汽車室內道路模擬試驗研究

摘 要：汽車疲勞耐久試驗主要分為客戶實際行駛的道路試驗、試驗場強化路試驗和室內臺架道路模擬試驗。室內臺架道路模擬試驗由于不受外界因素影響、試驗重復性好、精度高、試驗周期短和成本低，已經成為汽車開發驗證的重要手段之一。在室內臺架道路模擬試驗中，最關鍵的技術是道路載荷譜的模擬，文章主要介紹汽車道路載荷的獲取和編輯，TWR迭代技術和迭代結果的分析。試驗結果表明，四立柱輪胎耦合道路模擬試驗臺架可以很好地模擬道路載荷，從而實現整車及零部件的快速疲勞試驗。

關鍵詞：輪胎耦合道路模擬測試臺架 TWR 載荷模擬 疲勞耐久試驗

汽車生產廠家通常會利用試驗場強化道路試驗和室內試驗臺架試驗來對汽車在客戶實際使用中承受的載荷進行當量模擬，在較短時間內完成疲勞耐久性試驗。研究發現，車身的耐久性通常由路面的垂直輸入載荷所引起的扭轉和彎曲所決定，這種載荷可以通過在車輪下使用垂向作動器施加激勵來模擬，這種類型的測試平臺被稱為4-poster（四立柱輪胎耦合道路模擬試驗臺架）。輪胎耦合試驗可以對車輛的俯仰、側傾和扭曲運動進行模擬，一般可以模擬車身或車架80％的疲勞載荷。本文以福建奔馳汽車有限公司的四立柱輪胎耦合道路模擬試驗臺架為例，分析道路模擬試驗臺架在汽車疲勞耐久試驗中的應用。

1 四立柱輪胎耦合道路模擬試驗臺架簡介

四立柱輪胎耦合道路模擬試驗臺架由液壓泵站、分油器、高低壓蓄能器、液壓作動器、伺服控制系統、電控系統等組成。液壓泵站負責為作動器提供動力；分油器將液壓油分配并傳送到作動器；伺服控制系統根據驅動信號調節伺服閥使作動器按照設定要求上下運動；電控系統生成驅動信號，通過閉環控制執行機構，完成各種指令動作。

2 道路模擬試驗

道路模擬試驗主要包括以下4個步驟：①道路載荷譜獲取；②數據處理；③TWR時域波形再現；④用迭代得到的驅動信號，反復激勵測試件進行疲勞耐久試驗。

2.1 道路載荷獲取

研究發現，加速度傳感器適合采集高頻信號，位移傳感器適合采集低頻信號，為了降低誤差，需同時采集這兩種信號。本文以福建奔馳某商務車為研究對象，使用車輪軸頭加速度和減震器位移信號作為室內臺架迭代試驗時的目標信號，在德國戴姆勒指定的試驗場完成多次道路載荷譜采集。軸頭的響應信號使用PCB公司的加速度傳感器，如圖2所示。減震器位移信號用德國米銥拉線式位移傳感器測量，分別裝于前后左右減振器處，如圖3所示，用Somat數據采集器實時采集不同工況和路面下軸頭處的加速度信號和前后橋減振器的位移信號，為臺架迭代試驗提供目標信號。為了驗證試驗的有效性，需要采集車身上的振動加速度信號，用于后續迭代結果分析比較，評價試驗的有效性，如圖4所示。

2.2 數據處理

原始信號采集完成后，需篩選出最能反映實際道路工況的一組信號作為臺架迭代的目標信號，然后再進行信號剪輯、拼接、濾波等處理。

信號的選取，先檢查各個通道的信號是否存在異常，是否有噪聲信號輸入，剔除異常信號，然后對同一條道路多次測量結果進行數據統計，比如信號的最大值、最小值、平均值、方差等，根據統計數據可以排除異常信號，選取最有代表性的信號為目標信號。

信號剪輯，為了縮短試驗時間，剪掉振動幅值和能量較小的信號，剪掉的信號不宜過長，以避免引起信號失真。

信號拼接，迭代所用的目標信號通常都由好幾段路組成，需要將不同路面的信號進行拼接，兩個信號之間的連接方式需平滑、半正弦、線性，連接到兩點平均值。

信號濾波，對汽車振動和疲勞影響較大的頻率大致在0.5～50Hz，福建奔馳采用N-code傅里葉濾波器對拼接好的信號進行0.5～50Hz帶通濾波，所有信號濾波完成后，可去除明顯存在的毛刺，超低頻率信號可進行時基壓縮，經過一系列信號處理后便可得到用于臺架迭代的目標響應信號，如圖5所示。

