周兆耀，董遠(yuǎn)明，陳海潮，程俊東

吉利汽車(chē)研究院，浙江寧波 315336

0 引言

汽車(chē)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)是指動(dòng)力總成與車(chē)架或車(chē)身之間的彈性連接系統(tǒng)。從機(jī)械振動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，汽車(chē)動(dòng)力總成既是一個(gè)激振源又是一個(gè)需要隔離振動(dòng)的受振對(duì)象，因而動(dòng)力總成懸置的性能要求很高，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)應(yīng)滿足固定和支撐動(dòng)力總成，承受動(dòng)力總成內(nèi)部因發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)和平移質(zhì)量產(chǎn)生的往復(fù)慣性力及力矩等多種要求[1]。因而動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)動(dòng)力總成隔振系統(tǒng)中，同時(shí)對(duì)懸置系統(tǒng)的疲勞耐久性也提出了更高的要求。

1 動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)方案

1.1 多軸道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

多軸道路模擬試驗(yàn)臺(tái)(multi-axial simulation table，MAST)系統(tǒng)模擬車(chē)輛縱向、橫向和垂向3個(gè)方向的平動(dòng)，以及側(cè)傾、俯仰和橫擺3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠精確模擬汽車(chē)在實(shí)際運(yùn)行中的振動(dòng)環(huán)境。本文使用的設(shè)備為美國(guó)MTS公司生產(chǎn)的型號(hào)為353.20MAST試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)，以及提供扭矩輸入的線性液壓作動(dòng)器。

MAST振動(dòng)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 MAST振動(dòng)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 懸置系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案

為模擬動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)在試車(chē)場(chǎng)的實(shí)時(shí)載荷，全面考核動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的橡膠件、液壓阻尼件、金屬支架、緊固件等零部件，將車(chē)身截?cái)啾Ａ糗?chē)頭與前副車(chē)架的方法固定懸置系統(tǒng)(包括變速箱懸置、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、后懸置)，模擬實(shí)車(chē)安裝狀態(tài)；驅(qū)動(dòng)軸一端與變速箱扭矩輸出端連接，另一端與扭矩加載設(shè)備連接，提供扭矩通過(guò)動(dòng)力總成傳遞至懸置系統(tǒng)；熱源通過(guò)傳輸導(dǎo)管為懸置周?chē)峁┲付囟鹊臒嶝?fù)載。

截?cái)嗪蟮能?chē)身須遵循以下原則：盡可能選擇在剛性大的構(gòu)件上，車(chē)身與臺(tái)架的固定點(diǎn)之間無(wú)相對(duì)扭轉(zhuǎn)，近似為剛體平動(dòng)，這樣進(jìn)行道路模擬迭代會(huì)比較容易收斂；固定位置應(yīng)遠(yuǎn)離被試件，不破壞被試件周?chē)木植磕B(tài)，使試件在振動(dòng)臺(tái)上的損傷形式與在道路上的損傷形式基本一致[2]。動(dòng)力總成懸置道路模擬試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

圖1 動(dòng)力總成懸置道路模擬試驗(yàn)臺(tái)

2 道路載荷譜采集及處理

2.1 載荷譜采集方案

為有效地獲得動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)及部件的實(shí)際受力情況，主要采取三分力、應(yīng)變片、加速度傳感器、熱電偶等多種測(cè)量手段。其中三向加速度信號(hào)作為迭代控制信號(hào)，采集的位置應(yīng)對(duì)路面輸入比較敏感，且有利于提高信號(hào)的信噪比，同時(shí)控制點(diǎn)盡量分布均勻，一般選擇車(chē)身縱梁來(lái)模擬6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，生成模擬平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)以三分力測(cè)量和應(yīng)變測(cè)量為主，用來(lái)驗(yàn)證迭代后生成的載荷譜的模擬精度，此次研究采用左懸置和右懸置安裝三分力傳感器的方式進(jìn)行X、Y、Z3個(gè)方向的載荷采集，后懸置采集主方向X向的應(yīng)變。三分力傳感器的安裝工裝根據(jù)原車(chē)懸置改制而成，原車(chē)懸置的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如動(dòng)靜剛度、安裝位置和方式等在改制過(guò)程中要保持一致。熱電偶監(jiān)測(cè)三點(diǎn)懸置附近溫度，以便在臺(tái)架試驗(yàn)中模擬高溫環(huán)境。道路載荷譜采集主要位置見(jiàn)表2。

