趙強(qiáng) 霍福祥 楊立峰 徐佳彬

（一汽解放汽車有限公司 商用車開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：發(fā)動機(jī)懸置 多軸加載 道路模擬 臺架試驗(yàn)

1 前言

在商用車產(chǎn)品開發(fā)過程中，發(fā)動機(jī)懸置支架是重要的部件之一，發(fā)動機(jī)懸置支架支撐著發(fā)動機(jī)及變速箱總成的質(zhì)量，一旦發(fā)生斷裂將會直接導(dǎo)致發(fā)動機(jī)及變速箱總成的脫落，動力源中斷，并且容易造成交通事故[1]，尤其對于行駛路面狀況較差的工程車來說，路面沖擊大，發(fā)動機(jī)總成懸置支架的工作環(huán)境更加惡劣，因此在產(chǎn)品開發(fā)過程中對發(fā)動機(jī)懸置支架進(jìn)行耐久性能考核，使其滿足整車的使用要求，提高動力傳動系統(tǒng)的可靠性十分必要。

伴隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，由于室內(nèi)臺架道路模擬試驗(yàn)具備重復(fù)性好，復(fù)現(xiàn)精度高、試驗(yàn)周期短等諸多優(yōu)勢，在汽車設(shè)計研發(fā)中越發(fā)受到青睞，已經(jīng)成為了各主機(jī)廠進(jìn)行產(chǎn)品可靠耐久性開發(fā)驗(yàn)證的主要手段之一[2-4]。

本文以某重型車發(fā)動機(jī)懸置支架為對象，通過開展載荷譜采集、多軸加載試驗(yàn)臺架搭建、模擬迭代、損傷分析等方法研究，建立了發(fā)動機(jī)懸置支架室內(nèi)多軸加載臺架道路模擬試驗(yàn)方法，能夠高精度地復(fù)現(xiàn)發(fā)動機(jī)懸置支架在實(shí)車道路試驗(yàn)中的振動狀態(tài)，進(jìn)而完成可靠耐久性試驗(yàn)考核。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)多輪改進(jìn)設(shè)計方案的快速驗(yàn)證，加速產(chǎn)品定型，極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，具備極高的工程應(yīng)用價值。

2 多軸加載道路模擬試驗(yàn)臺架

汽車行駛過程中發(fā)動機(jī)總成懸置支架受力狀況十分復(fù)雜，它不僅承載發(fā)動機(jī)及變速箱總成的靜載荷，同時承受車輛運(yùn)動中發(fā)動機(jī)及變速箱總成各個方向的動載荷。

本文搭建的多軸加載道路模擬試驗(yàn)臺架由計算機(jī)、電控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、機(jī)械部分、液壓伺服系統(tǒng)等硬件設(shè)備組成。其中，液壓伺服系統(tǒng)由6個液壓線性作動器及相關(guān)附件組成，通過模擬車架將發(fā)動機(jī)及變速箱總成與作動器連接。其中，3個垂向的作動器直接與模擬車架連接，3個水平方向作動器（一個X方向、兩個Y方向）通過附帶連桿機(jī)構(gòu)與模擬車架連接，具體如圖1所示。

圖1 多軸加載道路模擬試驗(yàn)臺架示意

通過6個通道作動器的協(xié)調(diào)運(yùn)動，在試驗(yàn)室內(nèi)再現(xiàn)發(fā)動機(jī)總成在車輛行駛過程中產(chǎn)生的垂直、縱向、側(cè)向、水平轉(zhuǎn)動、俯仰、翻滾運(yùn)動對發(fā)動機(jī)懸置支架的影響。

3 室內(nèi)多軸加載道路模擬試驗(yàn)

3.1 室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)步驟

利用多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程參數(shù)控制技術(shù)進(jìn)行耐久性道路模擬試驗(yàn)基本上由以下6個步驟來實(shí)現(xiàn)[5-6]：

