基于室內(nèi)道路模擬技術(shù)的整車加速耐久性試驗(yàn)的研究*

錢立軍,吳道俊,楊年炯,祝安定,李源源

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,合肥 230009)

前言

根據(jù)國外統(tǒng)計(jì),約有 80%以上的機(jī)械零件的破壞為疲勞破壞[1]。因此耐久性試驗(yàn)是汽車開發(fā)中一個重要試驗(yàn)。采用室內(nèi)道路模擬技術(shù),能夠以高的精度在室內(nèi)模擬汽車在行駛過程中受到路面的激勵,減少了人力和財(cái)力。通過編輯道路載荷譜,可以縮短試驗(yàn)時間和開發(fā)周期。與道路試驗(yàn)相比,道路模擬耐久性試驗(yàn)還可避免駕駛員在路試中操作帶來的誤差并能不分晝夜地進(jìn)行[2]。

目前,在載荷譜編輯方面出現(xiàn)了基于損傷編輯等方法。以往的編輯方法沒有把功率譜密度納入編輯原則中,容易引起編輯后的載荷譜在頻域上偏差較大。此外編輯后的載荷譜能否在道路模擬試驗(yàn)臺上實(shí)現(xiàn)迭代,也是對以往編輯方法有效性的考驗(yàn)。

本文中提出了兼顧損傷和功率譜密度(PSD)的載荷譜編輯方法,減少了編輯后的載荷譜在頻域上的失真。同時提出了編輯載荷譜的可迭代原則,指出了在編輯過程中實(shí)現(xiàn)該原則的相應(yīng)措施。此外還提出了試驗(yàn)場采集道路載荷譜的傳感器布置原則和在載荷譜迭代過程中如何設(shè)置增益系數(shù)等關(guān)鍵耐久性試驗(yàn)技術(shù)。

1 室內(nèi)整車加速耐久性試驗(yàn)技術(shù)路線

首先在試驗(yàn)場采集得到道路載荷譜,并對其編輯濃縮,然后在道路模擬試驗(yàn)臺上得到室內(nèi)耐久性試驗(yàn)所需的對輪胎的激勵,以復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)場工況。具體的室內(nèi)整車加速耐久試驗(yàn)技術(shù)路線如圖 1所示。

1.1 傳感器的安裝

加速度傳感器安置在軸頭位置,盡量靠近輪心;車身加速度傳感器安置在車身正對車輪位置,盡量在輪心正上方。

對于應(yīng)力信號采集,布置自制傳感器時,考慮CAE熱點(diǎn)位置(如應(yīng)力集中位置、疲勞壽命較低點(diǎn)的位置)、路試故障位置、關(guān)鍵零部件、連接點(diǎn)、接觸點(diǎn)、支承點(diǎn)等關(guān)鍵部位;還應(yīng)考慮專家評估、先前疲勞破壞歷史或者相同類型的車輛故障歷史等反映出的薄弱位置[3]。此外,設(shè)計(jì)人員所關(guān)注的部位,如本試驗(yàn)關(guān)注的越野車車架,也布置信號采集點(diǎn)。

橋路形式根據(jù)測試需要進(jìn)行選擇,例如,測球頭x和 y向載荷,選擇2倍半橋。所測物理量都必須通過標(biāo)定進(jìn)行換算。

1.2 行駛規(guī)范的確定

試驗(yàn)場采集路譜的行駛規(guī)程及路段的選擇應(yīng)具有代表性,能重現(xiàn)汽車實(shí)際使用中的重要事件,使測得的載荷歷程具有典型性、概括性和集中性[4]。因此,本試驗(yàn)選擇定遠(yuǎn)試驗(yàn)場減速坎、仿路沿突起、魚鱗坑、石塊路、卵石路、扭曲路、搓板路等典型路段和襄樊試驗(yàn)場越野路段。各個路段的比例應(yīng)能夠保證所選的試驗(yàn)場路段總和的路譜雨流矩陣與用戶目標(biāo)使用路面的路譜雨流矩陣一致。

2 道路載荷譜的編輯技術(shù)

首先進(jìn)行信號前處理與分析。去毛刺、糾正漂移、刪除過渡路段信號之后,進(jìn)行 PSD分析、0.5～50Hz濾波、相干性分析、統(tǒng)計(jì)計(jì)算、檢查噪聲分量,選取最佳信號。

