道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)淺析

高麗莎

（武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)淺析

高麗莎

（武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

∶文章首先討論室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，隨后介紹了兩類(lèi)道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括輪胎耦合試驗(yàn)系統(tǒng)、軸耦合試驗(yàn)系統(tǒng)，并分析比較兩種試驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)分析了軸耦合道路模擬機(jī)的結(jié)構(gòu)以及單個(gè)自由度的對(duì)應(yīng)的功能。

∶道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)；輪胎耦合；軸耦合

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.063

CLC NO.: U467.1+1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-188-03

引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車(chē)走進(jìn)家家戶(hù)戶(hù)，成為人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂米铑l繁的大商品之一。耐久性試驗(yàn)是汽車(chē)在實(shí)車(chē)驗(yàn)證階段中最為重要的試驗(yàn)之一，其試驗(yàn)結(jié)果可檢驗(yàn)產(chǎn)品是否合格，同時(shí)可給后續(xù)的改進(jìn)工作提供依據(jù)，愈來(lái)愈受到制造商的關(guān)注。為了縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，快速獲取汽車(chē)耐久性、可靠性等性能參數(shù)，各大制造商紛紛采用室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。

1、研究現(xiàn)狀

室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)作為一種重要的耐久性試驗(yàn)方法始從上個(gè)世紀(jì)六十年代，是以電液伺服技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和快速傅里葉變換的應(yīng)用為基礎(chǔ)逐步發(fā)展起來(lái)的。

1962年美國(guó) MTS 公司為通用汽車(chē)公司研制了世界上第一臺(tái)道路模擬臺(tái)，拉開(kāi)了道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的序幕。1973年MTS公司的 Thomas.Phillip.Lentz 等發(fā)明了第一臺(tái)3-DOF軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)橫向、縱向和垂直三個(gè)方向的加載試驗(yàn)；之后MTS公司又相繼研制出了4-DOF、5-DOF、6-DOF軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)；2004年MOOG為Volkswagen公司研制出了懸架測(cè)試軸耦合試驗(yàn)臺(tái)。1974 年，Henry A.Borg 發(fā)明了輪耦合振動(dòng)臺(tái)。

相比于國(guó)外，我國(guó)的道路模擬試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的起步比較晚，直到 1975年由我國(guó)自行設(shè)計(jì)的第一臺(tái)液壓疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)誕生，標(biāo)志我國(guó)道路模擬試驗(yàn)技術(shù)研究的開(kāi)始，此后我國(guó)的對(duì)道路模擬系統(tǒng)的研究主要是從國(guó)外引進(jìn)階段逐漸發(fā)展到國(guó)產(chǎn)化階段。我國(guó)目前對(duì)4通道輪耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)的研究有一定成果，但是對(duì)軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)的研究較少。

2、室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)概述

道路模擬技術(shù)作為一種現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)的產(chǎn)物，融合了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子液壓伺服等技術(shù)的最新發(fā)展，能在室內(nèi)通過(guò)一定的試驗(yàn)設(shè)備創(chuàng)造出與車(chē)輛在實(shí)際使用時(shí)一致的載荷環(huán)境，精確地再現(xiàn)汽車(chē)在實(shí)際使用工況下的各種運(yùn)動(dòng)和受力情況，便于在室內(nèi)加速分析引起被測(cè)試車(chē)輛關(guān)鍵零部件疲勞損壞的原因，彌補(bǔ)了道路試驗(yàn)的許多不足之處，節(jié)省大量的人力、物力及時(shí)間。

在道路模擬試驗(yàn)中，一般包括以下四個(gè)步驟：

（1）通過(guò)6分力輪、應(yīng)變片、加速度傳感器以及位移傳感器等設(shè)備采集汽車(chē)在實(shí)際行駛工況下道路載荷譜，提取目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)；

（2）通過(guò)白噪聲激勵(lì)獲取整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣和逆矩陣；

（3）由頻響函數(shù)矩陣和目標(biāo)信號(hào)生成初始的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過(guò)迭代計(jì)算逐步修正驅(qū)動(dòng)信號(hào)，直到滿(mǎn)足精度要求，建立最終激勵(lì)信號(hào)文件；

（4）反復(fù)施加激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。

3、道路模擬試驗(yàn)臺(tái)

