彭林廣+何飛+韋仲寧

摘 要：采集某試驗(yàn)場(chǎng)的應(yīng)變、加速度等道路載荷譜，用彈簧應(yīng)變和軸頭加速度作為目標(biāo)信號(hào)，車身大梁加速度信號(hào)作為監(jiān)控信號(hào)。通過整車四通道臺(tái)架的TWR時(shí)域迭代技術(shù)，再現(xiàn)真實(shí)試驗(yàn)場(chǎng)的道路耐久試驗(yàn)，縮短整車及車身等部件的疲勞及可靠性的驗(yàn)證時(shí)間。

關(guān)鍵詞：四通道；道路載荷譜；彈簧應(yīng)變；迭代；疲勞耐久

中圖分類號(hào)：U467.1+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）03-0066-08

The Vehicle Four-channel Bench Test-bet Research Based on the Spring Strain

Peng Lin-guang1， He Fei1， Wei Zhong-ning2

（ 1.Technical Development Center， SAIC GM Wuling Automobile Co.， Ltd ， Liuzhou545007， China； 2. Hunan Lake AI Sheng Automobile Technology Development Co.， Ltd ， Changsha 410013， China ）

Abstract： To collect a certain test field of road load spectrum such as strain， acceleration， using spring strain and head acceleration as the target signal， body acceleration signal as control signal. Through TWR time domain iteration technique of the vehicle four-channel bench， representing the real road endurance test and shorting the verification time of fatigue and reliability for parts such as vehicle and body.

Key Words： Four-channel； Road load spectrum； Spring strain； Fatigue durability

引 言

隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展和汽車三包政策的出臺(tái)，整車企業(yè)對(duì)整車及零部件的疲勞壽命、安全等性能越來越重視，為了在整車開發(fā)階段更好更快的驗(yàn)證車輛及零部件的疲勞耐久性，提高產(chǎn)品質(zhì)量，許多企業(yè)引進(jìn)了整車四通道道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架，簡(jiǎn)稱四通道臺(tái)架。

一般來說，整車項(xiàng)目的開發(fā)階段會(huì)通過在汽車試驗(yàn)場(chǎng)不同的惡劣工況進(jìn)行耐久試驗(yàn)來驗(yàn)證整車及零部件的可靠性，但時(shí)間較長(zhǎng)。四通道臺(tái)架通過4個(gè)垂直作動(dòng)缸可以將整車試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷譜的垂向運(yùn)動(dòng)真實(shí)有效的模擬出來，減少驗(yàn)證時(shí)間，并且重復(fù)性好，效率高。

本文主要通過在試驗(yàn)場(chǎng)采集整車前后彈簧剪切應(yīng)變、輪心軸頭和車身大梁垂向加速度等道路載荷譜，經(jīng)過前期的數(shù)據(jù)處理并導(dǎo)入到四通道臺(tái)架，通過臺(tái)架中的Time Waveform Replication（TWR） 時(shí)域波形再現(xiàn)和迭代技術(shù)，模擬彈簧、輪心軸頭及車身大梁等部位在路面信號(hào)激勵(lì)下的響應(yīng)，加速車身、車架、門蓋、儀表板及附件等部件的疲勞耐久性驗(yàn)證。

1 四通道臺(tái)架模擬試驗(yàn)原理和流程

車輛在路試試驗(yàn)場(chǎng)中會(huì)受到來自縱向、側(cè)向、縱向的載荷，這些載荷一般都是隨機(jī)無規(guī)律的，長(zhǎng)時(shí)間的隨機(jī)循環(huán)載荷或者某個(gè)瞬態(tài)載荷，對(duì)整車及零部件都會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞或強(qiáng)度破壞[1]。據(jù)《中國(guó)機(jī)械工程手冊(cè)》中指出，機(jī)械結(jié)構(gòu)件的破壞80%以上都是疲勞破壞。四立柱臺(tái)架通過4個(gè)垂向作動(dòng)缸施加激勵(lì)來進(jìn)行模擬，而車身、車架、門蓋、儀表板及附件等部件在路試過程中主要承受來自垂向的載荷，從而引起疲勞破壞，所以四通道臺(tái)架主要用來評(píng)價(jià)車身方面的疲勞[2]。

1.1 原理

根據(jù)疲勞理論，疲勞損傷主要由循環(huán)載荷引起，如果車輛的輸入載荷相同，那么引起的疲勞損傷理論上也應(yīng)相同，因?yàn)槠嚫鞑课凰惺艿妮d荷基本上與汽車的輸入載荷信號(hào)成比例[3]。因此獲取準(zhǔn)確的輸入信號(hào)是通道臺(tái)架試驗(yàn)的關(guān)鍵。