（1）發(fā)動機(jī)懸置總成支架載荷譜（期望響應(yīng)信號）采集；

（2）期望響應(yīng)數(shù)據(jù)處理；

（3）試驗(yàn)系統(tǒng)搭建；

（4）求解系統(tǒng)傳遞特性；

（5）模擬迭代獲取最終驅(qū)動信號；

（6）道路模擬試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果評價。

3.2 載荷譜采集

3.2.1 控制采集點(diǎn)的選擇

載荷譜采集是室內(nèi)臺架道路模擬試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)之一。其中，控制采集點(diǎn)（道路模擬試驗(yàn)中用于模擬迭代的遠(yuǎn)程控制點(diǎn)）的選擇會直接影響到臺架模擬迭代精度，一般情況下，控制采集點(diǎn)的選擇遵循以下原則[7]：

（1）一般離激勵點(diǎn)越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的非線性越太，模擬精度越低。因此根據(jù)臺架結(jié)構(gòu)，盡量選取靠近臺架各通道激勵點(diǎn)的位置作為控制采集點(diǎn)。

（2）控制采集點(diǎn)的選取應(yīng)盡可能與某一試驗(yàn)驅(qū)動力成線性關(guān)系而與其它試驗(yàn)驅(qū)動力成正交關(guān)系，以便于迭代盡快能夠收斂。

以某商用車發(fā)動機(jī)懸置支架為試驗(yàn)對象，在發(fā)動機(jī)前后懸置支架處及變速箱中心位置布置5處加速度傳感器，具體見圖2、圖3。

圖2 發(fā)動機(jī)懸置支架加速度信號測點(diǎn)

圖3 實(shí)車狀態(tài)下各加速度測點(diǎn)布置位置

3.3 期望響應(yīng)數(shù)據(jù)處理

通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的原始時間歷程信號并不能直接作為臺架試驗(yàn)的期望響應(yīng)信號，需要進(jìn)行必要的處理。本文搭建的多軸加載道路模擬試驗(yàn)臺架搭載RFC（Remote Factor Control）遠(yuǎn)程控制軟件來實(shí)現(xiàn)道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，同時配備Wave Analysis Edit數(shù)據(jù)處理模塊，可以將原始數(shù)據(jù)中那些被認(rèn)為對疲勞損傷貢獻(xiàn)不大的輔助連接路面信號段刪除，極大的縮短迭代周期及道路模擬試驗(yàn)臺時，同時對原始期望響應(yīng)進(jìn)行濾波、去除趨勢向及毛刺等處理。

3.4 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

在臺架搭建過程中，作動器的位置布置要十分精確，以確保作動器與模擬車架之間的連接沒有預(yù)緊力，消除預(yù)緊力在系統(tǒng)模擬迭代過程中產(chǎn)生的影響，保證迭代精度。以某商用車發(fā)動機(jī)懸置支架為試驗(yàn)對象搭建的多軸加載道路模擬試驗(yàn)系臺架見圖4。

圖4 多軸加載道路模擬試驗(yàn)臺架

3.5 系統(tǒng)傳遞特性求解

3.5.1 迭代控制通道選取

參見圖5，遵循3.2.1中迭代控制通道的選取原則，選取模擬車架上左前（X、Y、Z）位置Y、Z方向，右前（X、Y、Z）位置X、Z方向、變速箱中心（X、Y、Z）位置Y、Z方向?yàn)榈刂仆ǖ溃M成6×6矩陣迭代形式，具體迭代控制通道如表1所示。

圖5 迭代控制通道選取

表1 正方矩陣模擬迭代控制通道

3.5.2 求解系統(tǒng)傳遞函數(shù)

將多軸加載試驗(yàn)臺架定義為多輸入、多輸出振動響應(yīng)系統(tǒng)，求解系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。在遠(yuǎn)程控制軟件RFC中定義一個多輸入白噪聲信號為X(f)，定義系統(tǒng)傳遞函數(shù)為H(f)，由安裝在系統(tǒng)中的加速度傳感器回采輸出信號Y(f)反饋給RFC軟件，則有：

式中，X(f)—白噪聲驅(qū)動信號函數(shù)矩陣；Y(f)—回采信號函數(shù)矩陣；H(f)—系統(tǒng)頻響函數(shù)矩陣。

求解系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下：

3.5.3 系統(tǒng)相干函數(shù)控制

多軸加載道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中，相干函數(shù)反映的是系統(tǒng)輸入信號與輸出信號之間在各頻率處的相關(guān)程度，一般情況下，如果輸入信號與輸出信號之間的相干函數(shù)在再現(xiàn)頻帶內(nèi)的函數(shù)值大于0.8，則認(rèn)為系統(tǒng)有良好的相干性[8]。通常各激勵通道與響應(yīng)通道之間的常相干函數(shù)，在再現(xiàn)頻率范圍內(nèi)函數(shù)值接近于1，均可以用于迭代補(bǔ)償計算；而各激勵通道與響應(yīng)通道之間的偏相干函數(shù)，選取函數(shù)值大于0.8的頻率范圍，用于迭代補(bǔ)償計算[9]。