表2 道路載荷譜采集主要位置

2.2 試驗(yàn)路面選擇

基于動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的受力特性，路譜采集的工況除了包括一些典型的強(qiáng)化工況外，還需要考慮人為操控引起的載荷，如輕、重制動(dòng)等工況。此次道路載荷譜采集，選擇襄陽(yáng)試車(chē)場(chǎng)的26種工況，具體見(jiàn)表3。車(chē)輛行駛速度按照整車(chē)結(jié)構(gòu)耐久試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行操作，整車(chē)質(zhì)量對(duì)懸置系統(tǒng)載荷沒(méi)有決定性影響[3]，只選擇滿載的配重方式。

表3 路譜采集工況

2.3 載荷譜處理

在試驗(yàn)場(chǎng)采集的路譜數(shù)據(jù)中，并不是所有的載荷對(duì)懸置樣件都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的損傷，可將一些對(duì)樣件破壞貢獻(xiàn)較小或沒(méi)有貢獻(xiàn)的載荷剔除掉以縮短試驗(yàn)周期。本文根據(jù)損傷等效的原則，將部分損傷占比小于1%的路面及各路面損傷較小的時(shí)間片段剔除，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)總時(shí)間的縮減。

道路載荷譜經(jīng)過(guò)去毛刺、去預(yù)載、驗(yàn)證有效性等預(yù)處理之后，基于GlyphWorks軟件進(jìn)行計(jì)算，采用斜率K=-5的S-N曲線，估算各工況懸置載荷通道的偽損傷值，表4展示了長(zhǎng)波路懸置載荷通道偽損傷所占權(quán)重均小于1%且極值(最大值、最小值)小于該通道所有工況統(tǒng)計(jì)極值的50%，因此判斷此工況可忽略。按照該方法操作，包括長(zhǎng)波路、井蓋路面、大路拱路、反向坡路、鐵路交叉口、路面接縫路在內(nèi)的6種工況可以剔除不進(jìn)行試驗(yàn)考核。

表4 長(zhǎng)波路偽損傷比重

基于各懸置載荷通道，將信號(hào)中對(duì)試驗(yàn)樣件破壞影響較小的載荷時(shí)間片段刪除，最終保證編輯后的數(shù)據(jù)能保留原始數(shù)據(jù)95%的損傷要求，且最大值及最小值不變，PSD偽能量誤差在10%以內(nèi)。圖2為坑洼路A路面的左、右懸置Z向載荷通道，陰影部分為剔除的時(shí)間片段，白色部分為保留部分。

圖2 坑洼路A路面的左、右懸置Z向載荷通道

3 動(dòng)力總成懸置道路模擬試驗(yàn)

3.1 傳遞函數(shù)和臺(tái)架驅(qū)動(dòng)獲取

迭代之前需要計(jì)算試驗(yàn)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。求傳遞函數(shù)是通過(guò)臺(tái)架播放白噪聲激勵(lì)整個(gè)系統(tǒng)(包括臺(tái)架、夾具、樣件、傳感器等)，建立驅(qū)動(dòng)信號(hào)同試驗(yàn)系統(tǒng)響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，目的是獲得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。白噪聲的設(shè)計(jì)主要包括上下截止頻率、幅值、衰減指數(shù)等參數(shù)。上下截止頻率需要根據(jù)臺(tái)架的能力及目標(biāo)信號(hào)的頻率范圍來(lái)確定，MAST臺(tái)架系統(tǒng)控制的最低頻率在0.6 Hz，而路譜信號(hào)頻率在50 Hz以內(nèi)，白噪聲上下截止頻率需包含這個(gè)頻率段，故設(shè)置為0.5～55 Hz滿足頻帶范圍要求，衰減指數(shù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置位移控制在1.5～2，載荷控制在1～1.5。圖3為左、右懸置Z向通道的頻響函數(shù)模型，由圖可見(jiàn)曲線較為光滑，表明系統(tǒng)在此頻帶范圍內(nèi)不存在嚴(yán)重的非線性影響及無(wú)明顯的外界干擾噪聲[4]。