道路模擬試驗(yàn)臺(tái)是進(jìn)行宰內(nèi)道路模擬試驗(yàn)的主要設(shè)備，主要制造廠商有：美國(guó)的MTS、英國(guó)的Servotest、美國(guó)的IST、日本的鸞宮等。道路模擬試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)器原動(dòng)力有電動(dòng)和液壓兩種類(lèi)型。由于液壓式道路模擬振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)成本低且性能優(yōu)良，因此應(yīng)用較為廣泛。對(duì)于采用液壓伺服技術(shù)的道路模擬振動(dòng)臺(tái)來(lái)說(shuō)，其本質(zhì)上是一套電液伺服系統(tǒng)，主要由液壓油源、電液伺服閥、液壓缸、加載桿系、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1　道路模擬振動(dòng)臺(tái)的構(gòu)成

它的工作原理是：計(jì)算機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制器進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換，分油器根據(jù)伺服信號(hào)向各作動(dòng)器分配液壓油驅(qū)動(dòng)臺(tái)架動(dòng)作，同時(shí)回收臺(tái)架的運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋信號(hào)，再通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換，輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析和計(jì)算，如此形成閉環(huán)系統(tǒng)。

道路模擬試驗(yàn)臺(tái)按照與試驗(yàn)汽車(chē)的連接方式可以分為：輪胎耦合式和軸耦合式，如圖2、圖3。輪胎耦合式所能提供的激勵(lì)主要是垂向載荷；軸耦合式可以提供多向載荷（一般是六分力）。

圖2　輪胎耦合道路模擬臺(tái)

圖3　軸耦合道路模擬臺(tái)

3.1輪胎耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)

輪耦合道路模擬臺(tái)是指在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，將車(chē)輪輪胎置于作動(dòng)器上的托盤(pán)上，輪胎與液壓伺服作動(dòng)器直接連接的道路模擬臺(tái)。

在輪耦合道路模擬系統(tǒng)中，主要考察垂直方向的振動(dòng)。一般每個(gè)軸頭需要一個(gè)垂直方向的作動(dòng)器，所以通道數(shù)，即作動(dòng)器數(shù)，等于軸數(shù)的兩倍。在道路模擬試驗(yàn)中，由汽車(chē)和道路模擬試驗(yàn)臺(tái)共同組成了道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，汽車(chē)作為系統(tǒng)的負(fù)載道路模擬系統(tǒng)是一個(gè)具有多自由度負(fù)載的電液伺服系統(tǒng)，由伺服控制元件、作動(dòng)器和汽車(chē)組成的液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性很大程度上決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能。

圖4為道路模擬臺(tái)單通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。單通道道路模擬試驗(yàn)臺(tái)僅能模擬零部件某個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)和受力情況，但可與多通道試驗(yàn)臺(tái)聯(lián)合作用，對(duì)車(chē)輛整車(chē)及其零部件進(jìn)行性能試驗(yàn)。

圖4　道路模擬臺(tái)單通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

3.2軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)

軸耦合道路模臺(tái)是指在進(jìn)行迭代試驗(yàn)時(shí)，將輪胎卸下，把汽車(chē)的軸頭與作動(dòng)器上直接相連的道路模擬試驗(yàn)臺(tái)。

輪耦合道路模擬臺(tái)的液壓作動(dòng)器只在垂直方向上激勵(lì)，而軸耦合式道路模擬臺(tái)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，臺(tái)體本身是一個(gè)多自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可以模擬汽車(chē)在行駛過(guò)程中受到的 6 個(gè)自由度的激勵(lì)。軸耦合試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖5。

圖5　軸耦合試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

將坐標(biāo)系0-XYZ建立在平臺(tái)中心，不隨平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。S表示球鉸接，U代表十字鉸接，R表示轉(zhuǎn)動(dòng)副。

以下為6個(gè)自由度對(duì)應(yīng)的功能及桿系運(yùn)動(dòng)。

（1）X軸平移，桿系4、5、6同向運(yùn)動(dòng)，側(cè)向施加作用力；

（2）Y軸平移，桿系1運(yùn)動(dòng)，縱向施加作用力；

（3）Z軸平移，桿系3運(yùn)動(dòng)，垂直方向施加作用力；

以上三個(gè)自由度能夠?qū)崿F(xiàn)汽車(chē)在粗糙路面上正常行駛。X軸方向的作用力模擬汽車(chē)輪胎受的側(cè)向力，Y軸作用力模擬地面對(duì)輪胎的驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力不平衡的量，Z軸作用力模擬地面對(duì)輪胎的支持力。

