宮海彬，姚 烈

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

汽車耐久性是汽車質(zhì)量好壞的重要標(biāo)志之一，耐久性試驗是產(chǎn)品開發(fā)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包含道路試驗和室內(nèi)臺架道路模擬試驗。

室內(nèi)臺架道路模擬試驗采用試驗臺架模擬車輛實際運行時各部件的載荷狀況。通過對整車、系統(tǒng)及零部件進(jìn)行疲勞試驗，早期發(fā)現(xiàn)樣件缺陷或快速復(fù)現(xiàn)道路試驗中的失效問題。與道路試驗相比，臺架試驗快速、重復(fù)性好，隨著產(chǎn)品開發(fā)周期的壓縮，其重要性越來越突出。

與道路試驗的相關(guān)性是臺架試驗的關(guān)鍵，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量相關(guān)研究。XU Peijun等[1]對車輛開發(fā)中與耐久性試驗相關(guān)的不同試驗方法和技術(shù)及工作流程進(jìn)行了研究。AWATE等[2]基于四立柱臺架對整車進(jìn)行快速試驗，并對標(biāo)路試，研究兩種試驗結(jié)果的差異。錢立軍等[3]、汪斌等[4]、石鋒等[5]等對整車道路模擬試驗進(jìn)行研究，驗證了整車臺架試驗方法的有效性。上官文斌等[6]驗證了基于MTS833試驗臺架開展懸置耐久試驗的有效性。

但汽車開發(fā)項目周期壓縮，早期階段樣車成本高昂且車輛狀態(tài)差，數(shù)據(jù)采集周期長，懸架參數(shù)未調(diào)試至最終版本，與最終上市車輛相比，各部件載荷存在一定的差異。因此，臺架試驗在汽車開發(fā)過程中，各樣件早期耐久性驗證面臨比較大的挑戰(zhàn)。同時，針對整車及系統(tǒng)試驗簡化為零部件試驗，以及對試驗結(jié)果的評價等，項目實踐中往往依賴于經(jīng)驗，缺少系統(tǒng)的分析方法。

本文通過對室內(nèi)臺架道路模擬耐久性試驗技術(shù)原理及工作流程進(jìn)行梳理，分析了影響臺架道路模擬試驗的關(guān)鍵因素，特別總結(jié)了臺架搭建及試驗方法、載荷譜獲取及樣本選擇、試驗結(jié)果評價的研究現(xiàn)狀，并展望了未來室內(nèi)臺架道路模擬技術(shù)的發(fā)展方向。

1 臺架道路模擬試驗技術(shù)原理及分析

20世紀(jì)60年代，隨著液壓伺服設(shè)備和數(shù)字式程序控制器的產(chǎn)生和發(fā)展，針對汽車道路模擬，國內(nèi)外開展了大量研究。MTS、ISTRIN、Schenck，TEAM，F(xiàn)CS等公司先后開發(fā)了一系列道路模擬試驗臺架及相應(yīng)的試驗控制技術(shù)[1，7]，杜永昌等[8]、陳棟華等[9]、胡毓冬等[10]對汽車道路模擬試驗臺控制算法進(jìn)行了研究，目前常規(guī)試驗臺架及控制技術(shù)已基本成熟。

基于已有的常規(guī)臺架，道路模擬試驗復(fù)現(xiàn)樣件道路試驗中的載荷需要以下幾方面工作：路譜采集及數(shù)據(jù)編輯、系統(tǒng)模型識別、迭代及耐久性試驗。針對特定零部件失效問題，還需針對性地搭建試驗臺架。

系統(tǒng)模型識別基于非參數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù)模型辨識法獲得整個試驗系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。臺架同時對各激勵通道加載互不相關(guān)的隨機激勵信號，測量試件響應(yīng)信號，根據(jù)激勵信號及測得的反饋信號計算系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣：

