商用車后置電瓶箱室內道路模擬臺架試驗分析

摘要：基于MAST 6 軸振動試驗臺，以某型商用車后置電瓶箱系統為研究對象，介紹了從路譜數據采集到數據處理分析的全過程，并利用遠程參數控制（RPC）迭代技術，將試驗場采集到的路譜載荷信號通過迭代計算轉化為供臺架試驗的驅動信號，從而進行電瓶箱系統耐久強度的快速試驗驗證。結果表明：迭代結果整體滿足要求，X、Y、Z 3 個方向的均方根（RMS）分別在20%、19%、20% 內，較好地保留了道路原始譜造成的疲勞損傷，滿足損傷等效原則。該研究可為今后其他車型部件的疲勞耐久試驗提供參考。

關鍵詞：電瓶箱；MAST 6 軸振動試驗臺；均方根；迭代

0 前言

整車耐久試驗對于整車質量的評價來說至關重要，整車耐久試驗的驗證可采取3 種方法來完成，即社會道路試驗、試驗場試驗和室內道路模擬試驗［1］。

社會道路試驗完全貼近車輛的真實使用狀態，但缺點是試驗周期太長，無法滿足企業的高效率要求；試驗場試驗大大縮短了試驗時間，但試驗需要由專業的試驗員來駕駛車輛，且涉及車輛運輸和試驗場地租賃等問題，給企業帶來諸多的不便；室內道路模擬試驗可較好地再現車輛的使用狀態，試驗可以晝夜不間斷地運行，且對試驗載荷譜進行編輯加速處理后，試驗時間可大幅縮短，提高了試驗效率［2］。因此，室內道路模擬試驗在整車耐久試驗中已被廣泛采用。

本文運用MAST 6 軸振動試驗臺，通過道路模擬再現路試真實載荷的試驗方法，對某款商用車的后置電瓶箱箱體及蓄電池結構疲勞耐久性能進行快速驗證，以期為今后其他車型部件的疲勞耐久試驗提供參考。

1 試驗條件

1. 1 試驗設備及樣件

本文以試驗室現有MAST 6 軸振動試驗臺開展針對某款商用車后置電瓶箱箱體及蓄電池疲勞耐久試驗，電瓶箱箱體結構如圖1 所示。該試驗臺主要由液壓動力單元（HPU）、分油器、蓄能器、控制器、作動器等組成，如圖2 所示。設備運行過程中HPU 提供作動器驅動力，其提供的高壓油通過油管傳送到作動器中，控制器最終通過控制伺服閥控制臺面實現6 自由度（垂直、橫向、縱向、翻滾、俯仰、搖擺）［3］的運動。

1. 2 載荷數據采集

道路載荷譜數據采集以加速度信號為主，在主動端（車架端）及被動端（被測樣件）上布置一定數量的加速度傳感器。目的是獲得目標響應信號，最終通過虛擬迭代技術獲得室內臺架試驗的驅動信號。傳感器的布置需要遵循以下原則［4］：① 測試位置可以完全反映出被測目標的受載情況；② 測試位置需要完全反映路面的激勵情況；③ 所選位置應與臺架試驗監控測試位置保持一致。為完整采集被測樣件振動狀態，主動端上需要布置4 個傳感器，被動端上需要布置5 個傳感器，主、被動端測點左右對稱布置，通道定義見表1。道路載荷譜數據采集在國家某汽車試驗場進行，主要采集路面包括長波路、搓板路、扭曲路及比利時路。

2 試驗過程及分析

2. 1 道路載荷譜數據處理

道路載荷譜采集到的原始數據可能存在一定的干擾，因此需要先對采集到的原始數據進行去噪聲、去漂移、去毛刺等處理；每個路段具備各自的激勵特征，且由于考慮到后期迭代時，若其中一種路況迭代收斂速度慢，將導致其余路況重復迭代，致使迭代效率低，故需要對采集到的原始數據進行分路況截取［2，5］。本文采用專業軟件進行數據處理分析。

2. 1. 1 毛刺處理

毛刺信號通常可通過以下3 種方法進行判斷：① 若信號在某一瞬間發生突變，則可判斷此時間點信號為毛刺信號；② 若2 個及以上的通道信號在某一瞬間發生突變，則該時間點信號為毛刺信號；③ 用萊茵達準則進行毛刺信號判斷［6］。對于一組數據（x1，x2，… ，xi，… ，xn），存在：

式中：xˉ 為信號均值；σ 為信號標準差。若（ xi- xˉ ）gt; kσ時，則認為xi 為毛刺點，應予以刪除。其中k 為常數，其取值應保證整組數據奇異點較少，需要一定的工程經驗。

2. 1. 2 濾波處理

濾波處理即將道路載荷譜采集到的數據中不需要的頻率成分進行清除，從而得到滿足需求的道路載荷譜信號。4 種基本的濾波形式為低通、高通、帶通及帶阻。本文采用帶通形式進行濾波，濾波頻率范圍為0.5～50 Hz，濾波器選擇Ncode 中的Butterworth，濾波形式選擇高通，濾波階數選擇8。

