汽車動力總成懸置耐久試驗載荷譜研究

張 平，王海沛，段小成，葉必軍

(1.上海汽車集團股份有限公司 乘用車公司，上海 201804；2.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201；3.寧波拓普集團股份有限公司，浙江 寧波 315800)

汽車動力總成懸置耐久試驗載荷譜研究

張 平1，王海沛2，段小成3，葉必軍3

(1.上海汽車集團股份有限公司 乘用車公司，上海 201804；2.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201；3.寧波拓普集團股份有限公司，浙江 寧波 315800)

以某轎車動力總成懸置系統為研究對象，對其道路載荷譜進行了處理分析，并基于懸置系統偽損傷進行了編輯，以達到耐久試驗加速的目的。通過試驗迭代控制技術，臺架復現了動力總成懸置在試驗場各工況下的載荷。懸置系統在MAST試驗臺架進行了道路模擬耐久性試驗。試驗表明，所采用的方法可成功用于動力總成懸置的耐久性試驗。

懸置；道路模擬；迭代；數據處理；耐久試驗

室內道路模擬試驗具有周期短、安全可靠、可控性好、重復性強和精度高等特點[1]。通過迭代控制技術，可復現整車、系統總成及零部件在道路上承受的實際載荷。

本文以動力總成懸置系統布局方式為三點支承(即發動機懸置、變速箱懸置和后懸置)的某轎車為研究對象，采集試驗場各工況載荷譜并對其進行處理、分析、編輯和迭代，最終獲得多軸模擬試驗系統的驅動信號，在短時間內再現動力總成懸置系統在試驗場的失效形式。

1 多軸模擬試驗臺介紹

多軸模擬試驗臺(Multi-axial Simulation Table，MAST)系統模擬車輛縱向、側向和垂向等3個方向的平動，以及側傾、俯仰和橫擺等3個方向的轉動，能夠精確模擬汽車在實際運行中的振動環境[2]。

MAST試驗臺適用任何一種可從整車借助一些彈性零部件分離的總成及零部件的測試[3]，如用于儀表板、座椅系統、保險杠、發動機懸置、油箱和水箱等部件的試驗[4]，通過對臺面的控制來再現在真實工況下試件的位移、加速度、力或應力等。

目前，MAST試驗臺的液壓缸布局方式主要有2種：一種是最傳統的正交式，即在Z軸(垂向)上布置3個液壓缸，在X軸(縱向)和Y軸(側向)上分別布置1個和2個液壓作動器，其主要振動輸入來自于垂向，縱向和側向振動輸入相對小一些[5]；另一種為六桿并聯式，該系統由3個相錯60°角的等邊三角架組成，每個三角架的頂點與2個低點由液壓缸相連接，其機械結構緊湊，縮小了設備安裝空間，同時還提供了更大的平移距離和旋轉角度[6]。本文應用美國MOOG公司的MAST試驗臺(見圖1)，該設備為典型的六桿并聯式，另外附帶1臺扭矩輸入設備，共同組成動力總成懸置道路模擬試驗系統。

圖1 美國MOOG公司MAST試驗臺

2 道路載荷譜采集

為獲得懸置系統真實的載荷情況，按規范要求采集某試驗場25種典型的工況(包括石塊路、坑洼路、市區工況、加速、制動和轉彎等)。為盡量消除偶然因素和駕駛人駕駛習慣的影響，在試車場道路載荷譜采集中，由3名駕駛人分別進行采集，每人采集5個循環[7]。

臺架迭代控制信號根據下述原則來選取，道路載荷譜中高頻信號主要來源于石塊路，頻率為0.5～40 Hz，利用加速度進行模擬控制；而低頻信號主要來源于汽車加速、制動產生的縱向力及汽車轉彎時產生的側向力，利用力和位移進行模擬控制。考慮現實狀況，本次道路載荷譜采集選擇的位置見表1。

表1 道路載荷譜采集位置

力傳感器采集動力總成懸置承受3個方向(即X、Y、Z向)的載荷，其作用如下：一方面，進行試驗場與臺架迭代響應信號的相關性分析，驗證臺架迭代精度；另一方面，將懸置載荷信號作為迭代控制的目標信號。有時也可利用應變片代替采集懸置承受的載荷。采集的車身加速度作為迭代控制的目標信號，控制車輛的運動姿態，GPS信號用來監控車輛運行速度。