根據(jù)已獲得的H(f)及實測的路譜數(shù)據(jù)可獲得臺架的驅(qū)動信號。但由于試驗系統(tǒng)不同環(huán)節(jié)存在不同程度的非線性，因此線性系統(tǒng)假設(shè)得到的驅(qū)動信號激勵試驗車時，得到的響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)往往存在很大誤差。為此，需用迭代的方法逐步修正驅(qū)動。根據(jù)H(f)及目標(biāo)響應(yīng)信號，計算試驗臺架的初始激勵：

式中：X0(f )為初始激勵頻域信號；YS(f )為目標(biāo)響應(yīng)頻域信號。

驅(qū)動臺架記錄樣件響應(yīng)信號，計算實際響應(yīng)信號與目標(biāo)信號的誤差，根據(jù)該誤差及系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣H(f)修正初始激勵信號，逐步反復(fù)計算，直至臺架響應(yīng)信號與目標(biāo)信號的誤差小至可接受范圍，則將對應(yīng)的激勵信號作為耐久性試驗用的臺架驅(qū)動信號。圖1為迭代流程圖。

圖1 迭代流程

隨著技術(shù)進(jìn)步及項目開發(fā)周期的壓縮，臺架道路模擬耐久性試驗在產(chǎn)品開發(fā)中的作用越來越顯著。然而，由于臺架試驗的特殊性及部分局限，針對臺架試驗與道路試驗的一致性依然存在一定挑戰(zhàn)。提高與道路試驗的相關(guān)性是成功開展臺架試驗的關(guān)鍵，取決于四個方面：（1）載荷譜的代表性；（2）搭建臺架的合理性；（3）環(huán)境模擬；（4）試驗結(jié)果評價[11]。接下來將重點針對（1）、（2）及（4）三項內(nèi)容，梳理國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展并進(jìn)行分析，探討室內(nèi)臺架道路模擬耐久性試驗技術(shù)發(fā)展方向。

2 試驗臺架及試驗方法

針對不同的試驗對象，試驗臺架包括整車/系統(tǒng)級臺架及零部件試驗臺架。根據(jù)臺架與試驗對象連接方式的差別，可將整車/系統(tǒng)級臺架分為輪耦合、軸耦合、運輸模擬三種。在整車開發(fā)驗證中，整車及系統(tǒng)級臺架試驗是進(jìn)行產(chǎn)品的集成驗證，而零部件試驗是對其設(shè)計載荷的驗證。

2.1 整車輪耦合道路模擬試驗

輪耦合道路模擬試驗中，車輪支撐在試驗臺架作動器托盤上，試驗車車軸的數(shù)量決定了試驗系統(tǒng)作動器的數(shù)量，其中，四立柱臺架最為常見。該臺架最常規(guī)的試驗是通過控制作動器垂向運動，模擬試驗場路面垂向不平度信息，考核與車輪垂向運動相關(guān)的樣件。這類試驗準(zhǔn)備簡單，輸入載荷可采用通用標(biāo)準(zhǔn)譜，通常用作車身結(jié)構(gòu)耐久性試驗。AWATE等[2]對該試驗標(biāo)準(zhǔn)流程、考核范圍的定義等進(jìn)行了研究。通用汽車公司的SCIME[12]研究了無需數(shù)采，根據(jù)數(shù)字路面信息、車輛參數(shù)計算生成對應(yīng)車型的四立柱作動器期望位移目標(biāo)信號的方法。

圖2 輪耦合道路模擬試驗系統(tǒng)

除以上常規(guī)試驗外，四立柱臺架還可以直接將作動器通過車輛軸頭激勵試驗車[13]。

2.2 整車/系統(tǒng)軸耦合道路模擬試驗

軸耦合道路模擬試驗系統(tǒng)采用臺架夾具代替車輪，通過實現(xiàn)力和力矩的六自由度控制（垂向、側(cè)向、縱向、制動/驅(qū)動、外傾及轉(zhuǎn)向），模擬車輛的多軸載荷輪心輸入。根據(jù)受載方式的不同，可將該試驗分為整車慣性反力試驗，半慣性反力試驗，整車、1/2車、1/4車的固定反力試驗等。