四通道臺(tái)架可以從很多方面來獲得輸入信號(hào)，例如直接使用從試驗(yàn)場(chǎng)采集的垂向位移信號(hào)作為輸入信號(hào)，也可以對(duì)已有的載荷信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用滿足特性的測(cè)試信號(hào)作為輸入信號(hào)，如加速度信號(hào)、應(yīng)變信號(hào)等。但上述方法在頻率響應(yīng)敏感度上有一定的局限性，不能很好的再現(xiàn)車輛在實(shí)際路試過程中的狀況。隨著現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的蓬勃發(fā)展，德國(guó)INSTRON公司（簡(jiǎn)稱IST）提出了時(shí)域波形再現(xiàn)技術(shù)TWR，通過迭代，一步一步獲得目標(biāo)測(cè)量點(diǎn)在臺(tái)架迭代過程中的模擬信號(hào)，當(dāng)該模擬信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的擬合度達(dá)到要求，誤差較小時(shí)，此時(shí)的輸入信號(hào)作為作動(dòng)缸的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，還原車輛在路試中的狀態(tài)[4]。此次臺(tái)架采用德國(guó)IST公司的四通道道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1。

IST四通道試驗(yàn)臺(tái)是采用四個(gè)輪胎耦合的方式來進(jìn)行工作，整車放置于試驗(yàn)臺(tái)的四個(gè)托盤中，托盤與垂直作動(dòng)缸直接相連。驅(qū)動(dòng)信號(hào)導(dǎo)入到臺(tái)架系統(tǒng)中，作動(dòng)缸接受輸入信號(hào)對(duì)輪胎產(chǎn)生相應(yīng)的激勵(lì)，從而使整車獲得相應(yīng)的響應(yīng)。由于臺(tái)架的作動(dòng)缸只能垂向運(yùn)動(dòng)，只能通過位移信號(hào)來控制作動(dòng)缸，輸出的信號(hào)可以是輪心軸頭垂向加速度和輪心的跳動(dòng)量。

1.2 流程

試驗(yàn)流程主要包括以下步驟：

（1）道路載荷譜的采集：在車輛目標(biāo)點(diǎn)安裝傳感器，按照相應(yīng)耐久試驗(yàn)要求在試驗(yàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)；

（2）道路載荷譜的編輯：查找處理異常信號(hào)，去掉損傷較小的過渡路面，濾波；

（3）迭代：通過TWR迭代，傳遞函數(shù)不斷修正，得到臺(tái)架驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

（4）臺(tái)架試驗(yàn)：對(duì)每個(gè)工況的數(shù)據(jù)按照耐久試驗(yàn)要求進(jìn)行排序并加載循環(huán)數(shù)，觀察記錄試驗(yàn)中產(chǎn)生的問題和時(shí)間。

2 試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷譜數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)選擇

據(jù)前所述，四通道臺(tái)架是依靠垂直作動(dòng)缸來進(jìn)行迭代，只能模擬整車在試驗(yàn)場(chǎng)的垂向運(yùn)動(dòng)，故只需采集車輛的垂向相關(guān)信號(hào)即可。一般來說，加速度傳感器在高頻信號(hào)敏感，位移傳感器在低頻信號(hào)敏感，為了讓降低誤差，需要同時(shí)采集加速度和位移信號(hào)，如輪心軸頭垂向加速度、軸頭相對(duì)車身的垂向位移或者車身大梁垂向加速度等信號(hào)。

采集軸頭相對(duì)車身的垂向位移需要專業(yè)的位移傳感器，該傳感器單價(jià)較高，安裝此類傳感器需要加工和焊接支架，試驗(yàn)過程中容易發(fā)生支架波動(dòng)或變形，傳感器脫落等問題，為了避免風(fēng)險(xiǎn)，用前后彈簧的剪切應(yīng)變信號(hào)代替垂向位移信號(hào)。彈簧的剪切應(yīng)變通過靜標(biāo)定可反映出彈簧在試驗(yàn)中承受的垂向的載荷，而垂向載荷與彈簧的伸縮垂向位移存在線性關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步與軸頭的相對(duì)位移存在關(guān)聯(lián)，并且應(yīng)變片也對(duì)低頻信號(hào)敏感。

本次試驗(yàn)場(chǎng)路面信號(hào)主要采集輪心軸頭垂向加速度，彈簧剪切應(yīng)變、車身大梁垂向加速度，其中軸頭加速度，彈簧應(yīng)變作為后續(xù)四通道臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)信號(hào)，大梁加速度作為輔助和監(jiān)控信號(hào)，共12個(gè)通道，具體如表1。

