整車道路試驗(yàn)和整車臺架試驗(yàn)的相關(guān)分析?

張 博,姚 烈,孫 明

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

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷良好發(fā)展,中國已經(jīng)成為世界上數(shù)一數(shù)二的汽車產(chǎn)銷大國[1],中國用戶對車輛認(rèn)知水平和要求也在不斷提高,這就對整車廠商提出了更多、更高的要求:不斷降低成本、縮短研發(fā)周期、提高整車質(zhì)量、盡早發(fā)現(xiàn)工程質(zhì)量問題并及時提供解決方案等[2],針對這些要求,試驗(yàn)認(rèn)證都發(fā)揮著舉足輕重的作用.

試驗(yàn)認(rèn)證中的試驗(yàn)室試驗(yàn)可以承擔(dān)眾多整車、子系統(tǒng)和零部件的力學(xué)、運(yùn)動學(xué)耐久、性能試驗(yàn).隨著基本的整車,系統(tǒng)(子系統(tǒng))和關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)的力學(xué)和運(yùn)動學(xué)耐久、性能試驗(yàn)?zāi)芰Φ慕?重點(diǎn)是針對汽車底盤、動力總成和車身等承載結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)試驗(yàn),從而能夠在整車開發(fā)過程的早期對工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行及時的驗(yàn)證和評價,對暴露和潛在的問題進(jìn)行及時的改進(jìn)[3].并有力地支持整車研發(fā)的數(shù)模計(jì)算.隨著不同車型、相同車型不同配置、相同車型相同配置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累,也可以為設(shè)計(jì)部門提供設(shè)計(jì)依據(jù)和參考,加深對車輛力學(xué)、結(jié)構(gòu)和性能的了解,使汽車前、中期開發(fā)驗(yàn)證試驗(yàn)逐步從道路試驗(yàn)向試驗(yàn)室臺架試驗(yàn)和數(shù)模計(jì)算轉(zhuǎn)移,以縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期和成本,提高工程質(zhì)量[4].

1 道路載荷數(shù)據(jù)采集

上汽集團(tuán)旗下某子公司針對市場需求計(jì)劃開發(fā)一款小型車,已經(jīng)完成底盤結(jié)構(gòu)件、車身和底盤、動力總成連接結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)的布置、動力總成標(biāo)定、懸置的選型和調(diào)校工作,并造出了樣車,要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行臺架考核,道路載荷數(shù)據(jù)采集流程.

1)試驗(yàn)計(jì)劃編制確認(rèn).①編制道路行駛數(shù)據(jù)采集工作計(jì)劃,包括數(shù)據(jù)采集通道如表1所示.②與試驗(yàn)需求者以及相關(guān)人員共同確認(rèn)道路行駛數(shù)據(jù)采集計(jì)劃.

2)試驗(yàn)前期準(zhǔn)備.①數(shù)據(jù)采集車輛(包括相關(guān)測量零部件)狀態(tài)初步檢查及確認(rèn).②選擇并落實(shí)測量儀器.③裝配并記錄測量儀器和傳感器.④與相關(guān)人員進(jìn)行最終狀態(tài)認(rèn)可(包括測量車輛配置狀況、測量儀器設(shè)置狀態(tài)、最終交付內(nèi)容和方式等).

3)執(zhí)行試驗(yàn).①測量系統(tǒng)確認(rèn).②測量道路響應(yīng).③數(shù)據(jù)檢查.

4)數(shù)據(jù)處理及文檔整理.①數(shù)據(jù)處理.②測量車輛處理(包括測量儀器拆卸、車輛返還等).③整理試驗(yàn)文檔.④試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)布.⑤試驗(yàn)結(jié)束.

1.1 數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目執(zhí)行

針對臺架整車耐久的要求,定出了要測量的力學(xué)和動力學(xué)通道,如表1所示,可以看出測量通道涵蓋了幾乎全部的整車承載結(jié)構(gòu)載荷、復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)變和部分車身及其附件的振動.