常規(guī)的軸耦合道路模擬試驗流程與輪耦合試驗基本相同，但由于其控制自由度和加載方式與輪耦合試驗存在差異，試驗依賴于輪心六分力信號作為重要的控制目標(biāo)，相應(yīng)的試驗方法及試驗特點分析是目前研究的熱點。DEVARAJAN等[14]研究了三自由度軸耦合試驗臺的迭代控制策略及路試與臺架試驗差異對比[14]。LI An等[15]研究了基于六自由度軸耦合試驗臺架開展無輪心轉(zhuǎn)向、側(cè)滾轉(zhuǎn)矩路譜數(shù)據(jù)的道路模擬技術(shù)。XU Peijun[16]對轉(zhuǎn)向運動及載荷測量、數(shù)據(jù)分析方法及轉(zhuǎn)向機不同約束方式下多通道試驗進(jìn)行了研究。DE ALMEIDA等[17]研究了多通道臺架試驗與道路試驗中動力總成懸置載荷的差異。WU等[18]研究了在固定反力試驗中低頻段及高頻段輪心垂向加速度控制的影響。BHATTACHARYA等[19]對整車慣性反力試驗控制通道的選擇方法進(jìn)行了研究。

2.3 運輸模擬試驗

工廠生產(chǎn)的車輛在通過平板運輸車等運往各地經(jīng)銷商的過程中，由于其約束條件的特殊性，汽車制動系統(tǒng)、軸承等底盤部件受載方式與道路試驗差異較大，常規(guī)試驗場試驗和臺架試驗無法覆蓋對應(yīng)的失效模式，往往需要運輸模擬試驗來發(fā)現(xiàn)潛在的失效問題。

該模擬試驗通過復(fù)現(xiàn)車輛運輸時的位移和加速度信息，評估和優(yōu)化不同約束方法等[1]。

2.4 零部件道路模擬試驗

零部件試驗是對其設(shè)計載荷的驗證，設(shè)計載荷需包含一定的安全系數(shù)，以確保該零部件在設(shè)計驗證和產(chǎn)品驗證階段不產(chǎn)生失效。同時，道路試驗、整車及系統(tǒng)級臺架試驗中發(fā)現(xiàn)的樣件失效問題，往往通過零部件試驗快速復(fù)現(xiàn)及優(yōu)化設(shè)計方案的再驗證。根據(jù)臺架載荷加載方式的不同，可將零部件試驗分為固定反力和慣性反力試驗。固定反力試驗主要針對底盤結(jié)構(gòu)件，慣性反力試驗采用單軸或多軸振動臺架，對象通常為儀表臺、天窗、座椅、散熱器、電池包等?；贛AST的懸置總成試驗為綜合型試驗。

零部件試驗為整車或系統(tǒng)試驗的簡化試驗，其關(guān)鍵是模擬樣件實際使用時的邊界條件和負(fù)載狀態(tài)，主要涉及：（1） 損傷主貢獻(xiàn)因素分析；（2） 臺架設(shè)計及搭建；（3）載荷譜生成。其中，（2）、（3）兩項內(nèi)容相對成熟，（1）項內(nèi)容是目前研究的熱點。為確定樣件損傷主貢獻(xiàn)因素，AWATE等[2]提出了三種分析方法：相關(guān)性分析、互譜分析和聯(lián)合概率密度分析。SAKAI等[20]提出了一種基于多通道臺架試驗對懸架損傷貢獻(xiàn)的分析方法。

3 載荷譜

載荷譜是臺架試驗?zāi)M的目標(biāo)，精確復(fù)現(xiàn)道路試驗中的載荷，是提高臺架-道路試驗一致性的基礎(chǔ)。目前汽車行業(yè)室內(nèi)道路模擬試驗載荷譜主要來源于實車路譜數(shù)據(jù)采集。但由于項目周期、成本等方面的限制，國內(nèi)外科研院所、主機廠及供應(yīng)商也對無路譜數(shù)據(jù)采集的道路模擬試驗技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，如：標(biāo)準(zhǔn)載荷譜開發(fā)、虛擬路譜數(shù)據(jù)采集及混合試驗等。

