四通道臺架試驗臺在整車疲勞分析中的應用

董強強，柴保明，趙志強，吳治南，陳景禮

（1.河北工程大學機電工程學院，河北邯鄲 056038；2.中國汽車技術研究中心，天津 300300）

隨著汽車產銷量的飛快增長，車輛的疲勞耐久性已成為車輛生產廠商和消費者重點關心的問題之一。因為質量好的產品，才能夠經久耐用和得到消費者的歡迎［1－2］。行駛中的汽車走過各種不同的路面，因此承受各種不同工況的載荷，并且還承受著驅動力、轉向側向力和制動力等的作用。這些力載荷一般情況下都隨著時間的變化而發生變化。在這種變載荷作用下車身結構產生瞬態應力，引起疲勞破壞［3］。此外，主要振動源還包括汽車的發動機。由此可知汽車行駛的環境是相當復雜的，它的零件一般都受到實時變化的應變和應力的作用。行駛一定里程之后，部分零部件就可能會發生疲勞破壞，出現斷裂或裂紋。據統計，汽車80%以上零部件的損壞都屬于疲勞損壞。在現在日益激烈的競爭形勢下，耐久性試驗在汽車產品開發過程中所占有的地位越來越重要，并且取得了很大的發展，成為一項相當復雜的技術［4］。

汽車可靠性試驗按照試驗方式可分為3類：道路耐久試驗，臺架道路模擬試驗和試驗場耐久性試驗［5］。在1920年以前，轎車、卡車的性能和耐久性試驗都在公共道路上進行［6］。四通道振動臺架自從1962年首次問世以來，在汽車的疲勞測試領域中得到了廣泛的應用［7］。目前車身強度的評價基本上都是建立在臺架試驗和道路試驗相結合的基礎上的［8］。在車輛道路行駛過程中，車架、車身、駕駛艙等部件的疲勞通常由路面的垂直輸入載荷所引起，四通道振動臺架通過在車輪下使用垂向作動缸施加激勵來模擬，很好地復現了顛簸路面，所以主要考察車身方面的疲勞。而且它能做到加速疲勞的效果，因此效率高［9］。

1 四通道試驗臺原理和流程

1.1 臺架原理

依據疲勞分析理論，循環載荷引起疲勞損傷，所以在相同的載荷輸入下，損傷積累理論上也應該是相同的，因為汽車的輸入載荷信號基本上與汽車各部位所承受的載荷成比例［10］。因此車輛疲勞試驗的關鍵在于獲取準確的輸入信號。四通道振動試驗臺獲得輸入信號的途徑有多個，可以通過在不同工況的路面上測量垂向位移信號作為臺架的輸入信號，也可以對道路載荷進行統計分析，得到滿足統計特性的測試信號作為臺架的輸入信號。然而以上方法都有一定的局限性，不能夠完全還原車輛在實際道路上行駛的狀況。在現代試驗技術的不斷發展下，遠程參數控制技術（remote parameter control，RPC）由MTS公司提出，同時德國IST 公司提出了時 域 波 形 再 現 技 術（time waveform replication，TWR），通過迭代，測量出車輛上目標點在振動臺激勵下的響應，當測量值和目標信號擬合度達到要求時，這時的輸入信號作為作動缸的驅動信號，從而可以精確地再現實際工況下的行駛狀況。圖1為德國IST 的四通道臺架試驗臺。

圖1 四通道臺架試驗臺Fig.1 4－poster

1.2 試驗流程

試驗詳細流程可分為安裝傳感器進行試驗場路譜采集；路譜信號編輯處理；車輛配載上架及傳感器的連接；進行TWR 迭代得到臺架驅動信號；對每條路的驅動信號根據試驗要求進行排序和加循環，編輯出試驗運行的程序，并且規定運行時間；運行試驗程序，并觀察記錄問題出現的部位和時間。