2.2 傳感器布置

4個(gè)軸頭加速度傳感器通過小支架分別安裝在軸頭，4個(gè)車身大梁加速度分別安裝在離軸頭較近的大梁平整位置，4個(gè)彈簧應(yīng)變片分別粘貼在前后彈簧的中端，并且與彈簧的剪切軌跡成45度，具體如圖2：

2.3 道路載荷譜采集

傳感器布置完成后，通過LMS的數(shù)據(jù)采集儀器以滿載標(biāo)準(zhǔn)在北京通州交通部公路交通試驗(yàn)場(chǎng)的不同工況按照企業(yè)耐久路試標(biāo)準(zhǔn)采集路面信號(hào)，如比利時(shí)路、扭曲路、方坑等工況。在數(shù)據(jù)采集過程中，每段工況一般采集3次，記錄路面出現(xiàn)的異常情況，如突然的減速或制動(dòng)等，并用GPS儀器監(jiān)控車速，以便后續(xù)檢查信號(hào)。

2.4 道路載荷譜編輯

載荷譜采集完成后，用LMS的Tec-Ware數(shù)據(jù)處理軟件并結(jié)合測(cè)試記錄表和GPS速度，檢查每段工況的數(shù)據(jù)，從3次采集的信號(hào)中選取一段較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，例如異常突出點(diǎn)等。對(duì)于一般的乘用車，如轎車、SUV及MPV等，車身大梁的加速度不會(huì)超過10g，輪心軸頭加速度不會(huì)超過30g。

一般來說，路面的信號(hào)激勵(lì)頻率為50Hz，在數(shù)據(jù)的濾波處理中，采用0.3～50Hz帶通濾波，具體如圖3。由于多個(gè)不同工況在一個(gè)信號(hào)文件里，濾波后需要將不同工況的銜接過渡路面刪除，銜接路面以幅值為0的2～3秒的信號(hào)代替，并將每段工況的數(shù)據(jù)單獨(dú)截取出來以工況的名字進(jìn)行標(biāo)記。這樣去掉損傷很小的過渡路面，保留了95%以上的路面損傷，縮減了四通道臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)間，加速了驗(yàn)證過程，具體如圖4：

2.5 電橋橋路布置

由于加速度傳感器的差分橋路布置與臺(tái)架的信號(hào)輸入端接線一致，不用調(diào)整輸入端線路。而彈簧剪切應(yīng)變測(cè)試采用的是惠斯通1/2橋，與應(yīng)變片連接的信號(hào)輸出端采用的是LEMO接頭，通過LEMO接頭接入到臺(tái)架系統(tǒng)中，具體信息如圖5：

2.5 加速度和應(yīng)變傳感器標(biāo)定

按照?qǐng)D5和表2將各個(gè)線路一一對(duì)應(yīng)連起來，接入到四通道臺(tái)架輸入端進(jìn)行標(biāo)定，以便得到合適的最大激勵(lì)電壓，即標(biāo)定系數(shù)，具體如公式2-1。

標(biāo)定系數(shù)=傳感器靈敏度×實(shí)測(cè)最大量程

加速度傳感器在TWR系統(tǒng)中標(biāo)定比較容易，類型選用V進(jìn)行標(biāo)定，單位為g，最大量程按50g來計(jì)算，加速度傳感器靈敏度一般為40mV/g，標(biāo)定系數(shù)約為2V。

由于臺(tái)架系統(tǒng)自身的原因，彈簧剪切應(yīng)變傳感器的標(biāo)定較為復(fù)雜。類型選用mV/V進(jìn)行標(biāo)定，單位為usn（TWR系統(tǒng)無法識(shí)別uε），最大量程根據(jù)實(shí)測(cè)的應(yīng)變，按2000uε進(jìn)行計(jì)算?；菟雇?/2橋的靈敏度，單位為mV/V/uε，根據(jù)1/2橋的輸出電壓公式2-2來推算。

ΔE：橋路輸出端電壓，單位為mV；

U：橋路供給端電壓，單位為V；

K：應(yīng)變片靈敏度，此次應(yīng)變片靈密度為2.08；

ε1，ε2：1#、2#應(yīng)變片的應(yīng)變，單位為muε，需除以1000轉(zhuǎn)換為uε，此次橋路中ε1=uε，ε2=-uε；

根據(jù)公式2-2可以推知，彈簧剪切應(yīng)變傳感器的靈敏度為0.00104mV/V/uε，具體如下：

靈密度 （ mV/V/uε） =2.08×2/4/1000=0.00104。

根據(jù)公式2-1可以得出彈簧剪切應(yīng)變?cè)贗ST四通道臺(tái)架系統(tǒng)的標(biāo)定系數(shù)為2.08mV/V，具體如下：

