商用車駕駛室七軸道路模擬試驗臺設計開發

摘 要：開展商用車駕駛室臺架耐久測試，通常需要用到重型六自由度振動臺、六立柱、八立柱等進口專用設備，由于國內設備資源緊缺，大大制約了商用車駕駛室臺架耐久測試工作的開展。為彌補該類專用設備資源緊缺的不足，本文介紹了適用于駕駛室臺架耐久測試的另一重要方式——駕駛室七軸道路模擬試驗臺，并詳細介紹了其設計開發方法。

關鍵詞：駕駛室 臺架耐久測試 道路模擬

0 引言

商用車駕駛室的疲勞耐久性能開發一直是商用車開發過程中的一項重要內容，汽車企業、科研院所、高校等均在商用車駕駛室疲勞耐久測試、分析等方面開展了大量工作。商用車駕駛室的疲勞耐久性能研究，主要可分為兩個方向：試驗測試法、有限元分析法。鑒于現階段材料的疲勞破壞理論有待細化、有限元法計算疲勞強度的載荷獲取較為復雜等問題，商用車駕駛室的疲勞耐久性能研究仍然需要較多地借助試驗完成。而試驗測試法根據測試場地不同又可分為：道路試驗、室內臺架試驗兩類。近年來，在試驗室臺架上開展基于真實載荷的道路模擬試驗由于結合了二者的優點，已得到了較為廣泛的應用。

開展商用車駕駛室臺架耐久測試，通常需要用到重型六自由度振動臺、六立柱、八立柱等專用設備，由于國內設備資源緊缺，大大制約了商用車駕駛室臺架耐久測試工作的開展。另一種可行的途徑是采用多個液壓缸搭建商用車駕駛室耐久試驗臺，該試驗臺結構復雜、多個液壓缸存在運動耦合，搭建試驗臺的難度較大。本文將從臺架設計、臺架搭建、臺架應用三個方面介紹商用車駕駛室七軸道路模擬試驗臺的開發方法。

1 商用車駕駛室七軸道路模擬試驗臺設計

商用車駕駛主要承受了車架傳遞到駕駛室的各個方向的力，在這些激勵力及慣性力的作用下，商用車駕駛室的振動主要包括沿X軸的平動、沿Y軸的平動、沿Z軸的平動，繞X軸的轉動（側傾）、繞Y軸的轉動（俯仰）、繞Z軸的轉動（橫擺），以及在不平路面上帶來的車架扭轉及駕駛室扭轉。為了提高商用車駕駛室臺架耐久試驗的精度，需要盡可能準確地模擬商用車駕駛室的六自由度振動狀態，同時也意味著應當盡可能準確地模擬商用車駕駛室所受到的全部外界激勵。為了準確模擬商用車駕駛室的實車安裝狀態，保留駕駛室與車架之間的全部連接方式，包括空氣彈簧、減振器、駕駛室翻轉結構等，同時截取一段車架，將車架作為駕駛室的載荷輸入接口，如圖1所示。

商用車駕駛室最主要的載荷輸入為路面垂向激勵，這個方向的載荷輸入從車架通過駕駛室底部4個空氣彈簧傳遞到駕駛室。因此，為了模擬路面垂向激勵，在空氣彈簧下方對應的車架位置處布置4條垂向液壓缸，通過液壓缸的直線運動，推動車架運動，進而通過空氣彈簧對商用車駕駛室施加垂向激勵。如果液壓缸1、液壓缸2與液壓缸3、液壓缸4反向運動，則可以是實現繞Y軸的激勵輸入（俯仰運動）；如果液壓缸1、液壓缸3與液壓缸2、液壓缸4反向運動，則可以是實現繞X軸的激勵輸入（側傾運動）。如果液壓缸1、液壓缸4與液壓缸2、液壓缸3反向運動，則可以實現車架、駕駛室的扭轉運動。

為了對商用車駕駛室施加側向激勵，在液壓缸1、3與車架連接處再增加2條水平布置的側向液壓缸。如果液壓缸5、6同向運動，即可對車架、駕駛室施加側向激勵；如果液壓缸5、6反向運動，即可對車架、駕駛室施加繞Z軸的旋轉運動（橫擺）。