1)傳感器選擇.考慮傳感器的數(shù)量、頻響、尺寸、滿量程、使用溫度范圍、原理、優(yōu)缺點(diǎn)等來選擇.

2)傳感器位置選擇.根據(jù)傳感器尺寸、使用溫度范圍、原理和要測量通道屬性等選擇.

3)數(shù)據(jù)所需要的數(shù)據(jù)格式和用戶協(xié)商.

1.2 數(shù)據(jù)檢查

通過通道屬性、對稱性、數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、PSD運(yùn)算和經(jīng)驗(yàn)等來判斷數(shù)據(jù)的優(yōu)劣.

表1 道路載荷數(shù)據(jù)采集通道Tab.1 Road load data acquisition channels

2 臺架準(zhǔn)備

選擇M TS329 4自由度道路模擬機(jī)進(jìn)行整車道路模擬臺架試驗(yàn).所謂4自由度為三向力和加速、制動通道[5],其結(jié)構(gòu)如圖1,圖2所示.

2.1 臺架介紹

圖1 臺架三向力和扭矩輸入機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.1 Rig three direction force and torque inpu tmechanical structure

圖2 整車前后結(jié)束結(jié)構(gòu)Fig.2 Restriction structure for b rake

2.2 數(shù)據(jù)后處理

如圖3所示為數(shù)據(jù)后處理的流程圖.

2.2.1 載荷譜壓縮

由于采集器輸出的數(shù)據(jù)格式大部分為時間歷程文件,可以通過濾波、去均值、去毛刺等處理,使數(shù)據(jù)更符合實(shí)際.但處理后的數(shù)據(jù)量仍然很大、試驗(yàn)所需時間很長,不利于發(fā)揮臺架試驗(yàn)的優(yōu)勢,所以需要進(jìn)行等損傷時間壓縮.目前普遍采用的方法為雨流計(jì)數(shù)法.雨流計(jì)數(shù)法是由MatsuisKi和Endo等人考慮了材料應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回環(huán)和載荷時間歷程對應(yīng)起來,這種方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于疲勞壽命估計(jì)中[6].隨機(jī)載荷譜經(jīng)過計(jì)數(shù)后,可以形成若干個雨流矩陣

圖3 一般數(shù)據(jù)處理流程F ig.3 Generic data post p rocessing process

式中:R為雨流造矩陣;i為雨流循環(huán)開始點(diǎn)級別;j為雨流點(diǎn)循環(huán)結(jié)束點(diǎn)級別;rij為雨流開始于i結(jié)束于 j的循環(huán)數(shù).

2.2.2 計(jì)算原理

對于不同路面的組合可以用到[7]

式中:ai為第i種道路所占的比例;Ri為第i種道路的雨流計(jì)數(shù)結(jié)果;n為路面種類.

疲勞損傷計(jì)算方法 S-N曲線

式中:S為載荷;N為壽命;m與C是與材料、應(yīng)力比、加載方式有關(guān)的參數(shù).

Miner線性累積損傷理論認(rèn)為[8],構(gòu)件在載荷S作用下,循環(huán)至破壞的壽命為 N,則可定義在其經(jīng)受 n次循環(huán)的損傷為

構(gòu)件在載荷S作用下,經(jīng)受 ni次循環(huán)損傷為Di=ni/Ni.若有K個載荷水平Si作用下,經(jīng)過ni次循環(huán),則可定義總損傷為[9]

2.3 臺架響應(yīng)和道路響應(yīng)的相關(guān)分析[10]

迭代到期望的精度后,用得到的驅(qū)動信號激勵車輛的臺架響應(yīng),分別在時域、頻域、損傷域(壽命)進(jìn)行對比分析.由于文章篇幅所限,選取后來在道路和臺架都出現(xiàn)故障的零件或相關(guān)零件(車身振動、副車架、后橋、變速箱懸置)進(jìn)行對比.

