基于整車室內道路模擬的汽車零部件疲勞試驗研究

王靈龍，劉偉，李偉

基于整車室內道路模擬的汽車零部件疲勞試驗研究

王靈龍，劉偉，李偉

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

隨著我國汽車產業的發展，產品開發需求日益旺盛。如何縮短開發周期，降低成本成為十分必要的研究課題。采用室內的整車道路模擬試驗有助于綜合發現產品缺陷并針對缺陷快速進行優化設計，達到提升產品質量的目的。在整車試驗過程中，由于汽車零部件類別多、數量大，所以提前預判具體的失效部件難度大，進行相關的疲勞測試周期長、成本高。因此，快速發現失效零部件并提升其質量成為影響整車產品的開發周期和成本投入的重要內容。文章從軸耦合型道路試驗的研究出發，通過室內道路模擬復現實車載荷傳遞的做法得到零部件上的真實載荷，有針對性的地對失效部件進行疲勞試驗并驗證零部件質量。與傳統的驗證過程相比，這樣的改變減少了大量的前期準備工作，可以有效節約成本，縮短試驗周期。

零部件；疲勞試驗；道路模擬；可靠性；失效

1 引言

道路模擬是先進的整車及零部件系統疲勞試驗方法，是將整車在試車場或用戶道路條件下行駛采集的信號在室內試驗臺架上重現的策略，在全球范圍內的對汽車整車及零部件測試都有著廣泛的應用，具有接近真實復現車輛的工作狀態來驗證產品性能的明顯優點。在開發過程中，一方面整車耐久性試驗測試周期長、成本高，失效的零部件存在不可預測的特點，另一方面國內新車開發周期短、產品迭代快，兩者構成成了顯著的矛盾。在室內采用道路模擬的方法對整車進行試驗，能夠提前發現整車耐久性問題，也可以驗證整車及部件的缺陷以快速解決，縮短開發周期，節約成本。[1,2]在傳統的室內整車道路試驗中，預估失效部件時為對所有可能出現失效的部件進行驗證，試驗前需要花費較長的時間準備，利用路試載荷譜在試驗室內進行失效部件的驗證；對未失效部件，這種前期準備是徒勞的，明顯浪費了時間和成本。如果在部件出現失效之后有針對性地進行準備，便可減少大量無謂的準備工作。所以，基于整車道路模擬信號輸出進行零部件疲勞試驗也許可以更大程度得解決上述矛盾，進一步提高試驗效率，節約企業成本。

2 路譜信號的采集及試驗應用的基本原理

在整車上采集受力部件的載荷（或形變等）信號的方法是通過在部件上粘貼應變片并標定后，將部件安裝到路試車輛上，通過車內的數據采集儀對數據進行記錄，圖1的是對部件改制，本體經貼片并通過標定后成為能測量真實受力的各類自制的“部件傳感器”。將這些“傳感器”安裝到車輛上，通過圖2所示的隨車數據采集儀記錄載荷。這些載荷信號可以用來參與整車迭代或單獨用來進行部件試驗，在試驗室內復現車輛或部件的試驗工況。

圖1 傳感器化的關鍵部件

圖2 隨車數據采集儀

圖3是以整車為例的直觀的試驗系統工作過程示意及工作原理圖，對于多通道信出入、輸出時，系統的輸入和輸出函數記為：

傳遞函數是一個N階方陣，記做：

圖3 道路譜測試系統工作原理示意圖

在頻域系統，輸入、傳遞函數和輸出之間有關系如下：

其中()，()分別是()，()的傅里葉變換，而S()，S()是系統輸入()，()的功率譜矩陣，S()是輸出()和輸入()之間的互譜矩陣，H()是()的共軛轉置矩陣，[3]根據式4～式6可以對線性系統進行求解，如果被試系統為線性不變系統，根據頻響函數的關系及輸入、輸出可直接獲得所需驅動信號。但是，測試系統的各個環節(試件、夾具、執行機構、測量系統等）基本完全會構成一個非線性系統，理論計算得到的反饋與期望響應存在較大偏離。為了消除非線性的影響，反復重復并逐步修正驅動信號，使系統的響應逼近于期望響應信號[2,4]。過程如下：