3 數據分析處理

本次試驗運用nCode軟件對試驗數據進行處理、分析、計算和編輯等操作處理。

3.1 道路載荷譜預處理

數據分析前要選取有效的時域信號，首先對原始時域信號的各通道進行預處理，主要包括異常信號剔除，去除漂移以及一些不能代表試驗真實載荷水平的信號。

異常信號有如下情況。

1)尖刺點。一般由于電干擾或意外的物理撞擊所引起。在坑洼路工況(簡稱B工況)中由于車輛受到意外撞擊，后懸置X向載荷達到-14 000 N，根據同種工況的歷史數據判定其為尖刺信號(見圖2)，應予以剔除。

圖2 異常信號

2)噪聲信號。主要由傳感器松脫、電纜磨損或接頭損壞產生，其特征數據值偏離中心比較嚴重。

3.2 載荷譜分析

在實際使用環境中，汽車結構受到的載荷大多屬于隨機載荷。對于隨機載荷，主要采用時域、頻域及雨流域等統計分析方法[8]。

3.2.1 時域分析

時域分析主要通過各通道的統計值進行分析，包括最大值、最小值、均方根值、峰值因數和偽損傷值等，峰值因數(CF)公式如下：

CF>6意味著數據中可能存在毛刺或其他不規則干擾。

通過各通道時域統計值判斷信號的一致性和有效性，并且可以作為迭代效果的驗證參考。

3.2.2 頻域分析

頻域分析是獲得各通道時間歷程信號幅值的均方值隨頻率的分布，得到不同頻率下載荷能量分布的功率譜密度圖。由于其保留了載荷的全部信息，因而被認為是一種較精確、嚴密的載荷統計方法[9]。

石塊路工況(簡稱A工況)發動機懸置Z向頻域圖如圖3所示，能量主要集中在≤35 Hz的頻率范圍，B工況發動機懸置X向頻域圖如圖4所示，能量主要集中在≤16 Hz的頻率范圍；因此，對兩種工況進行不同的頻域段的濾波處理。安裝在MAST試驗臺架上的樣件承受慣性反力，無法復現低頻大位移信號，所以A工況發動機懸置Z通道濾波頻率為0.5～35 Hz。而扭矩輸入設備聯接的樣件承受固定反力，可復現低頻信號，所以B工況發動機懸置X通道濾波頻率為0～16 Hz。

圖3 A工況發動機懸置Z向頻域圖

圖4 B工況發動機懸置X向頻域圖

4 數據編輯

在試車場采集的數據中，并不是所有的載荷都對試件壽命產生等量破壞(某些載荷也許不會對破壞產生影響)。如果能夠通過對數據的編輯，將信號中對試件破壞沒有影響的載荷剔除，這樣就可以縮短試驗周期。

4.1 刪除損傷貢獻小的工況

利用nCode軟件損傷模塊計算各工況所關注通道的偽損傷值，統計其占該通道整個耐久試驗周期的比例(見表2)，市區工況(簡稱C工況)關注通道損傷貢獻比例很小(接近于0%)，可將其排除掉。最終損傷貢獻相對較大的工況剩下16組。

表2 C工況各通道損傷貢獻比例

4.2 刪除損傷貢獻小的信號

基于試驗所關注的通道，將信號中對試件破壞沒有影響或影響較小的載荷剔除。目標是保證編輯后的數據能夠保留原始數據所對應試件疲勞損傷值的90%以上。利用nCode軟件計算偽損傷，識別出各通道損傷較小的時間片段并記錄下來，通過二次編輯，刪除損傷較小的載荷信號，刪減的片段需同時應用于所有的數據通道，以保證各通道信號的原始相位關系保持一致(見圖5)。編輯后的信號之間采用0.1 s的SineOverlap進行平滑處理，避免信號突變，保證迭代的收斂。

圖5 A工況下懸置時域信號編輯

編輯信號時需注意如下幾點：1)保留必要的極端(瞬態)路面；2)根據各工況的特征，編輯后的路面總長度應不少于原路面長度的一定比例，以避免過分取舍和強化而引起信號失真；3)避免產生附加損傷。

驗證編輯數據的效果，將編輯數據的每個通道偽損傷值、最大值、最小值、PSD與原始數據進行比較。偽損傷值需保留>90%，PSD損失<20%，最大值、最小值均保持不變。通過數據的編輯將310 h的耐久試驗壓縮到210 h。