2.1 編輯原理

載荷譜編輯即刪除信號中對損傷貢獻(xiàn)不大的循環(huán)以縮短時間,且損傷等指標(biāo)盡量與原始信號接近。

計(jì)算疲勞壽命,常用的方法有名義應(yīng)力法(S-N法)和局部應(yīng)力應(yīng)變法(e-N法)。應(yīng)變幅εa與對應(yīng)的應(yīng)力幅σa的關(guān)系式為

e-N曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

應(yīng)力水平與疲勞壽命關(guān)系即S-N曲線表達(dá)式為

Miner線性損傷累積表達(dá)式為

式中:εa為應(yīng)變幅值;為彈性應(yīng)變幅值;為塑性應(yīng)變幅值;σa為應(yīng)力幅值;E為彈性模量;K′為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù);n′為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù);σ′f為疲勞強(qiáng)度系數(shù);ε′f為疲勞延性系數(shù);b為疲勞強(qiáng)度指數(shù);c為疲勞延性指數(shù);ni為各載荷水平下的循環(huán)次數(shù);Ni為各載荷水平下的疲勞壽命;S為應(yīng)力幅;A、B分別為系數(shù);N為疲勞壽命(循環(huán)次數(shù));D為疲勞總損傷。計(jì)算損傷時,名義應(yīng)力法采用式(3)和式(4),局部應(yīng)力應(yīng)變法采用式(1)、式(2)和式(4)[5]。

采用偽損傷概念,利用載荷歷程以及合適的材料S-N或e-N曲線,按照Miner損傷累積法則,即可計(jì)算疲勞損傷量[5],以偽損傷大小作為載荷信號對試件影響的量化依據(jù)。

2.2 編輯原則

對于載荷譜信號,如果最大峰值到負(fù)的最大峰值應(yīng)變小于 150μs,則損傷很小,對應(yīng)信號段可以刪除,該方法對低碳鋼尤其準(zhǔn)確[3]。按照編輯前后損傷一致、損傷機(jī)理不變、編輯前后 PSD一致、保持編輯后相位同步等原則對各通道信號同時濃縮。值得注意的是,編輯后的信號應(yīng)滿足迭代要求。

載荷譜涉及幅值和頻率兩個方面,如果將連續(xù)大載荷之間的小載荷刪除,容易形成短時間內(nèi)信號幅值一直較大,導(dǎo)致作動器難以跟上高能量連續(xù)輸出的節(jié)奏,造成迭代發(fā)散。所以保留這類小幅值信號很有必要。查看設(shè)備資料,得到設(shè)備在連續(xù)大載荷水平時所能輸出的頻率。小載荷保留程度應(yīng)至少保證該段大載荷的頻率水平低于該輸出頻率。

編輯載荷譜是一個反復(fù)的過程,如果遇到編輯后某些通道的損傷保持量不達(dá)標(biāo)或者編輯后的信號迭代無法收斂,則要考慮放寬條件或者改進(jìn)編輯方法進(jìn)行重新編輯。

2.3 基于損傷時間歷程的編輯方法

采用LMSTecware軟件中的compute,計(jì)算某些通道信號的偽損傷時間歷程,選擇損傷小的信號段,各通道同步刪除(以保持各通道相位信息)。編輯后得到的各段信號之間采用半個周期余弦曲線連接。具體操作過程:首先在軟件中計(jì)算關(guān)注通道的損傷歷程,見圖2(a);然后在軟件中設(shè)置適當(dāng)?shù)膿p傷閾值,選中低于該閾值對應(yīng)的信號段,見圖2(b);最后刪除這些信號段,濃縮結(jié)果見圖2(c)。

值得注意的是,計(jì)算損傷的通道選擇不同會導(dǎo)致編輯結(jié)果不同,所以計(jì)算損傷的那些通道應(yīng)是設(shè)計(jì)關(guān)注的通道[1]。

該方法操作簡單,但每次編輯后,損傷保留量是否達(dá)到要求,須通過對編輯結(jié)果計(jì)算才能判斷。

為保證損傷充分保留,可以采用更加保守的方法進(jìn)行編輯。即對所有通道都計(jì)算損傷時間歷程,采用相同的閾值同時選擇各通道的對應(yīng)信號段,然后刪除選中的信號段。

2.4 定量損傷的編輯方法

車架是本試驗(yàn)考核的重要部件,其材料為16Mn,即低碳鋼,則其應(yīng)變信號中峰值 -峰值應(yīng)變(pp-strain)小于150μs的信號段對部件壽命影響可以忽略,利用Tecware軟件,將這些信號段選中,各通道同時編輯。然后設(shè)置預(yù)保留損傷比例,如保留90%損傷,進(jìn)行編輯。該方法可對載荷譜的損傷進(jìn)行定量編輯。