2.3.1 時域相關(guān)

如表2所示,在時域內(nèi)統(tǒng)計(jì)對比了臺架和道路響應(yīng)的最大、最小、均方根、峰值系數(shù)和偽損傷值,可以看出,道路和臺架響應(yīng)的比例范圍在0.7～1.1之間,可以說符合的已經(jīng)很好了.

表2 道路響應(yīng) &臺架響應(yīng)時域統(tǒng)計(jì)值和壽命(偽損傷)對比Tab.2 Road response&rig response statistics and life dam age com parison

2.3.2 自功率譜(頻域相關(guān))

如圖4～7所示,紅色線為該零件道路響應(yīng),藍(lán)色線為該零件臺架響應(yīng),從圖中可以看出,譜型大體相似,尤其是變速箱懸置和車身振動,幾乎相同;副車架和后橋則有的頻率段臺架響應(yīng)能量多些,有的頻率段道路響應(yīng)能量多些,但總體差別不大.

圖4 車身振動Fig.4 Bod y vib ration

圖5 副車架關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)變Fig.5 Cradle key points strains

圖6 變速箱懸置垂向力Fig.6 Transm ission m ount vertical force

圖7 后橋扭矩應(yīng)變F ig.7 Rear axle torque strain

2.3.3 損傷域相關(guān)

筆者采用LMS公司的Tecware[11]進(jìn)行損傷計(jì)算,因文章篇幅僅選擇計(jì)算方法為程對累計(jì)損傷.結(jié)果如下圖8～11所示,橫坐標(biāo)為累計(jì)損傷,縱坐標(biāo)為幅值范圍,可以看出這四個零件道路與臺架響應(yīng)在各個工作范圍區(qū)間的累積損傷基本相似,車身、變速箱懸置和后橋幾乎重合.

圖8 車身振動Fig.8 Body vib ration

圖9 副車架關(guān)鍵點(diǎn)Fig.9 Cradle key poin ts

圖10 變速箱懸置垂向力Fig.10 Transm ission m ount vertical force

圖11 后橋扭矩應(yīng)變Fig.11 Rear axle torque strain

3 試驗(yàn)結(jié)果

使用做好相關(guān)分析的驅(qū)動信號,按照企業(yè)規(guī)范進(jìn)行編制、排序整車臺架道路模擬耐久試驗(yàn)并執(zhí)行.臺架試驗(yàn)的有效性檢驗(yàn)一般有兩個直觀的依據(jù):①故障模式是否與道路(試車場和公共道路)相同;②發(fā)生故障時間是否相近.

表3 道路 &臺架失效模式和失效時間對比Tab.3 Road&Rig failure mode and failure tim e comparison

通過此方法,在試驗(yàn)后編制一個表格,涵蓋道路試驗(yàn)和臺架試驗(yàn)故障模式照片和失效時間比對,見表3.

如表3所示,道路和臺架的故障模式完全一致,但失效發(fā)生時間有的比較接近,有的相差比較大,都是臺架比道路失效時間晚,換句話說是車輛在臺架的壽命比道路的壽命長.

4 結(jié) 論

與4立柱(單自由度)相比,16通道(4自由度)可以復(fù)現(xiàn)更多的自由度和載荷輸入[1],能做出更多的故障模式,故障模式與試驗(yàn)場的結(jié)果也十分貼近,不過故障發(fā)生時間相差較大,可能是由于有兩個自由度 M x和M z沒有受控的緣故.

從自功率譜來看16通道的臺架響應(yīng)在某些頻率段上比道路響應(yīng)的能量要高,這就會引起過度損傷,也許會引起試驗(yàn)場不會發(fā)生的故障失效模式,如果能增加轉(zhuǎn)向扭矩和發(fā)動機(jī)扭矩輸入,再提高迭代的技巧和疲勞計(jì)算的方法精度,將會使整車道路模擬臺架試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)分析更貼近試驗(yàn)場;就會增加設(shè)計(jì)人員對臺架試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)分析的信心,進(jìn)而使整車道路模擬臺架在整車開發(fā)流程中、前期階段發(fā)揮更大的作用.

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