標(biāo)定系數(shù)=0.00104×2000=2.08 mV/V。

3 四通道臺(tái)架模擬試驗(yàn)

用在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行道路載荷譜采集的原車進(jìn)行四通道臺(tái)架模擬試驗(yàn)，減少加速度傳感器粘貼位置、車輛等差異導(dǎo)致的誤差。

3.1 目標(biāo)信號(hào)

根據(jù)前面所述，加速度傳感器和位移傳感器分別在低頻、高頻頻域易產(chǎn)生較大的誤差，為了降低這種誤差，需同時(shí)考慮將加速度和位移信號(hào)作為目標(biāo)信號(hào)。

據(jù)前所述，本次試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)點(diǎn)為輪心軸頭，彈簧，其中試驗(yàn)場(chǎng)采集的編輯后的輪心軸頭垂向加速度、彈簧剪切應(yīng)變作為目標(biāo)信號(hào)，車身大梁垂向加速度作為輔助和監(jiān)控信號(hào)，采集的信號(hào)如下圖6：

3.2 迭代流程

根據(jù)四通道臺(tái)架模擬的原理，在進(jìn)行模擬試驗(yàn)前，需要對(duì)道路載荷譜信號(hào)進(jìn)行迭代，迭代流程如下：

迭代前，需要獲得一個(gè)傳遞函數(shù)：通過系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)生成一個(gè)頻率為50Hz的隨機(jī)信號(hào)X，將該信號(hào)輸入到臺(tái)架系統(tǒng)，測(cè)出目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)Y，根據(jù)前述的疲勞理論，其中Y=[H]X，從而求解得到傳遞函數(shù)[H]=Y/X。

根據(jù)傳遞逆函數(shù)[H]-1和編輯后的道路載荷譜信號(hào)Yt，主要是輪心軸頭垂向加速度和彈簧應(yīng)變信號(hào)等目標(biāo)信號(hào)，可以逆向獲得四通道臺(tái)架作動(dòng)缸的初始輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)X0，即X0=α0 [H]-1Yt，其中α0為修正系數(shù)，也可理解為誤差系數(shù)[5]。

通過加載初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)X0到臺(tái)架可獲得目標(biāo)點(diǎn)初始響應(yīng)信號(hào)Y0，比較Y0和Yt，若二者吻合比較好，那么X0就是所需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；若吻合不好，則需要進(jìn)行第1次迭代，通過公式3-1計(jì)算獲得X1：

X1=X0+α1 [H]-1（Yt-Y0）

將X1再次作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入到臺(tái)架，得到第1次的響應(yīng)信號(hào)Y1，比較Y1和Yt的吻合度，即誤差。如果誤差較小，迭代結(jié)束，反之亦然。一般來說，需要進(jìn)行多次迭代才能得到合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過公式 3-2獲得n次迭代后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以此類推，直至迭代輸出的輪心軸頭垂向加速度和前后彈簧剪切應(yīng)變信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)達(dá)到要求：

Xn=Xn-1+αn[H]-1（Yt-Yn-1）

n：迭代次數(shù)，n≥1；

Xn：n次迭代后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

Yn-1：n-1次迭代后的目標(biāo)點(diǎn)信號(hào)，即輸出的響應(yīng)信號(hào)；

Yt：目標(biāo)信號(hào)；

αn：第n次迭代的修正系數(shù)；

[H]-1：傳遞函數(shù)的逆函數(shù)。

3.3 迭代結(jié)果

經(jīng)過多次迭代后，在時(shí)域、頻域、均方根等三個(gè)方面，將編輯后的試驗(yàn)場(chǎng)采集的輪心軸頭的垂向加速度和彈簧剪切應(yīng)變信號(hào)與四通道臺(tái)架試驗(yàn)輸出得到的目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者在時(shí)域、PSD（頻率譜）、穿級(jí)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)等方面很接近，如圖7、圖8：

在時(shí)域上還可以將迭代過程中每次的響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的最大值、最小值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)隨著迭代次數(shù)的增加，二者也越來越接近，直至差異在5%以內(nèi)，具體如下圖9：

每次迭代的響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)也可以從迭代結(jié)果的均方根誤差和均方根值進(jìn)行比較，隨著迭代過程進(jìn)行，二者均方根誤差在10%以內(nèi)，均方根值比值接近100%，具體如圖10：

