電動客車車門振動特征和加速壽命試驗

馮曉樂

（江蘇經貿職業技術學院 智能工程技術學院，南京 211168，中國）

電動汽車采用先進的動力驅動和控制技術，具有較好的應用前景和市場需求[1]，被列為國家戰略性新興產業，得到許多企業的重視[2]。由于驅動形式的差異，電動客車的結構有別于傳統汽車，為了保證客車可靠性，新型客車在產品定型前要進行可靠性試驗，通常在汽車試驗場進行道路試驗，模擬客車的全壽命行駛過程。客車振動不僅影響整車的疲勞壽命，也是影響車上零部件壽命的主要因素[3]，是可靠性試驗的主要方面，是確定加速壽命試驗條件的主要依據[4-6]，也是影響噪聲[7-8]、舒適度[9-10]的主要因素。電動客車車門振動是影響車門可靠性的主要因素，通過研究車門振動特征，制定可靠性加速壽命試驗條件，從而保證行駛過程中車門功能安全可靠。

國內外學者對客車振動特征和可靠性加速壽命試驗進行了一些研究。例如，K. Miloslav 通過研究汽車振動的應力譜，根據疲勞壽命曲線，提出了加速壽命試驗中應力譜的制定方法[11]。張茜研究了路面激勵下客車骨架的振動特征，提出了車身骨架設計過程中的疲勞壽命預測方法[4]。白學文等人根據客車振動的道路載荷譜，得到了驅動液壓伺服多通道道路模擬試驗臺架的激勵信號，從而采用振動臺模擬加速壽命試驗[12]。但是，上述研究沒有分析電動客車城市道路和試驗場道路（或試驗臺）振動的特性，根據實際工況制定加速壽命試驗條件，工程實用性存在不足。此外，目前尚未見電動客車車門振動及加速壽命試驗的研究報道。

通過汽車試驗場加強道路模擬客車行駛的全壽命過程，能夠大大縮短常規城市道路的全壽命行駛試驗時間，提高汽車及其零部件的可靠性驗證效率，縮短研發周期，具有較高的工程應用價值。本文針對一款新能源電動客車，對比分析了電動客車城市道路和試驗場石塊道路行駛過程中車門振動的加速度信號特征，進而基于疲勞損傷理論的可靠性加速壽命試驗模型，研究了試驗場石塊道路加速壽命試驗條件制定的方法。

1 車門道路振動測試

選用金龍聯合汽車工業（蘇州）有限公司生產的一款新能源電動客車。安裝傳感器的4 個測試位置編號依次為測試點1—4，位于客車前門和后門支撐處，分別為后車門支柱下安裝點1、后車門頂部支撐點2、前車門支柱下安裝點3、前車門頂部支撐點4，如圖1 所示。選用PCB Piezotronics INC 公司的356A16 型號振動加速度傳感器，LMS International 公司的32 通道數據采集系統。試驗中的激勵路況有兩種：城市道路，客車使用過程中的實際路況，車速控制在40 km/h 左右；試驗場石塊道路，客車試驗場加速壽命試驗行駛的加強路況，車速控制在25 km/h 左右。采樣頻率為5 kHz，每個測試點采集橫向、縱向、垂向3 個方向的振動加速度信號，共12 個信號采集通道。

圖1 電動客車車門振動測試位置

2 振動測試結果與分析

電動客車在城市道路上和在石塊道路上行駛過程中，測試點1—4 的縱向、橫向、垂向振動信號如圖2所示。行駛過程中客車受到的路面激勵方向均為向上，因此采集到的信號均為正值。公客車城市道路行駛過程中測試點的振動加速度為0～ 1 m·s-2之間，石塊道路行駛過程中的振動加速度為0～80 m·s-2之間，客車振動較大。

圖2 不同道路上車門振動加速度信號

2.1 振動信號時域分析

城市道路、石塊道路行駛過程中，客車車門測試點1～測試點4 振動加速度的最大值和均方根值見表1。均方根值RMS 為[13]

式中：i是采樣序列；N是采樣數量；ai是采樣的加速度值。

表1數據分析如下：

1) 石塊道路加速度最大值、均方根值都大于城市道路加速度的最大值、均方根值，石塊道路加速度的均方根值在1 ～ 17 m·s-2之間，城市道路加速度的均方根值在0.1 ～ 0.4 m·s-2之間。這表明：石塊道路振級遠大于城市道路振級；

2) 測試點2、4 的加速度的最大值、均方根值分別大于測試點1、3 的加速度的最大值、均方根值。電動客車車門頂部的振動大于客車底部的振動。這表明：振動由底部傳到頂部過程中存在放大現象；