2 四通道試驗臺信號采集、處理及迭代

2.1 路譜采集

試驗車的4個軸頭處安裝加速度傳感器或者4個車身減震器上端安裝加速度傳感器，與減震器平行在車身和軸頭處安裝位移傳感器，如圖2所示。車輛滿載在試驗場進行路譜采集，其中包含了多種工況，如波形路、扭曲路、坑洼路等。通過測試過程中標記的邏輯信號就可同步將所有通道的信號按不同特征工況進行分割。

圖2 加速度傳感器和位移傳感器Fig.2 Acceleration sensor and the displacement sensor

2.2 路譜信號編輯

對試驗場采來的原始信號進行編輯處理，將從試驗場采集來的信號，首先在ncode中打開觀看是否有異常突出的點，因為車身加速度一般在10 g以下，軸頭加速度一般在20g以下。然后是濾波，將50 Hz以上的波濾掉，因為車輪跳動一般在50Hz以下。最后，進行路譜分段截取，因為試驗場采集的所有路譜在一個信號文件里，要將每段不同的路譜從里面截取出來，并且刪除過渡路的路譜信號。

2.3 迭代

迭代路線如圖3所示。

傳遞函數計算：

首先將通過參數設置生成1個50Hz以下的白粉噪聲信號X（s）作為輸入，然后測量出目標點的值Y（s）（位移或加速度），從而求得傳遞函數F（s）：

圖3 迭代路線Fig.3 Iteration route

作動缸輸入信號類型是固定的那就是位移信號；輸出項一般選用軸頭與車身的位移和軸頭加速度，因為位移信號能夠很好地響應低頻，加速度能很好地響應高頻。所以從試驗場采集的位移信號和加速度信號作為需要逼近的目標信號。然后由傳遞函數的逆函數F－1和試驗場采集得到的路譜（位移與加速度信號）Ym，可以求得作動缸初始驅動信號X0［11］：

用X0驅動作動缸振動車輛，車上的傳感器測得所有輸出通道的響應，記為Y0。然后將Y0與Ym比較，如果比較吻合，X0就是最終所需要的驅動信號；如果吻合不好，則進行第1次迭代，通過式（3）計算得到X1：

然后將X1輸入給臺架，得到輸出響應Y1，再將Y1與Ym比較，如滿足比較吻合則迭代結束，如果吻合不好則進行第2 次迭代。以此類推，對于n次迭代后吻合度符合要求的驅動信號為

3 四通道試驗臺在疲勞分析中的應用

對已采集好路譜信號的某轎車進行臺架試驗。

3.1 響應信號采集

在車子上了臺架之后，用試驗場試驗時已裝好的軸頭與車身位移傳感器和軸頭加速度傳感器（如果已拆下則重新安裝）進行響應信號采集。而車身減震器上端粘貼加速度傳感器可用于試驗監測，通過不斷對比監測信號發現車是否出現問題（主要能判斷減震器是否出現問題）。采集的四路位移和四路軸頭加速度信號如圖4所示。

圖4 位移與加速度信號Fig.4 Displacement and acceleration signals

3.2 迭代方式

IST 四通道試驗臺是輪耦合試驗臺。試驗臺有4個作動缸，每個作動缸上有個托盤，試驗時，將車開到4個托盤上。將驅動信號輸入給臺架系統使作動缸產生相應的激勵，通過托盤輪胎施加到整車身上。因為系統的輸入信號是作動缸的位移信號，輸出信號就是軸頭與車身的位移信號和軸頭的加速度信號。然而加速度信號在低頻階段和位移信號在高頻階段的響應不敏感，所以試驗中要根據不同類型的路況和不同頻率段綜合考慮位移信號以及加速度信號在迭代中權重比例，同時將采集的位移信號和加速度信號作為目標跟蹤信號。

3.3 迭代結果

經過幾次迭代后，將試驗場采集的加速度與位移信號和在臺架上采集的目標點信號對比，二者在時域、頻域上接近，在穿級統計結果中也很接近，迭代結果的均方根誤差與目標信號均方根比值在10%以內（當車的狀態沒有變化時，如配載和傳感器都與在試驗場時的一樣也能到達1%以內），反饋信號均方根值與目標信號的均方根值之比接近100%時（如圖5所示），可以認為此時的驅動信號可以很好地模擬實際道路情況，用這樣的驅動信號進行四通道臺架試驗和在試驗場跑對車輛疲勞的程度基本一致。然后將驅動信號編輯成試驗所需的循環程序，拆掉軸頭加速度傳感器和位移傳感器，只留車身加速度傳感器作為監控，開始進行疲勞試驗。