（4）繞X軸運(yùn)動(dòng)，桿系2運(yùn)動(dòng)，模擬汽車(chē)制動(dòng)和加速；

（5）繞Y軸運(yùn)動(dòng)，桿系5運(yùn)動(dòng)，模擬外傾；

（6）繞Z軸運(yùn)動(dòng)，桿系4、6反向運(yùn)動(dòng)，模擬轉(zhuǎn)向。

最典型的軸耦合道路模擬機(jī)是MTS公司329型6DOF系統(tǒng)，在道路模擬測(cè)試中，可以在每個(gè)角對(duì)包括垂直、側(cè)向、縱向、制動(dòng)/驅(qū)動(dòng)扭矩、外傾力矩、轉(zhuǎn)向力矩、轉(zhuǎn)向位移、轉(zhuǎn)向盤(pán)位移力和力矩進(jìn)行六自由度控制。不同于其他測(cè)試方案供應(yīng)商使用相同的、運(yùn)動(dòng)上相互干涉的六個(gè)作動(dòng)器，329 型6DOF 系統(tǒng)安裝了經(jīng)過(guò)優(yōu)化的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的作動(dòng)器，從而向各個(gè)特定的車(chē)軸施加輸入。

3.3輪耦合與軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)對(duì)比

輪耦合道路模擬臺(tái)與軸耦合道路模擬臺(tái)在價(jià)格、結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用上存在很大不同：

（1）輪胎耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)

優(yōu)點(diǎn)：由于結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，所以安裝、操作簡(jiǎn)便，所需動(dòng)力較少、試驗(yàn)周期短，價(jià)格較便宜；

缺點(diǎn)：輪胎在車(chē)輪座上由于振動(dòng)而產(chǎn)生滑移、使多通道加載困難，一般只采用垂直加載的方法。

（2）軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)

優(yōu)點(diǎn)：能完整重現(xiàn)了所有多軸車(chē)軸載荷，從而實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加完整、準(zhǔn)確可靠；對(duì)于復(fù)雜動(dòng)態(tài)的非線性事件，可提供更加有效的控制；

缺點(diǎn)：因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)要同時(shí)進(jìn)行多通道的模擬，所以結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)操作比較復(fù)雜；價(jià)格較昂貴。

4、結(jié)論及展望

（1）室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)具有準(zhǔn)確、高效、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，不受環(huán)境、道路、氣候等影響，既比傳統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)簡(jiǎn)單高效，又比CAE試驗(yàn)方法更加接近真實(shí)情況，已成為汽車(chē)研發(fā)及下線檢測(cè)中必不可少的試驗(yàn)手段；

（2）分析輪耦合、軸耦合道路模擬臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)及不足，輪耦合主要用在下線檢測(cè)，軸耦合的應(yīng)用則不限于車(chē)身，還可以進(jìn)行零部件的疲勞分析，主要應(yīng)用在設(shè)計(jì)的初始階段；

（3）縱觀道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展，硬件方面軸耦合道路試驗(yàn)?zāi)M臺(tái)越來(lái)越接近汽車(chē)在道路上行駛的實(shí)際情況，下一步應(yīng)該要在保證測(cè)試精確度的情況下簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)、降低成本，開(kāi)發(fā)更多功能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，對(duì)汽車(chē)各方面性能的分析不局限于整車(chē)而能精確到汽車(chē)每一子系統(tǒng)。

[1] 韓玉明.車(chē)輛軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.

[2] 張鶴.AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)多通道道路模擬試驗(yàn)研究[D].重慶理工大學(xué),2013.

[3] 張冠中.6-DOF軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究及結(jié)構(gòu)參數(shù)分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[4] 譙凱.DCT多通道道路模擬試驗(yàn)方法研究[D].重慶理工大學(xué),2014.

[5] 王繼龍.軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)逆動(dòng)力學(xué)及輸出力控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

[6] 汪斌.道路模擬試驗(yàn)臺(tái)路面不平度再現(xiàn)方法研究[D].武漢理工大學(xué),2010.

Analysis of Road Simulation Test System

Gao Lisha
（Wuhan University of Technology College of Automotive Engineering, Hubei Wuhan 430070）

Firstly,this article discuss the laboratory road simulation test development status at home and abroad, then introduces two kinds of road simulation test system, including tyre coupling experiment system and shaft coupling system, and compared the advantages and disadvantages of two kinds of test system, focusing on the analysis of the structure of shaft coupling road simulator and the function of a single degree of freedom.

Road simulation test bench; Tyre coupling; Shaft coupling

∶U467.1+1

∶A

∶1671-7988 (2016)09-188-03

高麗莎（1993—）女，研究生，就讀于武漢理工大學(xué)。