汽車液壓伺服試驗設備建設淺談

程俊東,周兆耀, 董遠明

(吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336)

0 引言

隨著國內汽車工業的不斷進步，人們對汽車的要求也隨之提高，對汽車的可靠性也越來越重視。目前汽車可靠性的實物驗證方式主要有：試車場道路耐久試驗和臺架試驗，其中臺架試驗有著驗證周期短、不受外部環境影響、變量輸入條件易于控制等優點。液壓伺服試驗設備即為室內可靠性驗證臺架試驗最常用的試驗設備之一。

本文作者結合液壓伺服試驗設備建設實踐，主要闡述了常用的液壓伺服試驗設備類別、設備主要技術指標、試驗設備種類選擇及流量計算分析方法，并對液壓伺服試驗設備整體建設提出了一些原則和方法。某汽車研究院液壓伺服試驗設備建成后使用便利、功能完善、便于管理、易于維護，說明該建設原則與方法具有一定價值。

1 液壓伺服試驗設備簡介

液壓伺服試驗設備是汽車開發臺架試驗中最常用的設備之一。它通過將液壓能轉換為機械能，使作動器通過伺服閥做出高頻響應從而輸出所需的直線或旋轉運動[1]。液壓伺服試驗設備整套系統一般包括：液壓泵站、液壓管道、分油器、作動器、控制器、計算機及軟件。以MTS整車四立柱道路模擬試驗臺為例，其主要組成部分如圖1所示。

圖1 液壓伺服試驗設備組成部分參考圖

1.1 液壓伺服試驗設備分類

通常按照汽車開發的試驗對象和級別，液壓伺服試驗設備分為整車級和系統及零部件級試驗設備。常用的整車級液壓伺服試驗臺架有：整車多軸軸耦合道路模擬試驗臺(圖2)、整車四立柱道路模擬試驗臺(圖3)；常用的系統及零部件級液壓伺服試驗臺架有：MAST試驗臺(圖4)、零部件液壓動態伺服試驗臺(圖5)、彈性體試驗臺、減振器試驗臺等。

圖2 整車多軸軸耦合道路模擬試驗臺

圖3 整車四立柱道路模擬試驗臺

圖4 MAST試驗臺

圖5 零部件液壓動態伺服試驗臺

1.2 液壓伺服試驗設備主要供應商

當前在國內汽車開發試驗領域，市場占有率較高的液壓伺服試驗設備供應商主要有：美國MTS、美國IST、美國MOOG、英國Servotest、日本鷺宮等。

2 液壓伺服試驗設備主要技術指標

液壓伺服試驗設備在建設時技術指標較多，最重要的技術指標有載荷/位移范圍、頻率響應范圍、軸頭線速度、設備地基類型等。

2.1 載荷/位移范圍

常用的液壓伺服試驗設備的執行機構為作動器，其主要分為直線作動器和扭轉作動器兩種。以某型號直線作動器為例，其形狀如圖6所示。

圖6 直線作動器

以直線作動器為例，其控制方式為力和位移控制。常用的力載荷加載范圍為：±15、±25、±50、±100 kN等。位移加載范圍常見的有：±75、±125、±150、±250 mm等，各企業也可根據自身實際需要要求供應商進行設計制造。

2.2 頻率響應范圍

頻率響應范圍指作動器施加動態力時可以達到的響應頻率。因為大部分的汽車零部件如副車架、控制臂、穩定桿、轉向節、減振彈簧等試件動態響應的頻率范圍在0～50 Hz之間，同時通過對試車場路譜采集數據進行頻域分析，其頻域分布范圍一般也在50 Hz以內，如圖7所示，所以液壓伺服試驗設備常用的頻率響應范圍為0～50 Hz。

圖7 試車場路譜數據頻域分析圖

2.3 軸頭線速度

作動器的軸頭速度主要指作動器活塞桿端在動態力作用下的最大速度，是作動器在加載時最重要的參數，它決定了作動器能達到的加載頻率和相應的加載行程[2]。其主要受伺服閥的額定流量控制，可以根據軸頭線速度需要來選用合適的伺服閥型號及相應的泵站來提供足夠的流量需求。

正弦加載時軸頭線速度v經驗公式：

v=2·π·a·f

式中：a為加載幅值;f為加載頻率。

2.4 設備地基類型

因為液壓伺服試驗設備安裝地面承受的反力會向周圍建筑物傳遞，造成建筑物震動和其他影響，所以液壓伺服試驗設備不能直接安放在未經處理的地面上。安裝地基一般有兩種處理方式：固定式地基和懸浮式地基。

固定式地基是指液壓伺服試驗設備安裝在一個大的鋼筋混凝土質量塊上，然后將這種大的質量塊安放在地面上，如圖8所示，同時質量塊的固有頻率必須要遠遠大于最高的激勵頻率。這種方式結構簡單，易于維護，一般零部件級別的液壓伺服試驗設備地基可以采用。

圖8 固定式地基圖

懸浮式地基是指利用彈簧減振器在質量塊與地面之間進行隔離，如圖9和圖10所示。安裝彈簧減振器后質量塊的固有頻率非常低，一般在0.8～2.0 Hz之間。這種安裝方式可提高試驗設備的試驗精度，同時對周圍建筑物影響很小，但是在減振彈簧建設、地基調平、地基安裝、使用維護等方面費用較高。一般整車級別特別是慣性力加載的液壓伺服試驗設備地基可以采用。