3.1 實車路譜數(shù)據(jù)采集及選擇

3.1.1 路譜數(shù)據(jù)采集

通過實車路譜采集獲得載荷數(shù)據(jù)是目前室內(nèi)臺架道路模擬試驗及虛擬分析優(yōu)化的主要依據(jù)。目前輪心、桿件、各安裝點力的直接測量、樣件改制及貼片、懸架位移測量等均已為成熟技術(shù)并得到了廣泛的工程應(yīng)用。試驗時，需要在試車場或公共道路上駕駛一臺裝有采集儀器的車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

隨著目前項目開發(fā)周期的壓縮，越早開展路譜數(shù)據(jù)采集對項目的作用越大。然而，早期開發(fā)階段車輛價格昂貴，為便于安裝傳感器，數(shù)采車需進(jìn)行一定改制，同時隨后續(xù)懸架參數(shù)的調(diào)試，采集數(shù)據(jù)的有效性存在挑戰(zhàn)。OGUNOIKI等[21]研究了一定輸入下底盤重質(zhì)量、彈簧剛度及減振器阻尼變化對車輛各部件載荷響應(yīng)的影響。VAUGHAN等[22]研究了車輛參數(shù)變化時，用于道路試驗?zāi)M的臺架驅(qū)動文件開發(fā)所需數(shù)據(jù)采集必要性的評價原則。YOU等[23]研究了安裝輪心力傳感器對車輛各部件響應(yīng)的影響。

3.1.2 載荷譜樣本選擇方法

臺架道路模擬試驗時，首先根據(jù)采集的路譜數(shù)據(jù)，通過迭代等方式復(fù)現(xiàn)路試中樣件的載荷情況，生成臺架驅(qū)動信號，然后根據(jù)各子工況循環(huán)數(shù)，制定試驗序列，開展耐久性試驗。由于迭代周期較長，通常選取特定的載荷譜作為臺架試驗?zāi)M的目標(biāo)。然而，實車路譜數(shù)據(jù)采集時，由于駕駛習(xí)慣的不同及行駛路況的隨機性，對所選擇用于道路模擬試驗的載荷譜的普遍代表性提出了很高的要求。往往需要由不同駕駛員進(jìn)行多次采集，從多組路譜數(shù)據(jù)中選取適當(dāng)?shù)穆纷V作為試驗?zāi)繕?biāo)信號。張覺慧等[11]基于偽損傷值，根據(jù)存活率估計量和向量模相結(jié)合的基本數(shù)學(xué)方法，建立了適用于多通道載荷數(shù)據(jù)存活率為50%載荷譜樣本的選取方法。

3.2 無實車路譜采集的載荷譜

隨著車輛開發(fā)周期的壓縮，基于傳統(tǒng)的實車路譜數(shù)據(jù)采集分析和驗證各部件結(jié)構(gòu)耐久性已不能滿足項目節(jié)點的要求。基于虛擬試車場（Virtual Proving Ground，VPG）的虛擬路譜數(shù)據(jù)采集技術(shù)是目前研究的熱點，可以早期獲得各部件載荷支持設(shè)計優(yōu)化和臺架試驗[24-25]。同時基于車輛參數(shù)（輪荷、軸距、輪距、質(zhì)心位置等）的標(biāo)準(zhǔn)載荷譜也取得了一定的工程應(yīng)用。KIM等[26]提出了一種基于以往車型路譜歷史數(shù)據(jù)的比利時路工況下標(biāo)準(zhǔn)載荷譜的生成方法。

除上述方法外，MTS公司基于多通道試驗臺架開發(fā)了HSRC混合試驗的方法，將試驗車、多通道試驗臺架、輪胎模型和數(shù)字路面組成混合仿真系統(tǒng)，采用頻域系統(tǒng)辨識技術(shù)迭代收斂獲得臺架驅(qū)動信號。該方法無需任何路譜數(shù)據(jù)作為目標(biāo)信號，縮短了試驗時間[27]。