而臺(tái)架迭代中采集的車身大梁位置的加速度信號(hào)與試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者差異較大，具體如圖11，主要是由于車身大梁作為剛性體，固有頻率較低，容易產(chǎn)生共振，加速度傳感器對(duì)其敏感度較低，但可以在后續(xù)的臺(tái)架試驗(yàn)中監(jiān)控車身大梁沖擊情況，如底盤件與車身大梁干涉導(dǎo)致車身受到的沖擊較大。

據(jù)上所述，迭代17次后，無論從時(shí)域、頻域，還是從均方根上可以判定第17次迭代的目標(biāo)點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)可以很好的吻合，此次的作動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)信號(hào)與試驗(yàn)場(chǎng)路面載荷接近，可以反映車輛在試驗(yàn)場(chǎng)的耐久工況的真實(shí)情況。用此時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行四通道臺(tái)架試驗(yàn)，與在試驗(yàn)場(chǎng)路試的疲勞程度基本一致，可以開始進(jìn)行四通道臺(tái)架試驗(yàn)。

3.4 臺(tái)架試驗(yàn)及結(jié)果

將第17次迭代時(shí)的作動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)信號(hào)按照公司耐久規(guī)范，不同工況需要數(shù)量不等的循環(huán)，編輯組成相應(yīng)的循環(huán)程序。待用LMS數(shù)采設(shè)備采集一個(gè)循環(huán)的輪心軸頭信號(hào)后，拆除輪心軸頭加速度，更換粘有應(yīng)變片的前后彈簧，保留車身大梁加速度傳感器并在前后減振器上安裝點(diǎn)Top_mount安裝加速度傳感器作為監(jiān)控，開始進(jìn)行四通道臺(tái)架耐久模擬實(shí)驗(yàn)。

臺(tái)架試驗(yàn)中，用LMS數(shù)采設(shè)備采集的輪心軸頭信號(hào)與試驗(yàn)場(chǎng)采集的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)二者在時(shí)域、頻域等方面比較接近，再次從側(cè)面驗(yàn)證了此次的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以很好的模擬試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn)工況，具體如圖12：

臺(tái)架試驗(yàn)過程中，需要在臺(tái)架系統(tǒng)地庫安裝高清攝像頭便于觀察和記錄試驗(yàn)中作動(dòng)缸的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，在四個(gè)車輪附近安裝小型吹風(fēng)機(jī)和前后減振器支柱上粘貼溫度片，以防減振器溫度過高，及時(shí)觀察減振器溫度變化。

對(duì)于車身、車架、門蓋、儀表板及附件等部件在臺(tái)架試驗(yàn)過程中的情況，需要定期用肉眼觀察查看是否出現(xiàn)磨損、開裂、干涉等問題，尤其是焊點(diǎn)、橡膠襯套件。對(duì)于不易觀察的部位，需用顯影劑來輔助觀察。

對(duì)于減振器和車身大梁，需定期結(jié)合Top_mount點(diǎn)和車身大梁處的加速度時(shí)域信號(hào)，分別查看減振器特性是否衰減，車身大梁與其他部件是否存在干涉等情況。如果加速度信號(hào)多次出現(xiàn)異常峰值，則一般是由于減振器出現(xiàn)衰減或車身大梁存在干涉，使整車平順性變差。

對(duì)于出現(xiàn)的問題需要及時(shí)記錄，例如發(fā)生的時(shí)間或試驗(yàn)里程數(shù)、發(fā)生部位等，并拍照留檔。圖13是臺(tái)架試驗(yàn)運(yùn)行64h、80h分別出現(xiàn)的后備箱地板開裂、尾門框焊點(diǎn)開裂。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)四通道臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行了相對(duì)詳盡的介紹，包括試驗(yàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及處理、電橋橋路、IST四通道臺(tái)架設(shè)備的原理和應(yīng)用等。提出了運(yùn)用彈簧剪切應(yīng)變代替位移來進(jìn)行迭代的一種方法，通過臺(tái)架的迭代，發(fā)現(xiàn)彈簧應(yīng)變和軸頭加速度的誤差均在可接受的范圍內(nèi)，用二者的信號(hào)也可以很好的實(shí)現(xiàn)迭代，并且迭代后的臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)軌蛟佻F(xiàn)試驗(yàn)場(chǎng)的道路工況，與試驗(yàn)場(chǎng)的疲勞基本一致，加速了試驗(yàn)過程，達(dá)到了疲勞試驗(yàn)的效果，對(duì)汽車零部件和整車的試驗(yàn)開發(fā)提供了一種可靠的試驗(yàn)方法。

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