值和能量較小的信號，剪掉的信號不宜過長，以避免引起信號失真。

信號拼接，迭代所用的目標(biāo)信號通常都由好幾段路組成，需要將不同路面的信號進行拼接，兩個信號之間的連接方式需平滑、半正弦、線性，連接到兩點平均值。

信號濾波，對汽車振動和疲勞影響較大的頻率大致在0.5～50Hz，福建奔馳采用N-code傅里葉濾波器對拼接好的信號進行0.5～50Hz帶通濾波，所有信號濾波完成后，可去除明顯存在的毛刺，超低頻率信號可進行時基壓縮，經(jīng)過一系列信號處理后便可得到用于臺架迭代的目標(biāo)響應(yīng)信號，如圖5所示。

2.3 TWR迭代技術(shù)

IST公司提出的TWR（Time Waveform Replication）迭代過程分為2步：第一步，系統(tǒng)識別，找到作動器驅(qū)動信號和車身上的響應(yīng)信號之間的傳遞關(guān)系；第二步，使用這個傳遞關(guān)系和迭代找到合適的驅(qū)動信號。TWR迭代流程圖如圖6所示。在試驗過程中，我們假設(shè)車輛在一定的激勵和響應(yīng)水平內(nèi)是線性的，將車輛認為是一個控制系統(tǒng)， 這個控制系統(tǒng)的輸入是作動器驅(qū)動信號， 控制系統(tǒng)的輸出為車身的響應(yīng)信號（軸頭加速度和減震器位移傳感器信號），將目標(biāo)響應(yīng)信號與作動器激勵下采集的車身響應(yīng)信號，進行不斷的比較和迭代，直到誤差收斂到能接受的范圍內(nèi)，最后一次迭代的加載譜就是試驗所需的驅(qū)動信號，能夠在試驗臺上再現(xiàn)汽車在各種不同特征路面上的振動響應(yīng)。

通過數(shù)據(jù)采集和編輯得到期望的目標(biāo)響應(yīng)信號假設(shè)為：

臺架生成隨機白噪聲信號X，加載X信號到系統(tǒng)，采集系統(tǒng)輸出Y，建立作動缸驅(qū)動信號（輸入）與車身響應(yīng)信號（輸出）的數(shù)學(xué)模型，通過計算Y=[H]X，得出系統(tǒng)傳遞函數(shù)H。

通過計算得到傳遞函數(shù)H（f），求出原始驅(qū)動信號：

式中為逆?zhèn)鬟f函數(shù)，為付氏變換，用原始驅(qū)動信號激勵系統(tǒng)，收集車輛響應(yīng)信號，其中為反饋因子，一般。然后計算誤差：

再求出驅(qū)動信號的修正值

式中是的付氏變換，最后得到新的驅(qū)動信號：

利用驅(qū)動系統(tǒng)，收集響應(yīng)，重復(fù)上述步驟，直到使響應(yīng)與的誤差可以接受為止，最后得到的就是滿足一定精度要求的驅(qū)動信號。

2.4 迭代結(jié)果分析

目標(biāo)信號和最終臺架驅(qū)動響應(yīng)信號的比較主要有：時間歷程比較（幅值誤差、最大值、最小值和RMS值等）；頻譜分析；雨流周期計數(shù)法；相對疲勞損傷計算等。

對比時域波形圖，系統(tǒng)的響應(yīng)信號和迭代的目標(biāo)信號在時間歷程上的曲線要盡量一致，兩者的均方根比值越接近100%越好，一般在90%左右，誤差和目標(biāo)信號的均方根比值越接近0越好，一般在5%左右，如圖7所示福建奔馳迭代結(jié)果圖。此時響應(yīng)信號和目標(biāo)信號在時間歷程上重合度很好，如圖8所示，通過對比PSD曲線（功率譜密度），二者在頻域上也很接近，達到了較為理想的模擬精度。

通過雨流計數(shù)法把目標(biāo)信號和響應(yīng)信號的載荷歷程簡化為若干個載荷循環(huán)，通過比較分析（見圖9），目標(biāo)信號和響應(yīng)信號也比較接近。

疲勞累積損傷，即在交變載荷下零件產(chǎn)生的損傷，隨著循環(huán)次數(shù)的增加而累積。本文使用N-Code 軟件進行名義疲勞損傷計算，通過預(yù)先設(shè)定的S- N 曲線，計算名義損傷（pseudo damage）。結(jié)果如表1所示，通過比較發(fā)現(xiàn)目標(biāo)信號和響應(yīng)信號的名義損傷值也比較接近。

通過分析，目標(biāo)信號和響應(yīng)信號較為接近，誤差在試驗接受范圍內(nèi)，可以認為臺架響應(yīng)信號能較好地模擬實際行駛過程中的目標(biāo)響應(yīng)信號。

2.5 疲勞試驗

完成TWR迭代后，選取最后一輪臺架迭代的作動器驅(qū)動信號作為疲勞耐久試驗的驅(qū)動信號，按耐久試驗要求整合不同路面的驅(qū)動信號進行排序并設(shè)置循環(huán)數(shù)。預(yù)留一個軸頭加速度傳感器，拆除其他加速度和位移傳感器，預(yù)留的加速度傳感器用于試驗過程監(jiān)控，即可開始樣件的疲勞試驗。定期查看預(yù)留的加速度信號，如果多次出現(xiàn)異常峰值，則一般是由減震器出現(xiàn)衰減或其他機械結(jié)構(gòu)件損壞導(dǎo)致。試驗過程中需要定期檢查車身、底盤懸架、車架、門蓋、儀表板及其他內(nèi)外飾件是否出現(xiàn)磨損、開裂、干涉等問題，及時記錄和反饋相關(guān)問題。

3 結(jié)語

通過對試驗的分析，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)臺架道路模擬試驗?zāi)軌蚝芎玫靥娲囕v在實際道路上的疲耐久試驗，不僅可以加速試驗進程，降低成本，提高新車型開發(fā)效率，而且更容易觀察到整車的運動形式和零部件之間的相互作用，為汽車零部件和整車的開發(fā)驗證提供了可靠的試驗方法和數(shù)據(jù)支持。

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