2.5 兼顧損傷和PSD的綜合編輯方法

以往的經(jīng)驗(yàn),信號編輯時只考慮損傷單個指標(biāo)。兼顧損傷和PSD等指標(biāo)的綜合編輯方法,同時考慮了損傷的控制、PSD的控制和相位的保持。本試驗(yàn)中,把前后左右彈簧、前后穩(wěn)定桿數(shù)據(jù)作為編輯參考通道,保證這6個通道的損傷保留90%以上,且PSD損失小于20%。利用LMS Tecware軟件,同時編輯其他通道。并判斷編輯結(jié)果是否滿足所定的編輯原則。

其中左后彈簧上的應(yīng)變信號編輯結(jié)果如圖 3所示,可見信號時間的縮短情況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 1,可知損傷保持很好。

表1 強(qiáng)化路響應(yīng)信號編輯前后的統(tǒng)計(jì)對比

該方法在考慮保持損傷的同時,把PSD的控制作為一個編輯目標(biāo),從而在時域和頻域上,編輯后的載荷歷程的屬性都充分接近原始的載荷歷程,從而更容易保持耐久故障模式的一致性,減少了疲勞失效機(jī)理改變的可能性。

2.6 基于損傷歷程編輯方法與兼顧損傷和PSD綜合編輯方法對比

圖4為通道 7信號按損傷歷程編輯結(jié)果、兼顧損傷和PSD綜合編輯結(jié)果與原始信號的對比。由圖可見,3條曲線的圖形都十分接近,即兩種編輯結(jié)果的能量分布與原始信號一致。但兼顧損傷和PSD的綜合編輯結(jié)果能在頻域上更加接近原始信號,減小了載荷譜編輯后在頻域上的失真。從而使編輯后的載荷譜更易實(shí)現(xiàn)迭代。

2.7 各編輯方法的效果

保持損傷為原來90%以上,其中采用兼顧損傷和PSD的綜合編輯方法設(shè)置PSD損失在20%以內(nèi),各編輯結(jié)果見表 2。各結(jié)果對應(yīng)的疲勞破壞實(shí)際里程的比為循環(huán)塊的次數(shù)比,即損傷的反比。表 2中兼顧損傷和PSD的綜合編輯方法考慮了編輯結(jié)果在頻域更接近原始信號,試驗(yàn)時間會有所加長。

表2 各編輯方法的效果對比(左后彈簧應(yīng)變)

3 道路模擬中的迭代計(jì)算

耐久性試驗(yàn)之前,須計(jì)算道路模擬試驗(yàn)臺對輪胎的激勵,從而在軸頭再現(xiàn)編輯后的四輪軸頭加速度信號。由于外界各因素引起系統(tǒng)時變非線性,所以采用迭代的方式逐步修正,在Servotest道路模擬試驗(yàn)臺上,計(jì)算得到驅(qū)動信號。

3.1 系統(tǒng)識別

計(jì)算系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)的表達(dá)式為

式中:u為對系統(tǒng)輸入的白噪聲,v為輸入u時在軸頭測量的響應(yīng)信號,H為系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣, Ruv(noise,response)為白噪聲與對應(yīng)響應(yīng)的互功率譜密度矩陣,Ruu(noise)為白噪聲的自功率譜密度矩陣[6]。利用試驗(yàn)設(shè)備配備的Pulsar軟件,按式(5)計(jì)算出系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣H。

識別出的系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣的質(zhì)量可采用預(yù)測響應(yīng)方法進(jìn)行評價[7]。用驅(qū)動信號激勵系統(tǒng)得到汽車上傳感器測量的響應(yīng)信號v(measure),系統(tǒng)用激勵信號和系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)計(jì)算得到計(jì)算響應(yīng)信號v(calculate),其接近程度反映了系統(tǒng)識別的精度。

3.2 迭代原理

首先利用頻率響應(yīng)函數(shù)的逆和目標(biāo)響應(yīng)信號求得初始的驅(qū)動信號,即

式中:X0為計(jì)算得到的初始驅(qū)動信號;gain為增益系數(shù);H為系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù);Y為目標(biāo)信號。