4 道路模擬試驗結(jié)果評價

臺架試驗是對道路試驗的近似模擬，其試驗結(jié)果評價應(yīng)包含兩部分內(nèi)容：試驗?zāi)M精度評價和試驗結(jié)果評價。試驗?zāi)M精度評價是試驗結(jié)果評價的前提條件，根據(jù)小樣本試驗結(jié)果確定大樣本樣件是否滿足可靠性要求。

4.1 模擬精度的評價

道路模擬試驗應(yīng)滿足一定精度，否則試驗無法確保臺架與道路試驗的相關(guān)性，其試驗結(jié)果不能作為對應(yīng)樣件耐久性評估的依據(jù)。模擬精度為統(tǒng)計意義上的數(shù)值，不同企業(yè)有不同的評價標(biāo)準(zhǔn)。一般從時域曲線、頻域自功率譜密度函數(shù)曲線、均方根值、最大最小值、損傷等維度進(jìn)行評估。根據(jù)多次實車數(shù)采結(jié)果中損傷及峰值的離散程度，可據(jù)此定義臺架試驗控制通道及監(jiān)控通道的損傷及峰值范圍。但目前公開的資料及相關(guān)研究較少，往往需要用經(jīng)驗來判定模擬精度是否滿足試驗要求。

4.2 試驗結(jié)果的評價

由于試驗資源、樣件數(shù)量及成本有限，通常采用小樣本試驗進(jìn)行評估。汽車系統(tǒng)和零部件產(chǎn)品開發(fā)及驗證過程中，往往采用貝葉斯分析法建立可靠度、置信度及樣本數(shù)間的關(guān)系[28]?？刹捎肔ipson交換公式計算試驗最小所需樣本數(shù)及對應(yīng)的試驗強度，以減少試件數(shù)量。相應(yīng)的，可根據(jù)小樣本試驗結(jié)果，根據(jù)一定的統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)行分析，計算一定置信度要求下汽車各子系統(tǒng)、零部件的可靠度是否滿足要求。

5 總結(jié)與展望

本文基于國內(nèi)外研究文獻(xiàn)，對室內(nèi)臺架道路模擬試驗技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了梳理和綜述，介紹了臺架道路模擬試驗的技術(shù)原理，總結(jié)了影響臺架試驗的關(guān)鍵技術(shù)，對不同類型試驗臺架及試驗方法、載荷譜獲取、載荷譜樣本選擇方法及臺架道路模擬試驗結(jié)果評價方法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。隨著整車開發(fā)周期的加快，臺架試驗的重要性越來越突出，臺架道路模擬試驗技術(shù)依然是目前研究的熱點。未來的研究方向可能集中在以下幾個方面：

（1）目前整車/系統(tǒng)輪耦合及軸耦合試驗臺架均模擬輪心輸入載荷引起的結(jié)構(gòu)耐久問題，然而，隨著電動車的普及，其懸架結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)汽車不同，動力總成懸置載荷對底盤結(jié)構(gòu)的影響越來越大，如何考核輪心輸入載荷及動力總成轉(zhuǎn)矩同時作用引起的底盤結(jié)構(gòu)耐久性是未來的一個研究方向。

（2）整車/系統(tǒng)級試驗簡化為零部件試驗分析方法依然存在一定的局限性，有待于進(jìn)一步研究。

（3）實車路譜數(shù)據(jù)采集周期長，受整車參數(shù)、駕駛習(xí)慣、行駛路況等的影響較大，路譜數(shù)據(jù)的有效性及樣本選擇依然有待于進(jìn)一步研究。隨著虛擬分析及試驗技術(shù)的進(jìn)步，無實車路譜的載荷譜生成技術(shù)及臺架道路模擬試驗方法將成為研究的重點。

（4）試驗?zāi)M精度的評價手段及限值范圍依賴于經(jīng)驗判定，目前缺少明確標(biāo)準(zhǔn)，有待于進(jìn)一步研究。

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