基于遠程參數控制的DCT關鍵零部件道路模擬試驗

鄒喜紅 譙 凱 石曉輝 余 勇 易 鵬

1.重慶理工大學汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，重慶，400054

2.重慶市科學技術研究院，重慶，400054

0 引言

雙離合自動變速器（DCT）整機效率高，在燃油經濟性和成本之間達到了較好的平衡，因而被認為是目前國內最具發展前景的一種新型自動變速器［1］。由于路面激勵和發動機振動的存在，DCT中的閥體、傳感器及電子元件等關鍵零部件長期工作在劇烈的振動沖擊之下，其疲勞可靠性是DCT各項性能中最基本和最重要的性能之一，同時也是我國自主研發DCT產業化急需解決的關鍵問題之一。目前，由于試驗手段和試驗方法的欠缺，國內外普遍采用試驗場整車試驗來考察DCT及其關鍵零部件的疲勞可靠性，試驗周期長，試驗結果受環境因素影響較大；部分企業采用傳統手動機械變速器臺架試驗手段和方法，難以對DCT閥體、傳感器及電子元件等關鍵零部件在實際行駛時的可靠性進行準確考核。

相比之下，基于遠程參數控制（RPC）的道路模擬試驗技術可以很好地復現車輛在實際行駛過程中所遇到的各種工況，同時可以消除外界環境對試驗的影響，具有試驗結果和實際接近、周期短、成本低、可重復性高等優點。基于RPC的道路模擬試驗的主要步驟為：①采集道路載荷譜；②分析、編輯載荷譜得到期望響應信號；③計算系統頻率響應函數；④生成道路模擬試驗的初始驅動信號；⑤模擬迭代；⑥道路模擬試驗。目前這種技術在汽車整車及零部件的疲勞可靠性試驗中發揮著越來越重要的作用，國外主要汽車生產廠家幾乎都擁有道路模擬試驗手段和能力，我國許多汽車生產廠家和有關科研機構也相繼引進了這種類型的試驗系統，開展了很多富有成果的試驗研究工作［2］。盡管道路模擬試驗系統在汽車整車及零部件的疲勞可靠性試驗中得到了較廣泛的應用，但在汽車傳動系統中的應用較少。本文提出了一種基于RPC技術的DCT道路模擬試驗方法，以考核DCT閥體、傳感器及電子元件等關鍵零部件的疲勞可靠性。

1 DCT道路沖擊載荷譜采集與分析

現有的道路載荷譜測量方法一般有六分力傳感器法、五輪儀法、軸頭響應法等，但這些方法所使用的儀器比較昂貴，且實現方法復雜，因此使用較少［2-4］。本試驗采用加速度傳感器法，在理論上將整車的振動系統簡化為多點激勵的自由振動系統，將DCT閥體、傳感器、電子元件等關鍵零部件的振動激勵響應作為研究對象進行數據采集，并以此響應作為道路模擬的目標迭代信號［5］。

在DCT的閥體、傳感器、接插件和自動變速箱控制單元（TCU）等零部件附近布置三向加速度傳感器，測量其對路面激勵和發動機激勵綜合作用下的響應；受實際安裝情況影響，在箱體內部不易貼片，于是選取懸置側板及底部、雙離合器附近肋板等應力較大區域布置應變測點，部分測點布置如圖1所示，其中，AC1～AC4為傳感器編號，S1、S2為應變片編號。汽車裝載質量、輪胎氣壓等嚴格按照《汽車道路試驗方法通則》（GB／T 12534-90）執行，在數據采集過程中用GPS車速儀對車速進行實時監測［6］。試驗路段選擇襄陽試車場的綜合路、工況路、高速環道和山區路，各種路面的分配比例和行駛車速按某企業整車可靠性試驗方法設置；為驗證采集載荷譜的可靠性和重復性，每種路段上采樣三個循環。

圖1 部分傳感器安裝示意圖

采集的原始響應信號中可能混入了一些非真實的信號，如零點漂移、趨勢項和高頻噪聲等，為保證載荷譜的可靠性和真實性，需要對采集到的信號進行必要的分析和處理，消除偽信號的方法通常有濾波、除均值和除偏置等［3］。圖2中的曲線1表示采集到的原始應變信號，其出現了明顯的零點漂移，為了消除偽信號，對采集到的原始信號進行濾波處理。實踐表明，道路模擬試驗機在0～50Hz頻段內具有較好的動態特性，路面對車輛的垂直方向的振動頻率在0.5～20Hz頻段內［7-8］，因此對原始響應信號采用0～50Hz低通濾波，經過對比可以看出，濾波以后零點漂移得到了徹底的消除，而信號的幅值和趨勢均沒有發生變化。

圖2 濾波前和濾波后信號對比

在采集到的原始響應信號中刪除對疲勞損傷貢獻較小的信號段及奇異信號［9］，提取每種路面的時域信號并對其進行功率譜分析，圖3所示為在相同車速下共振路、坡道路、砂石路、坑洼路、礫石路閥體附近垂直方向加速度功率譜密度曲線，可以看出，路面引起的振動能量主要集中在30Hz以下的低頻范圍內，以12Hz附近最為集中，在5～30Hz范圍內各種路面的功率譜密度從大到小依次為共振路、砂石路、礫石路、坑洼路、坡道路。

圖3 典型路面功率譜密度

為選取合適的模擬目標響應信號，對同種路面上不同測點垂直方向加速度信號做功率譜密度分析，如圖4所示，曲線1～7分別代表測點AC1～AC7，由路面引起的0.5～20Hz振動頻段內各點功率譜密度差異不大，因而選取本試驗著重關注的DCT閥體附近的AC3測點作為模擬目標響應點。為檢驗迭代后生成的振動載荷譜的模擬精度，選取布置在DCT接插件、TCU位置附近的AC2、AC4測點作為監控點。