為了對商用車駕駛室施加縱向激勵，可在車架前端或者后端水平布置1個液壓缸。由于車架前端有保險杠等被試件，影響液壓缸的安裝。因此，在車架后端安裝液壓缸。

加載機構布置如圖2所示。

通過4條垂向液壓缸、2條側向水平布置的液壓缸以及1條縱向水平布置的液壓缸，可以實現對商用車駕駛室的6個自由度激勵輸入，模擬商用車駕駛室6個自由度的運動。根據液壓缸的數量，將此試驗臺稱為商用車駕駛室七軸道路模擬試驗臺。

由于車架和駕駛室具有6個自由度的運動，并且各個自由度的運動位移較大，如果直接將液壓缸和車架相連，會導致7個液壓缸的運動發生耦合。如果不能很好的協調各個液壓缸的位移，則會對被試件產生額外的載荷輸入，導致被試件損壞。如圖3所示，當液壓缸1的活塞桿垂向運動時，會帶動車架垂向運動，而水平布置的側向液壓缸5的活塞桿一端與車架相連，與車架一起垂向運動。液壓缸1、5的連接點A既要繞液壓缸1的底座鉸鏈中心旋轉，又要繞液壓缸5的底座鉸鏈中心旋轉，因此液壓缸1和液壓缸5的位移必須協調，否則會造成運動干涉。

為了降低運動干涉，減小一個液壓缸的運動對另一個液壓缸運動影響，可以在液壓缸和車架之間通過連桿連接，如圖4所示。連桿與車架、連桿與液壓缸活塞桿均通過魚眼軸承連接，釋放過約束。考慮連桿和液壓缸的長度都超過1米，如果將液壓缸和連桿排成一條直線與車架相連，試驗臺的高度過高，不便于被試件安裝；試驗臺側向、縱向的占地面積也過大。

液壓缸、連桿與車架直連導致的問題，可通過引入搖臂機構，改變液壓缸的運動傳遞的方向，從而合理的布置液壓缸的位置。在車架下方垂向布置連桿，對車架施加垂向激勵的液壓缸水平布置，在液壓缸和連桿之間通過搖臂連接，搖臂約束在液壓缸安裝底座上。當液壓缸的活塞桿水平運動時，帶動搖臂旋轉，搖臂的旋轉又帶動連桿上下運動，從而帶動車架上下運動。通過搖臂連接液壓缸和連桿，可以將液壓缸水平布置，顯著降低臺架的高度，便于被試件的拆裝。

對側向激勵輸入和縱向激勵入，也可以采用相同的方式，通過搖臂連接液壓缸和連桿，將試驗臺布置得較為緊湊。將側向液壓缸布置在YZ平面內，液壓缸軸線與地面成一定夾角。將縱向液壓缸布置在XZ平面內，液壓缸軸線與地面也成一定夾角。液壓缸活塞桿的直線運動，帶動搖臂轉動，再帶動連桿沿側向或縱向直線運動。為了避免車架上下跳動時，導致側向連桿、縱向連桿的擺動角度過大，連桿的長度需要設計的足夠長，通常需要大于1m。按照上述設計方案，利用三維建模軟件，完成底座、搖臂、連桿、連接鉸鏈等的結構設計，并完成試驗臺以及車架、駕駛室的裝配，如圖5所示。

2 商用車駕駛室七軸道路模擬試驗臺搭建

2.1 液壓缸及伺服閥的選型

七軸道路模擬試驗臺中最關鍵的部件為液壓缸和伺服閥，其性能決定了試驗臺的極限能力。液壓缸的主要參數包括推力、行程、最大速度等，伺服閥的主要參數為流量。可以根據試驗對象的質量、路譜位移、速度、加速度等對液壓缸和伺服閥進行選型。

2.2 軸承選型

軸承的選型主要是考慮其承載能力、間隙、耐磨性能。首先，其承載能力應滿足傳遞的最大載荷的要求，不能因沖擊載荷而失效或過早發生疲勞失效。其次，軸承的間隙應盡量小，否則會由于間隙過大，導致較大的沖擊載荷。最后，耐磨性能應較好，否則試驗過程中由于軸承磨損后，間隙過大導致試驗一致性變差，在試驗過程中需要頻繁更換軸承，降低試驗效率。