3.4 觀察結果

試驗過程當中可以用肉眼觀看車門、艙蓋、輪胎、連接件等部位較明顯的破壞，看其是否出現開裂、磨損、干涉等問題。試驗的中期與后期的階段性整車拆解檢查，通過顯影劑來發現車身哪些焊點出現不同程度開裂。對于減震器，如果漏油可以肯定地判斷它出現問題，如果它的特性衰減可以通過對比車身加速度監測信號判斷，如果車身加速度頻繁超過車試驗初期采集的加速度信號上限，則一般是減震出現問題。最后記錄破壞部位與時間。圖6為試驗進行180h后進行最后拆解檢查時焊點的開裂情況。

圖5 均方根誤差、均方根值迭代結果Fig.5 Result of RMS error and RMS meas

圖6 焊點開裂Fig.6 Solder joint cracking

4 結 語

本文通過對德國IST 四通道試驗臺的原理和應用的介紹，展示了一種室內臺架試驗的方法。其中模擬實際道路誤差在可接受范圍內，通過這種方法很好地考察了整車的疲勞耐久性（主要對車身考驗），事實證明這種方法縮短了開發周期，而且達到了道路疲勞試驗的效果。記錄的破壞部位和時間還可以給cae疲勞分析進行驗證。

／References：

［1］ 王秉剛.汽車耐久性工程方法［M］.北京：機械工業出版社，1991.WANG Binggang.Automotive Durability Engineering Methods［M］.Beijing：China Machine Press，1991.

［2］ 李 飛.轎車轉向節耐久性壽命預測研究［D］.長春：吉林大學，2010.LI Fei.Research on Life Prediction of Passenger Car′s Steering Knucklefor Proving Ground Durability Experi ment［D］.Changchun：Jilin University，2010.

［3］ 張義民.汽車零部件可靠性設計［M］.北京：北京理工大學出版社，2000.ZHANG Yimin.Car Parts Reliability Design［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2000.

［4］ PAYER E.Simulation techniques for fatigue and NVH optimization of motor sport engines［J］.SAE Paper，1996－02－501.

［5］ 明平順，李曉霞.汽車耐久性理論［M］.北京：機械工業出版社，2003.MING Pingshun，LI Xiaoxia.Car Durability Theory［M］.Beijing：China Machine Press，2003.

［6］ 王霄鋒.汽車可靠性工程基礎［M］.北京：清華大學出社，2007.WANG Xiaofeng.Fundamentals of Automotive Reliability Rngineering［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2007.

［7］ 劉漢光，董栓牢.IVECO 客車整車疲勞臺架試驗研究［A］.中國汽車 工程學會2003 學術年會［C］.［S.l.］：［s.n.］，2003.809－812.LIU Hanguang，DONG Shuanlao.IVECO passenger vehicle fatigue bench research［A］.Chinese Societ of Automotive Engineers 2003Annual Conference［C］.［S.l.］：［s.n.］，2003.809－812.

［8］ 王 攀.SC6350白車身疲勞壽命臺架試驗方法的研究［D］.重慶：重慶大學，2004.WANG Pan.SC6350BIW Bench Research Methods of Fatigue Life［D］.Chongqing：Chongqing University，2004.

［9］ COLIN J D.Structural testing of complete vehicles，agregates and components in the laboratory［J］.Dodds and Associates，2007.

［10］ MUDDIMAN M W，MOORE G R.Structural Correlation of Automotive Proving Ground to Dhina Customer Field Usage［M］.［S.l.］：UltiTech Corporation，2003.

［11］ HELMUT D，MEISE M.Integrating virtual test methods and physical testing to assure accuracy and to reduce effort and time［J］.SAE Paper，2006－01－3563.