3) 車門4 個測試點3 個方向加速度的最大值、均方根值由大到小依次為垂向、縱向、橫向。這表明：車門垂向振動最大，橫向振動最小。

2.2 振動信號頻域分析

電動客車在城市道路上和在石塊道路上行駛過程中，車門測試點的振動加速度譜密度( acceleration spectral density, ASD )如圖3 所示，加速度譜密度曲線的峰值見表2。

圖3 不同道路上車門振動的加速度譜密度圖

表2 振動加速度譜密度ASD 的峰值

根據表2 和圖3，分析如下：

1) 城市道路和石塊道路的加速度譜密度ASD 曲線變化趨勢基本相同，1～20 Hz 之間加速度譜密度較大，大于20 Hz 時隨著頻率增大量值逐漸變小。這表明：2種路況下振級大小的頻域分布基本相同，頻域內石塊道路可以較好的模擬城市道路行駛過程。

2) 城市道路ASD 的峰值主要分布在3、12、16 Hz，石塊道路ASD 的峰值主要分布在3、12、18 Hz，都在1～20 Hz 之間。這表明：客車車門振動以低頻振動為主。

3) 石塊道路的ASD 數值遠大于城市道路的ASD數值，表明石塊道路振動量級較大；ASD 3 個方向的數值大小依次為垂向、縱向、橫向，表明車門垂向振動最大，橫向最小；測試點2 和測試點4 的ASD 數值分別大于測試點1 和測試點3 的ASD 數值，客車車門頂部的振動大于底部。這表明：振動由底部到頂部傳遞過程中存在放大現象。振動信號頻域分析的振動特征與時域分析結果一致。

3 可靠性加速壽命試驗研究

基于疲勞損傷理論，參考國家標準[13]，采用振幅增強法，即增加振幅而縮短試驗時間，模擬加速壽命試驗。根據Miner 疲勞累積損傷理論產品的損傷度D與動應力變化幅值Δσ的m次冪和循環次數N的乘積成正比[14]，即

式中：N是循環次數，n是疲勞指數，與材料性能和應力有關，n= 3～10[15]。參考《GB/T 21563-2018 軌道交通 機車車輛設備沖擊和振動試驗》，常用金屬材料選取n= 4[13]。

由加速度a引起的動應力，即應力變化幅值為[13]

式中：m是產品質量（kg），S為截面積（m2）。產品的應力循環次數與使用時間成正比例關系。因此，滿足試驗過程的損傷度與實際運行的損傷度相同，有如下關系式

式中：Tt為試驗時間；Ts為運行時間；at為試驗加速度；as為運行加速度。根據公式（4）得到試驗加速度比例系數[14-15]為

加速度值采用均方根值，計算出可靠性加速壽命試驗加速度比例系數。例如，新能源電動客車設計使用壽命8 a，每年運行300 d，每天運行12 h，累計運行時間2.88 萬h，疲勞指數n= 4，計算出4 個測試點的加速度比例系數，見表3。

表3 加速壽命試驗加速度比例系數和試驗時間

客車道路行駛過程中，客車車體受到的路面激勵由底部傳到頂部，底部測試點1 和測試點3 為車門的主要激勵部位。因此，加速壽命試驗應選取底部測試點的振動特征為參考制定試驗振動參數。根據測試點1和測試點3 的振動信號，計算的試驗時間分別為0.07 h和8.11 h。為了同時保證加速壽命試驗過程中前后車門的可靠性驗證，選取試驗時間較長的測試點3 為參考，采用測試點3 的加速壽命試驗時間，即石塊道路行駛的時間為8.11 h。并且，試驗過程中，石塊道路行駛0.07 h（4.2 min）時，需檢驗后車門金屬零部件功能的可靠性情況。

4 結 論

通過電動客車城市道路和試驗場石塊道路行駛過程中車門振動加速度信號的時域和頻域分析，以及可靠性加速壽命試驗研究，得到以下結論：

1） 電動客車車門的頂部振動大于底部振動，垂向振動大于縱向振動，縱向振動大于橫向振動，車門以1～20 Hz 的低頻振動為主；

2） 電動客車車門石塊道路的振動量級遠大于城市道路的振動量級，振級大小的頻域分布基本相同，頻域內石塊道路能夠較好模擬城市道路行駛的全壽命過程；

3） 基于疲勞損傷理論的可靠性加速壽命試驗模型，采用石塊道路模擬加速壽命試驗時，以前車門支柱下安裝點的振動數據為參考，計算出加速度比例系數和加速壽命試驗時間。對選取的電動客車車門，城市道路運行2.88 萬h 可縮短至石塊道路運行8.11 h，即可達到全壽命可靠性驗證效果。