（1）用白粉噪聲作為輸入信號，并采集系統的輸出信號，求得傳遞函數。

（2）按給定的系統輸入和傳遞函數得到系統輸出并與目標信號進行比對，得到輸出差值。

（3）用輸出差值和傳遞函數求出系統輸入差值。

（4）用輸入差值修正前一次的系統輸入作為本次輸入和傳遞函數求輸出。

經數次以上過程的重復（迭代）后，比對樣件的信號輸出和目標信號的差異在可接受（一般按均方根誤差5%以內作為接受目標）的范圍內后，設備的驅動信號就可以用來進行整車或對應型號零部件的測試驗證工作。

3 室內整車迭代的控制方法分析與驗證

圖4所示的軸耦合道路模擬試驗是運用以上基本原理的復雜系統，有多達24通道或以上的輸入控制，用于室內試驗的方法考核部件和整車的可靠性。經過長期的發展和大量的試驗及系統結構設計改進，現有軸耦合道路模擬機技術能夠可靠、準確地再現車輛的力和力矩。對整車的迭代，通過4輪的六分力傳感器作為反饋，理論上可以得到與道路行駛狀態一樣的姿態。試驗室的實際操作中，會選擇性采用前文介紹的自制傳感器信號作為試驗件的響應與對應通道的目標信號進行比對，監控車輛上的部件信號以保證試驗時內車輛的運動姿態與實際道路一致。對于僅有車輪六分力而缺少懸架或其他部件載荷的道路模擬試驗，可以將軸頭加速度信號參與迭代以提高試驗結果的準確性，但要結合不同路況具體分析應用。[5]這樣，僅有六分力傳感器或結合其他傳感器成為兩種控制策略。

圖4 美國MTS公司的軸耦合試驗臺

為研究這兩種采用室內的方式復現道路譜的程度，可以通過比對自制傳感器是否參與迭代的結果的影響程度來確定。為比較出參與迭代通道的作用，文章按兩種控制測量的方案進行比較得出。其中第一種控制策略是僅以六分力傳感器作為控制通道，第二種控制策略將六分力傳感器、加速度傳感器、懸架位移和應變通道等傳感器通同時作為控制通道。對兩種的控制策略分別記為控制測策略A和控制策略B，然后對得到具體的比對結果進行分析。對低頻路面，控制策略A和控制策略B的時域信號的統計特征值見表1，因時域特征曲線圖肉眼很難觀察到差異，本文將頻域曲線圖進行對比，如圖5所示。同樣，對高頻路面控制策略A和控制策略B的時域信號的統計特征值比對結果匯總到表2中，頻域曲線圖的比對結果見圖6。

表1 低頻路段時域特征統計值

可以看出兩種控制策略中，臺架試驗均能較好地復現車輛在試車場中的受力狀態，兩種響應的均方根誤差RMS非常接近，R值均小于20%且數值相當。臺架試驗能夠較好的復現車輛在試車場中的受力狀態，迭代精度較高。所以可以認為采用控制策略A的臺架試驗結果和實際道路耐久試驗結果一致，各部件的受力狀態也和道路試驗的受力狀態一致。[6]

由以上可以推斷，道路模擬機能真實再現道路工況，所以可以在試驗室內從道路模擬機上收集可信的響應信號。通過室內模擬道路試驗，針對性獲得的損壞部件或需要重點關注的部件及系統的路譜信號后，用于驗證試驗或批量對產品進行質量監控。前期的工作只需進行對車輛六分力傳感器的準備，這樣可以大量減少前期準備工作量。下文以控制臂作為研究對象，比對路試狀態的原始信號及試驗室內采集的相同通道信號的試驗結果差異，為類似部件的零部件試驗思路提供參考。