2.3 工裝設計

試驗工裝是七軸道路模擬試驗臺中最基本的結構件，用于安裝液壓缸，連接試驗對象等。固定在地面上的試驗工裝，承受液壓缸的反作用力。連接液壓缸和試驗對象的工裝，則傳遞液壓缸的作用力。這些工裝應滿足以下要求：

（1）質量——模擬實車部件應與實車部件質量相當，其它連接、固定夾具質量盡量小，以減小慣性負載。

（2）剛度——模擬實車部件應與實車部件剛度、強度一致。其它連接、固定夾具剛度盡量大，以保證夾具本身的變形必須非常的小。

（3）強度——通過CAE模擬對夾具進行加載，計算最大應力，應不超過材料屈服極限。

（4）模態——夾具的最小共振頻率（固有頻率）必須遠遠大于最高的測試頻率。一般一階模態為控制帶寬的2倍。

（5）間隙——所有夾具應把間隙控制到最小，以提高頻響。

（6）解耦——夾具盡量在機械設計上將力解耦，以方便迭代。

考慮工裝結構的通用性，4個垂向加載的底座結構相同，2個側向加載的底座和1個縱向加載的底座結構相同。4個垂向加載的搖臂結構相同，2個側向加載和1個縱向加載的搖臂結構相同。完成這些工裝的結構設計，如圖6所示。

考慮工裝的模態頻率的要求，對上述工裝進行約束模態分析。垂向加載底座的前2階模態頻率分別為204.5Hz、207.5Hz，模態振型如圖7所示。側向、縱向加載底座的前2階模態頻率分別為194.6Hz、275.9Hz，模態振型如圖8所示。底座的約束模態頻率遠遠高于試驗頻率，滿足試驗要求。

垂向加載搖臂的前2階模態頻率分別為181.0Hz、527.5Hz，模態振型如圖9所示。側向、縱向加載搖臂的前2階模態頻率分別為256.6Hz、493.8Hz，模態振型如圖10所示。搖臂的約束模態頻率遠遠高于試驗頻率，滿足試驗要求。

2.4 臺架搭建

完成試驗臺關鍵部件選型、結構件試制加工后，搭建商用車駕駛室七軸道路模擬試驗臺，并安裝商用車駕駛室樣件，如圖11所示。除了已經介紹過的一些主要部件之外，還有一些配套的部件，例如液壓試驗臺系統中的油泵、管路、分油器、蓄能器等。為了便于樣機拆裝和安全，在車架下方還設計了支撐結構，當試驗臺泄壓后用于支撐車架、駕駛室等樣件。

樣件安裝過程中，涉及調整各個加載機構的位置，并對車架進行調平。對駕駛室也需要進行配重，調節駕駛室懸架的狀態與實車一致。

3 商用車駕駛室七軸道路模擬試驗臺應用

在臺架上開展道路模擬試驗的步驟包括試驗場載荷譜采集、路譜編輯處理、傳遞函數求解、道路模擬迭代及開展耐久試驗等幾個步驟。

近年來，作者所在公司開發的駕駛室七軸道路模擬試驗臺在各典型道路工況下，迭代精度滿足行業道路模擬試驗要求。已先后為國內各大商用車主機廠開展了20余臺駕駛室的道路模擬試驗，累計耐久試驗時長超過6000小時，為國內商用車產品耐久性驗證作出了重要貢獻。

4 結論

本文詳細介紹了商用車駕駛室七軸道路模擬試驗臺的試驗原理、設計方法和搭建要求。該臺架既彌補了國內重型六自由度振動臺、六立柱、八立柱等進口專用設備不足的問題，也很好的在臺架上復現了商用車駕駛室在實際行駛過程中受到的所有路面激勵。該試驗臺在作者所在公司得到了較好的應用，為國內商用車產品耐久性驗證作出了重要貢獻。

參考文獻

[1]丁昕.道路模擬試驗系統研制[J].世界汽車，1997（6）：12-14.