2. 1. 3 路面截取處理

由于在試驗場中所需要考核的強化路面并不連續，因此在采集到的原始路譜信號數據中包含著過渡路面信號。過渡路面信號不屬于采集范圍，故在數據處理過程中需要將其刪除。以電瓶箱前右主動端為例，去除過渡路面信號前后的路譜信號數據如圖3 所示。

由圖3 可以看出：刪除過渡路面信號后，載荷數據時間大幅縮短，從1 200 s 縮短至750 s，大幅提高了后期試驗效率。同時為了提高后期迭代效率，需要對4 種強化考核路面工況信號進行截取。以電瓶箱前右主動端載荷信號為例，截取后的信號如圖4 所示。

2. 2 試驗樣件安裝

電瓶箱在實車上安裝時并非獨立存在，而是與儲氣筒及車架部件一起安裝，故需要重新設計工裝復現電瓶箱系統在整車上的安裝狀態及邊界條件，同時需要選用路譜采集的測點信號通道作為臺架試驗的迭代通道和監控通道，臺架試驗安裝狀態及傳感器布置位置如圖5 所示。

2. 3 試驗工況循環

本次道路試驗考核里程按照企業標準進行，試驗場上路譜采集1 個循環里程約為7.4 km，臺架試驗載荷譜數據為試驗場上1 個循環，故臺架試驗循環數為676，具體見表2。

2. 4 試驗迭代過程

MTS 公司遠程參數控制（RPC）迭代技術通過實際道路行駛中采集到的目標信號與試驗臺上的響應信號進行不斷比較，反復回饋迭代；當響應信號逼近目標信號時，得到的載荷譜就能夠在試驗臺上再現具有各種不同特征的路面激勵［7-8］，具體流程［3］如圖6 所示。

2. 5 試驗迭代分析

本文以電瓶箱系統被動端為迭代目標信號，同時以損傷占比較高的比利時路工況進行迭代結果分析說明。比利時路工況迭代6 次后的均方根（RMS）曲線圖如圖7 所示，各傳感器布置通道名稱中FL、FR、RL、RR 分別代表前左、前右、后左、后右，A、P 分別代表主動端、被動端，X、Y、Z 分別代表X 方向、Y 方向、Z 方向。由圖7 可以看出：X、Y、Z 3個方向上系統響應信號與目標信號的RMS 分別控制在20%、19%、20% 以內。此時系統響應信號與目標信號在時域上信號重合度較好，達到了理想模擬精度誤差，如圖8 所示。系統響應信號與目標信號頻域圖如圖9 所示。由圖9 可以看出：系統響應信號與目標信號在頻域上也非常接近，無相位差。

基于臺架道路試驗中重要的偽損傷等效原則，本文進一步通過標準的應力-壽命曲線計算出各通道的偽損傷，并統計出臺架試驗迭代后的響應信號偽損傷與路譜采集信號偽損傷之比。偽損傷之比也是評價道路試驗迭代效果的重要指標。以比利時路工況為例，各通道之間的平均偽損傷比如圖10 所示。

由圖10 可以看出：各通道之間的平均偽損傷比為102，說明目標信號與響應信號較接近，響應信號可較好地模擬目標信號，因此最后一步迭代生成的響應信號即可用作臺架道路模擬試驗的驅動信號。

2. 6 臺架試驗結果分析

使用迭代出的驅動信號進行臺架試驗。試驗中對樣件上各監控點的加速度數據進行監測并與實車數據進行對比，防止試驗過程中數據失真。在整個試驗過程中，出現了電瓶箱漏液及支架開裂等失效模式，且臺架試驗中出現的失效模式同樣在整車道路試驗上復現。后經改進后的樣件經過676 個臺架試驗循環未出現失效，并同狀態樣件在實車道路試驗中也未發生失效。這說明該室內臺架試驗方法可有效驗證出整車道路試驗問題。

3 結語

以某型商用車后置電瓶箱系統為研究對象，介紹了從路譜數據采集到數據處理分析的全過程。通過對路譜載荷信號進行分析處理，并利用RPC迭代技術，基于MAST 6 軸振動試驗臺對該商用車后置電瓶箱系統耐久強度進行了快速試驗驗證。試驗場采集到的路譜載荷信號通過迭代計算轉化為供臺架試驗的驅動信號，以損傷占比較高的比利時路工況為例，X、Y、Z 3 個方向上的RMS 分別控制在20%、19%、20% 以內；目標信號與響應信號在時域及頻域上重合度較好；平均偽損傷比控制在102；臺架試驗中出現的失效模式在整車試驗上得到了有效復現，說明臺架試驗結果可有效替代道路試驗，因此該試驗方法可為類似試驗提供參考。

參考文獻

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［ 2 ］ 趙子順，董遠明，蔣尚君. 整車室內道路模擬試驗載荷譜的編制方法[J]. 上海工程技術大學學報，2015，29（4）：293-294.

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