播放驅(qū)動文件 X0,比較傳感器上測量的響應(yīng)信號Y1與目標(biāo)信號Y,即

式中:Y1為播放驅(qū)動信號測量得到的響應(yīng)信號;ΔY1為測量的響應(yīng)信號與目標(biāo)信號的誤差。

利用上述的誤差 ΔY1計(jì)算驅(qū)動的修正量 ΔX1,從而修正驅(qū)動信號,即

式中:ΔX1為驅(qū)動信號的修正量;X1為修正后的驅(qū)動信號。

再播放修正后的驅(qū)動信號,再一次計(jì)算響應(yīng)信號與目標(biāo)信號 Y的誤差,如此反復(fù)下去。當(dāng)傳感器上測量的響應(yīng)信號與目標(biāo)信號的誤差在所設(shè)定的臨界值范圍內(nèi),迭代結(jié)束。最后一次的驅(qū)動信號作為耐久試驗(yàn)的驅(qū)動譜。

3.3 迭代過程中的關(guān)鍵技術(shù)

迭代時,要選擇合適的控制參量,如位移、加速度和力。采用Servotest道路模擬試驗(yàn)臺配套軟件Pulsar進(jìn)行迭代。以四輪軸頭加速度譜為目標(biāo)信號,將軸頭加速度信號誤差臨界值設(shè)為 10%。對于工況惡劣的車型(如越野車、貨車等),迭代難度加大,可放寬條件,例如誤差臨界值設(shè)為 15%。其中一段載荷譜的迭代過程與結(jié)果如圖 5所示。

迭代過程中最重要的操作是設(shè)置gain值(即增益系數(shù))。gain值的設(shè)定取決于系統(tǒng)的線性程度,若線性很好,如剛性系統(tǒng),則gain值可設(shè)為1。線性不好gain值應(yīng)小于1。初次迭代時,gain應(yīng)較小,常設(shè)為0.3～0.5。如果迭代發(fā)散可以通過調(diào)整gain值來解決。如果某作動器漏油,導(dǎo)致該作動器輸出的能量偏小,則可以增大該通道的gain值以增大作動器能量輸出。

gain值的設(shè)定是一個實(shí)時的過程,根據(jù)每次迭代收斂情況,及時調(diào)整gain值。各通道gain值的設(shè)定是不一樣的,應(yīng)根據(jù)通道各自收斂情況選擇。

如果目標(biāo)信號時間較長,可以按路段對信號進(jìn)行分段,分別迭代之后,將結(jié)果重新連接。如果分段時不在信號零點(diǎn)處劃分,導(dǎo)致迭代后連接處有信號值的跳躍情況,則用合適的半余弦曲線連接。

3.4 迭代精度的評價

將目標(biāo)信號和迭代測量的響應(yīng)信號進(jìn)行波形和PSD分析對比,如圖 6和圖 7所示,其重疊性較好。統(tǒng)計(jì)對比見表 3,可以看出,迭代精度高。

表3 強(qiáng)化路迭代前后響應(yīng)信號的統(tǒng)計(jì)對比

3.5 迭代試驗(yàn)注意事項(xiàng)

試驗(yàn)時,在汽車振動過程中減振器因不斷劇烈地工作而發(fā)熱,導(dǎo)致其內(nèi)部液體的黏度發(fā)生較大變化,從而使減振器阻尼變化較大。而車輛實(shí)際行駛過程中,有空氣對流的冷卻作用。為了保證模擬精度,采用工業(yè)風(fēng)扇進(jìn)行冷卻。

為了減少車輪在振動過程中離開立柱托盤引起非線性影響,采用尼龍繩把車輪綁在試驗(yàn)臺托盤上。

4 汽車室內(nèi)耐久性試驗(yàn)

在關(guān)注的零部件上噴上白漆,以便觀察裂紋。循環(huán)播放驅(qū)動譜,記錄循環(huán)次數(shù)和試驗(yàn)現(xiàn)象。

通過室內(nèi)道路模擬耐久試驗(yàn)結(jié)果與路試結(jié)果的對比表明,兩種試驗(yàn)出現(xiàn)的故障類似。例如,室內(nèi)耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)了路試時也出現(xiàn)的穩(wěn)定桿襯套固定支架斷裂、減振器漏油、扭桿彈簧支座固定螺栓斷裂、支座脫焊等故障,如圖 8所示。

5 結(jié)論

對采集到的載荷譜進(jìn)行兼顧損傷和功率譜密度(PSD)的綜合編輯,其結(jié)果在頻域上更接近原始信號,有利于實(shí)現(xiàn)迭代,同時縮短了試驗(yàn)時間。討論了迭代時如何設(shè)置合適的gain值,從而得到試驗(yàn)臺對輪胎的激勵信號。迭代的精度和室內(nèi)試驗(yàn)呈現(xiàn)出的與路試類似的故障,說明室內(nèi)道路模擬耐久性試驗(yàn)的可行性。

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