圖9 懸浮式地基圖

圖10 懸浮式地基減振器圖

3 液壓伺服試驗設備建設原則

結合某汽車研究院液壓伺服試驗設備建設情況，通過設備規劃、選型、確定參數、配套設施、整體布局等步驟來完成設備建設。建設中主要考慮的原則有如下7條。

3.1 液壓伺服試驗設備規劃

首先要結合公司的實際情況如試驗室定位、歷史遺留設備等，以及公司產品種類、型號及相應參數等，對設備建設進行全局考慮、整體規劃。通常采用整體規劃法，實際建設時可分批次進行。

比如某汽車研究院液壓伺服試驗設備在建設時整體規劃布局多種常用等液壓伺服試驗設備，同時按照規劃設備所需進行場地面積及基礎設施建設。實際設備建設時分批次，首先投資建設急需及驗證效果明確的試驗臺。

3.2 液壓伺服試驗設備種類選擇

液壓伺服試驗設備種類多樣，常見的有：帶環境倉/常溫整車多軸軸耦合道路模擬試驗臺、帶環境倉/常溫整車四立柱道路模擬試驗臺、帶環境倉/常溫MAST試驗臺、液壓動態伺服試驗臺、懸置單軸/多軸動靜剛度試驗臺、減振器耐久試驗臺等。

建設時需綜合考慮試驗室定位、項目開發試驗需求、試驗驗證效果、設備投資金額等因素。如一般汽車主機廠試驗室定位于自身只做整車及系統級臺架試驗，而相應零部件試驗靠各供應商自身的試驗室驗證，所以建設的液壓伺服試驗設備也以整車級試驗設備為主。如一般汽車主機廠對帶環境倉的四立柱道路模擬試驗臺試驗需求強烈，而對整車多軸軸耦合道路模擬試驗臺需求較低，所以帶環境倉的四立柱道路模擬試驗臺就會優先建設。

3.3 液壓伺服試驗設備技術參數選擇

液壓伺服設備選型明確后，就需要根據試驗對象參數來選設備的載荷/位移范圍、軸頭速度、頻響范圍等參數。

設備的載荷/位移范圍根據試驗對象的載荷范圍來確定，軸頭速度主要靠加載波形計算得到，總之要結合實際所需，參數范圍過小則不能滿足試驗需求，過大則造成浪費。

如某企業建設的整車四立柱道路模擬試驗臺主要設備參數見表1。

表1 整車四立柱道路模擬試驗臺參數

3.4 設備建設地基類型選擇

如前文所述，設備地基的選擇，經常根據試驗設備的類型、使用環境、振動影響來進行選擇。如常見的多軸軸耦合道路模擬試驗臺、整車四立柱試驗臺因振動量較大，故采用懸浮式地基。

3.5 油源泵站建設

根據試驗設備的型號和軸頭速度來計算泵站的最大流量，同時泵站的流量最好預留有后期可擴展的空間，特別是分批次建設時。

如圖11所示，液壓作動器在運行過程中活塞桿兩端壓力是平衡的。

圖11 作動器液壓平衡示意

液壓泵站流量計算公式[3]為

伺服閥兩邊壓力平衡:

ps-p1=p2-pr

伺服閥的壓降為：

pv=2(ps-p1)

作動器活塞兩邊壓力平衡：

p1·A=p2·A+100×F=(ps-p1+pr)+100×F

所以，提供作動器支撐力的油壓p為：

p1=(ps+pr)/2+100×F/2A

如果進油壓力為21 MPa,回油壓力為1 MPa,作動器活塞面積為20 cm2,那么提供作動器產生30 kN的力就需要油壓18.5 MPa,伺服閥兩邊壓降pv為5 MPa,計算可以得到伺服閥的最大流量Qmax=0.025A·vmax。

實際計算時主要考慮兩種不同加載載荷時系統的平均流量，液壓泵站流量計算公式為：

正弦激勵平均流量

Qave=0.025vmax(2A/π)

隨機激勵平均流量

Qave=0.025vmax·2A·sqrt(2/π)

上述公式計算中使用到的符號和單位見表2。

表2 液壓泵站流量計算公式符號及單位

3.6 冷卻循環水

因為作動器使用液壓油為能源不斷做功，導致液壓油溫度上升，而液壓油的理想運行溫度為38～42 ℃，所以需要冷卻循環水對液壓油進行冷卻[4]。冷卻循環水流量計算方法通過熱力學熱平衡計算公式計算冷卻循環水的流量，如下式所示：

C1·M1·(T1-T2)=C2·M2·(T3-T4)

此外，因為冷卻循環水會對液壓泵站中的散熱片有腐蝕作用，一般會設置冷卻循環水過濾或軟化裝置。

3.7 場地/管道布置

液壓伺服試驗設備及液壓油管道的布置原則：基于整體規劃，一次性建設，對后續建設的液壓伺服試驗設備預留位置及液壓油管道，做好試驗間、控制間、油泵間和液壓油管道等各個區域的整體布局建設。

4 結論

對液壓伺服試驗設備的技術指標進行詳細介紹，同時對試驗室建設基本原則做了簡單闡述。針對液壓伺服試驗設備建設提供建議如下：

(1)通過整體規劃，做好空間布置，并為后續建設設備預留位置。

(2)試驗設備的建設是一個整體系統的工程，各項技術參數是緊密關聯的，設備建設要根據自身實際情況進行選擇，一步步確認需求參數，使建成的試驗室能夠滿足完全實際使用要求。