表2 高頻路段時域特征統計值

4 室內整車道路譜信號對失效部件進行試驗的應用

控制臂在車輛行駛過程中起到傳遞載荷和控制運動的雙重作用，屬于底盤系統有代表性的重要部件之一。將上文所述的室內采集的整車道路模擬信號的輸出作為對控制臂耐久試驗的信號輸入，進行單通道的部件疲勞試驗，用于驗證該部件是否滿足整車的使用要求。具體的試驗安裝如圖7，經過數次迭代后，試驗路況的迭代精度RMS低于5%后進行試驗。這樣的試驗條件與該部件安裝在整車上行駛在真實路面的的受力工況是基本一致的，我們比較用于執行試驗信號和初始信號的差別見圖8，除較少周期的部分信號外，兩者信號基本一致。

圖7 單通道零部件耐久試驗

圖9是按采集信號進行試驗的試件斷口照片，從最后試件損壞的狀態可以看出，利用該信號較好地復現了部件在整車上的工況，與樣品使用時的失效基本一致。試驗數據經雨流計數處理后，按系數為5的標準SN線計算各路段損傷值[7]結果見圖10。由此可見，對室內道路試驗輸出的路譜信號，經過迭代后采用的試驗信號與原路段信號通過同樣處理后得到的信號相比，復現度高達98.3%，用來進行零部件試驗的結果可信度極高。通過以上的試驗驗證后，我們可以將該試驗方法用于其它功能部件的室內試驗復現。底盤中如減振器、彈簧、穩定桿等類似零部件均屬于受力簡單的部件，應用方案和實現的效果大概一致；另外一些部件如轉向節、車橋、副車架乃至白車身等大型部件，由于受力情況復雜可以在驗證的基礎上參考選用。

圖8 時域曲線及載荷分布比對

圖9 失效斷口照片（兩端）

■ 道路譜信號 ■ 按道路譜迭代信號 ■ 按試驗室信號迭代信號

5 結語

本文從道路模擬的基本原理出發，通過軸耦合的方法采集到的室內整車道路模擬輸出對控制臂進行耐久性測試。利用該思路進行零部件試驗，可以大幅縮短對新車型驗證的準備時間并以較高的精度對失效零部件進行測試驗證，以滿足整車開發需要[8]。采用這樣的方法對項目周期的縮短及成本的壓縮具有絕對性優勢。第一、等部件失效以后有針對性地采集或驗證，可以減少前期的無效工作；第二、前期準備工作可以后移，所以采集路譜的準備時間，關鍵路徑的變化會導致項目時間大幅壓縮，同時可以只準備六分力傳感器即可得到高精度試驗信號大幅減少準備時間；第三、將準備及收集車輛響應信號的工作后移并轉移到室內，能減少項目風險，同時增加了該環節的工作時長，將有限的工程師資源得以釋放緩沖，有利于項目資源平衡[9]。文章以控制臂作為研究對象較有代表性，雖然整車迭代使用軸耦合的道路模擬試驗機進行，但如果采用4立柱得到室內道路模擬輸出的信號進行類似實驗，在精度、成本及周期等相關要求不同的情況下采用，也能達到最大限度縮短項目周期，降低項目成本的效果。

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Durability Test of Parts Based on the Output of Road Analog Signal Form Vehicle Test in Room

Wang Linglong, Liu Wei, Li Wei

（China Automotive Technology and Research Center Co. Ltd., Tianjin 300300）

With the development of China's automotive industry, the demand of design and development vehicle is increa -sing. How to shorten the development cycle and reduce costs has become a necessary topic. Indoor road simulation test is helpful to find product defects synthetically and optimize the design, then improve product quality. Large quantities of components and parts caused to difficult to predict the specific failure, so that the testing cycle is long and the cost is high. Therefore, improving the quality of parts has become an important issue that affects the development cycle and cost. Starting from the research of axle-coupled road test, this paper changes the traditional experience-based approach and carries out fatigue test of parts. This change reduces a lot of preparatory work, save costs effectively and shortens the test cycle.

Auto parts; Durability testing; Road simulation; Reliability; Failure

V416.3

B

1671-7988(2019)24-97-04

V416.3

B

1671-7988(2019)24-97-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.032

王靈龍，就職于中國汽車技術研究中心有限公司。