圖3 左、右懸置Z向通道的頻響函數(shù)模型

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及目標(biāo)載荷譜計(jì)算初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)，播放初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)得到控制點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)，將其與目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)所得到的誤差信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚⒃俅渭虞d，如此循環(huán)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行不斷地修正，當(dāng)控制點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)誤差達(dá)到一定精度時(shí)，就可以結(jié)束迭代，導(dǎo)出此時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)加以保存，作為以后耐久性試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3.2 迭代精度評(píng)價(jià)

懸置道路模擬試驗(yàn)迭代精度主要評(píng)價(jià)兩方面：一是加速度和載荷通道在臺(tái)架上的響應(yīng)與試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)際道路的響應(yīng)一致性，包括時(shí)域、頻域的比較；二是載荷通道的總損傷對(duì)比。

比利時(shí)工況右懸置Z向載荷的目標(biāo)信號(hào)和迭代信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ热鐖D4所示。

圖4 比利時(shí)工況右懸置Z向載荷的目標(biāo)信號(hào)和迭代信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ?/p>

MTS RPC迭代軟件可以隨迭代的進(jìn)行計(jì)算出均方根誤差的變化曲線，均方根誤差可反映實(shí)際響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)相位對(duì)應(yīng)的好壞。如圖5和圖6所示,迭代控制通道加速度均方根誤差均可控制在20%以內(nèi)，迭代監(jiān)控通道懸置載荷均方根誤差也都控制在30%以內(nèi)，所有工況迭代完成后均達(dá)到令人滿意的誤差精度要求。

圖5 比利時(shí)工況加速度通道均方根誤差收斂曲線

圖6 比利時(shí)工況載荷通道均方根誤差收斂曲線

臺(tái)架迭代響應(yīng)總損傷保留比例如圖7所示。由圖可以看到，臺(tái)架迭代懸置載荷各通道響應(yīng)信號(hào)保留損傷均在50%～200%范圍內(nèi)，迭代損傷保留情況可接受。

圖7 臺(tái)架迭代響應(yīng)總損傷保留比例

3.3 道路模擬試驗(yàn)運(yùn)行

根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)整車(chē)結(jié)構(gòu)耐久試驗(yàn)規(guī)范編輯總載荷序列，完成規(guī)定的行駛路況組合及行駛路線的循環(huán)圈。動(dòng)力總成懸置耐久試驗(yàn)可以考核懸置系統(tǒng)橡膠部分、液壓阻尼部分、金屬部分、所有緊固件等。

懸置系統(tǒng)試驗(yàn)總載荷序列完成1倍壽命后，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、變速箱懸置未發(fā)生液體滲漏、支架斷裂、橡膠脫膠等現(xiàn)象；后懸置主簧橡膠開(kāi)裂，裂紋長(zhǎng)度為6 mm，深度為1 mm，裂紋位置與路試基本一致，如圖8所示。試驗(yàn)后動(dòng)靜剛度相對(duì)試驗(yàn)前變化值均在20%以內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)懸置試驗(yàn)前與試驗(yàn)后動(dòng)靜剛度曲線對(duì)比如圖9和圖10所示。

圖8 后懸置失效照片

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置試驗(yàn)前與試驗(yàn)后動(dòng)剛度曲線

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置試驗(yàn)前與試驗(yàn)后靜剛度曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在多軸道路模擬試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)道路模擬試驗(yàn)，模擬質(zhì)量分析顯示，試驗(yàn)室和試驗(yàn)場(chǎng)之間懸置的疲勞損傷誤差在14%以內(nèi)，試驗(yàn)室與路試疲勞破壞結(jié)果一致，可以確信試驗(yàn)室臺(tái)架模擬是可靠的。1倍壽命耐久試驗(yàn)時(shí)間151 h，就相當(dāng)于試驗(yàn)場(chǎng)整車(chē)結(jié)構(gòu)耐久道路試驗(yàn)需要40 d的時(shí)間，可見(jiàn)臺(tái)架試驗(yàn)比道路試驗(yàn)周期短很多。

綜上所述，動(dòng)力總成懸置MAST耐久試驗(yàn)可為懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供驗(yàn)證手段，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本。對(duì)于動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)在疲勞耐久驗(yàn)證方面具有積極的借鑒意義和工程價(jià)值，可以建立一套完整的動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)疲勞耐久試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。