2.3 TWR迭代技術

IST公司提出的TWR（Time Waveform Replication）迭代過程分為2步：第一步，系統識別，找到作動器驅動信號和車身上的響應信號之間的傳遞關系；第二步，使用這個傳遞關系和迭代找到合適的驅動信號。TWR迭代流程圖如圖6所示。在試驗過程中，我們假設車輛在一定的激勵和響應水平內是線性的，將車輛認為是一個控制系統， 這個控制系統的輸入是作動器驅動信號， 控制系統的輸出為車身的響應信號（軸頭加速度和減震器位移傳感器信號），將目標響應信號與作動器激勵下采集的車身響應信號，進行不斷的比較和迭代，直到誤差收斂到能接受的范圍內，最后一次迭代的加載譜就是試驗所需的驅動信號，能夠在試驗臺上再現汽車在各種不同特征路面上的振動響應。

通過數據采集和編輯得到期望的目標響應信號假設為：

臺架生成隨機白噪聲信號X，加載X信號到系統，采集系統輸出Y，建立作動缸驅動信號（輸入）與車身響應信號（輸出）的數學模型，通過計算Y=[H]X，得出系統傳遞函數H。

通過計算得到傳遞函數H（f），求出原始驅動信號：

式中為逆傳遞函數，為付氏變換，用原始驅動信號激勵系統，收集車輛響應信號，其中為反饋因子，一般。然后計算誤差：

再求出驅動信號的修正值

式中是的付氏變換，最后得到新的驅動信號：

利用驅動系統，收集響應，重復上述步驟，直到使響應與的誤差可以接受為止，最后得到的就是滿足一定精度要求的驅動信號。

2.4 迭代結果分析

目標信號和最終臺架驅動響應信號的比較主要有：時間歷程比較（幅值誤差、最大值、最小值和RMS值等）；頻譜分析；雨流周期計數法；相對疲勞損傷計算等。

對比時域波形圖，系統的響應信號和迭代的目標信號在時間歷程上的曲線要盡量一致，兩者的均方根比值越接近100%越好，一般在90%左右，誤差和目標信號的均方根比值越接近0越好，一般在5%左右，如圖7所示福建奔馳迭代結果圖。此時響應信號和目標信號在時間歷程上重合度很好，如圖8所示，通過對比PSD曲線（功率譜密度），二者在頻域上也很接近，達到了較為理想的模擬精度。

通過雨流計數法把目標信號和響應信號的載荷歷程簡化為若干個載荷循環，通過比較分析（見圖9），目標信號和響應信號也比較接近。

疲勞累積損傷，即在交變載荷下零件產生的損傷，隨著循環次數的增加而累積。本文使用N-Code 軟件進行名義疲勞損傷計算，通過預先設定的S- N 曲線，計算名義損傷（pseudo damage）。結果如表1所示，通過比較發現目標信號和響應信號的名義損傷值也比較接近。

通過分析，目標信號和響應信號較為接近，誤差在試驗接受范圍內，可以認為臺架響應信號能較好地模擬實際行駛過程中的目標響應信號。

2.5 疲勞試驗

完成TWR迭代后，選取最后一輪臺架迭代的作動器驅動信號作為疲勞耐久試驗的驅動信號，按耐久試驗要求整合不同路面的驅動信號進行排序并設置循環數。預留一個軸頭加速度傳感器，拆除其他加速度和位移傳感器，預留的加速度傳感器用于試驗過程監控，即可開始樣件的疲勞試驗。定期查看預留的加速度信號，如果多次出現異常峰值，則一般是由減震器出現衰減或其他機械結構件損壞導致。試驗過程中需要定期檢查車身、底盤懸架、車架、門蓋、儀表板及其他內外飾件是否出現磨損、開裂、干涉等問題，及時記錄和反饋相關問題。

3 結語

通過對試驗的分析，發現室內臺架道路模擬試驗能夠很好地替代車輛在實際道路上的疲耐久試驗，不僅可以加速試驗進程，降低成本，提高新車型開發效率，而且更容易觀察到整車的運動形式和零部件之間的相互作用，為汽車零部件和整車的開發驗證提供了可靠的試驗方法和數據支持。

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