圖4 各測點功率譜密度

2 道路模擬試驗驅動信號的生成

為反映DCT在實際車輛上的安裝情況，本文設計了DCT道路模擬試驗安裝系統（圖5），并對整套系統進行了模態分析，保證系統在0～50Hz范圍內沒有共振點。安裝系統主要包括支撐夾具、懸置、驅動電機、角形支架和支撐平板等，驅動電機與變速器通過角形支架與DCT變速器連成一體，驅動電機輸出軸通過聯軸器與DCT輸入軸相連，模擬發動機轉速輸入，以便DCT能夠進行正常換擋；變速器和驅動電機通過原車上的4套懸置安裝在支撐夾具上，4套支撐夾具安裝在液壓作動器支撐的平板上，較好地反映了DCT在實車上的安裝情況。

圖5 試驗臺安裝示意

按圖5所示安裝好DCT后，在試車場采集載荷譜測點的相同位置布置加速度和應變傳感器，用選取的目標響應信號進行模擬迭代。首先通過RPC產生寬帶數字白噪聲信號X（f）作為液壓作動器的輸入，同時采集目標響應點的輸出Y（f），根據下式求解系統的頻響函數H（f）（圖6）：

式中，Sxy（f）為輸入與輸出的互功率譜；Sxx（f）為輸入的自功率譜。

圖6 系統頻響函數

由圖6可以看出，系統頻率響應函數幅頻特性在0～50Hz范圍內有兩個峰值，第一個峰值出現在12Hz附近，第二個峰值出現在39Hz附近。仔細觀察圖6和圖3可以發現，頻率響應函數幅頻特性的第一個峰值點正好是圖3中載荷譜能量最大的頻率點，說明圖3中載荷譜的主要峰值在一定程度上由系統本身的頻率響應特性引起，因此可以通過調整各點懸置參數來改善12Hz附近的頻率響應特性，從而改善DCT的振動情況。

用編輯的目標響應信號和測量的系統頻響函數逆矩陣 H-1（f），按公式X（f）＝ H-1（f）Y（f）計算初始激勵驅動信號X1（f）；用X1（f）驅動系統，通過傳感器回收響應信號Y1（f），將Y1（f）與目標響應信號Y（f）進行比較獲得信號ΔY，通過誤差信號與系統頻響函數逆矩陣計算校正信號ΔX（f）＝H-1（f）ΔY（f）。校正信號 ΔX（f）乘上衰減系數與驅動信號X1（f）相加得到第二次驅動信號X2（f），重復以上步驟，直到響應信號Yn（f）與目標響應信號Y（f）的誤差在可以接受的范圍內為止［2］。用最后一次迭代的驅動信號建立驅動信號文件，圖7所示為試車場工況路和綜合路迭代后的最終驅動信號。

圖7 迭代后的驅動信號

采用圖7所示驅動信號作為激勵信號進行激振，在控制測點重新拾取響應信號，將拾取響應信號與目標響應信號進行時域、頻域的比較［10-11］。圖8為工況路和綜合路模擬響應信號與實際道路行駛信號對比圖，其中，曲線1為采集的實際道路行駛信號，曲線2為模擬響應信號。可以看出，模擬響應信號逼近實際道路采集的目標響應信號，在0～30Hz頻段內兩者幅值及變化趨勢基本一致。盡管模擬信號丟失了部分高頻信息，但由圖3可知，DCT振動載荷譜能量主要集中在0～30Hz的低頻部分，因此DCT振動載荷譜得到了很好的再現。

圖8 模擬響應信號與控制響應信號對比

3 模擬試驗

室內模擬試驗以襄陽試車場實車耐久試驗4萬千米的路面比例和不同擋位換擋次數的試驗數據為依據，對室內道路模擬耐久試驗的路面信息和擋位信息進行分配，將不同路面的驅動信號加載到道路模擬試驗機中進行DCT道路模擬試驗，同時收集監測點信號（圖9）和DCT換擋信號。圖9中，曲線1為試車場采集監測點加速度信號，曲線2為模擬試驗采集相同監測點加速度信號，可以看出，監測點處模擬響應信號與實際響應信號的變化趨勢和幅值在0～30Hz的低頻段吻合很好，只是在高頻部分有一些差異，但高頻部分本身幅值很小，對試驗基本不產生影響。根據在線實時監測道路模擬試驗時DCT換擋的雙離合器壓力、換擋位置等信息，可以方便地分析DCT是否出現換擋故障。整個試驗過程中DCT雙離合器壓力及主壓力都比較穩定，但出現了2次2擋降1擋失敗的現象，通過分析和排查，排除了液壓系統本身故障的因素，確定換擋失敗是由于TCU電源搭鐵接觸不良。

圖9 監測點加速度功率譜密度比較

4 結論

（1）試車場實際行駛信號和室內模擬響應信號對比結果表明，試車場實際行駛信號在室內得到了很好的模擬和再現，本文所建立的試驗系統和試驗方法完全正確，遠程參數控制道路模擬試驗技術可以應用于DCT等自動變速器關鍵零部件室內可靠性試驗中。

（2）分析采集的道路載荷譜和系統頻率響應函數發現，在12Hz附近均出現較大峰值，因此可以通過調整各懸置匹配參數來改善12Hz附近的頻率響應特性，從而改善DCT的振動情況。

（3）本文采用單通道道路模擬試驗系統對DCT關鍵零部件道路模擬試驗方法進行了探索性研究，但為獲得更高的模擬迭代精度，需建立多通道道路模擬試驗系統進行進一步研究。

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