3.6 迭代控制算法及誤差計算

3.6.1 迭代控制算法

定義處理后的期望響應(yīng)信號為Y0(t)，經(jīng)傅里葉變換為：

定義頻域初始驅(qū)動信號為X1(f)，令：

用X1(t)激勵系統(tǒng)，獲得響應(yīng)信號Y1(t)，定義首次誤差信號為ΔY1(t)，則有：

式中，α—迭代增益。

3.6.2 誤差計算

重復(fù)上述步驟，直到迭代誤差達(dá)到一定范圍內(nèi)，終止迭代，生成的驅(qū)動信號就可以用來驅(qū)動臺架進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)。模擬迭代誤差計算方法如（12）式所示。

4 發(fā)動機(jī)懸置支架總成迭代結(jié)果

4.1 迭代結(jié)果

以某重型車發(fā)動機(jī)懸置支架為對象，搭建多軸加載試驗(yàn)臺架、實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)懸置支架室內(nèi)臺架模擬迭代過程，迭代誤差曲線如圖6所示，迭代最終誤差見表2。

圖6 模擬迭代誤差曲線

表2 各控制通道模擬迭代誤差

顯然，除左前（X、Y、Z）位置LF_Y通道，其他迭代控制通道迭代誤差均接近10%，本文搭建的發(fā)動機(jī)懸置支架多軸加載試驗(yàn)臺架模擬迭代精度較高。

4.2 迭代結(jié)果評價

以迭代獲得的最終的驅(qū)動信號激勵系統(tǒng)，回采臺架響應(yīng)信號，分別基于時域、頻域及相對損傷的角度對臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)進(jìn)行對比，圖7為時域信號對比結(jié)果，圖8為頻域信號對比結(jié)果，圖9為穿級計數(shù)統(tǒng)計結(jié)果對比，相對損傷對比見表3。

圖7 迭代時域信號對比

通過對比，顯然臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)在時域內(nèi)、頻域內(nèi)幾乎趨于一致，相對損傷比接近0.8～1之間，滿足臺架試驗(yàn)需求，能夠真實(shí)再現(xiàn)發(fā)動機(jī)懸置支架在車輛行駛過程中的振動狀態(tài)。即通過系統(tǒng)迭代獲取的臺架驅(qū)動信號有較高的精度，滿足工程應(yīng)用需求，能夠代替實(shí)車道路試驗(yàn)用于發(fā)動機(jī)懸置支架道路模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖8 迭代頻域信號對比

圖9 穿級計數(shù)統(tǒng)計值對比

表3 各迭代控制通道響應(yīng)信號相對損傷

5 結(jié)束語

（1）本文以某重型車發(fā)動機(jī)懸置支架為對象，首次設(shè)計搭建了多軸加載試驗(yàn)臺架，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)懸置支架的多軸加載道路模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。

（2）通過開展載荷譜采集、數(shù)據(jù)處理，明確了以發(fā)動機(jī)懸置支架及變速箱中心位置處的振動加速度信號作為迭代控制目標(biāo)的選取方法。

（3）通過迭代精度控制，獲取了具有較高精度的臺架驅(qū)動信號，能夠真實(shí)地模擬發(fā)動機(jī)懸置支架在車輛行駛過程中的振動特性，滿足產(chǎn)品開發(fā)的工程應(yīng)用需求。

（4）發(fā)動機(jī)懸置支架臺架道路模擬試驗(yàn)方法的建立能夠充分發(fā)揮室內(nèi)臺架試驗(yàn)的諸多優(yōu)勢，在新產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)以及產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計中，具有很強(qiáng)的試驗(yàn)和驗(yàn)證功能，具備很高的工程應(yīng)用價值，同時為其它車架懸、吊件總成多軸加載臺架道路模擬試驗(yàn)方法開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。