5 迭代計算

迭代一般分為如下幾步：系統識別、建立逆向模型及產生初次驅動信號、迭代。

5.1 系統識別

在臺架上對整個試驗系統施加激勵，建立驅動信號同試驗系統響應信號的數學模型，目的是獲取系統的傳遞函數或頻響函數。

設置白噪聲(驅動信號)各通道屬性(見圖6)，包括頻率下限(lower cut-off frequency)、能量開始衰減頻率(break frequency)、能量衰減速率(exponent)和頻率上限(upper cut-off frequency)。根據經驗，位移控制形式的能量衰減速率一般設置在1.5～2單位；然后，設置白噪聲信號的幅值分布，白噪聲的時間越長，傳遞函數越精確，但不宜過長，100 s即可。運行白噪聲，計算試驗系統的頻響函數。

圖6 白噪聲頻率成分曲線

5.2 建立逆向模型及產生初次驅動信號

建立逆向模型，試驗系統的響應作為輸入，液壓缸的驅動作為輸出；使用逆向模型，計算液壓缸的初次驅動信號，從而實現一組特定的試驗系統響應目標。

5.3 迭代控制

臺架控制頻帶寬度的設置范圍應大于目標信號的頻帶寬度。迭代過程中最關鍵的操作是設置gain值(即增益系數)。gain值的設置取決于系統的線性程度，初次迭代時gain值應盡量設置小一些(0.3～0.5)。如果迭代不收斂，可調整gain值來解決。某些通道之間存在耦合相互影響現象，可通過調整gain值進行協調，如進行B工況迭代時，后懸置X向迭代響應超出，而Z向未達到目標值，Z向迭代響應的增長促進X向載荷的繼續加大，這種情況需抑制X向增益，通過調整X向gain值到0.1，迭代最終收斂。gain值可分別在頻域或時域進行控制，保證在某個時間段或某個頻域段的增益減小。

5.4 迭代精度評價

迭代精度的評價方法包括時域、頻域和偽損傷值等的前后比較。

5.4.1 時域評價

時域評價(見圖7)除感官判斷外，均方根值的比較也是一種判斷迭代收斂的參考標準，一般迭代響應均方根值與目標響應均方根值的比值達到±90%可以接受。在完成13次迭代后，認為精度基本達到要求，保存驅動信號，作為后續耐久性試驗的驅動譜。除均方根值評價外，迭代響應的最大值、最小值也作為判定迭代效果的依據(見圖8)。

圖7 迭代響應與目標響應時域比較

圖8 迭代響應與目標響應最大、最小、均方根值比較

5.4.2 頻域評價

迭代響應與目標響應的頻域比較如圖9所示，主要的頻域段基本一致，證明迭代點頻域的模擬精度比較好。

圖9 迭代響應與目標響應頻域比較

5.4.3 偽損傷評價

25種典型的工況中，9組工況載荷較小，對零件產生的總損傷較小。為縮短試驗時間，現統計其余16組工況中關注通道的總偽損傷值。從統計保留的比例(見表3)看，各通道迭代保留的損傷都應在50%～200%。每種工況都有一些重點關注的通道，如制動工況縱向貢獻損傷的比例較大，迭代時需重點關注，以保證最終保留損傷可接受。

表3 臺架迭代響應總損傷保留比例

編輯耐久試驗路譜序列，保證每種工況連續運行不能超過3遍，大載荷與小載荷工況穿插運行，避免極限工況集中出現。

在懸置系統進行總載荷序列的121%時，發現變速箱懸置主簧斷裂，而在試驗場試驗行駛總載荷125%時也發生主簧斷裂現象。試驗表明，可以通過MAST道路模擬試驗，在短時間內再現懸置系統在試驗場的失效形式。

6 結語

1)探討了如何從時域、頻域角度處理分析道路載荷譜，基于偽損傷值對道路載荷譜進行了編輯，將試驗時間減少為原來時間的68%，達到了耐久試驗加速的效果。

2)討論了試驗迭代控制參數的設定、迭代精度的評價原則，對其他整車、總成及零部件等多通道試驗臺架迭代控制具有參考意義。

3)對于動力總成懸置而言，通過迭代控制技術在MAST試驗臺上能夠正確、快速地模擬在道路上的振動特性，快速復現了懸置系統在試車場的失效形式，為動力總成系統的設計和改進提供了驗證手段和參考依據，縮短了試驗周期，降低了試驗費用，并為進行開發試驗質量分析零件提供了研究思路。

[1] 梁映珍, 周鋐, 王二兵, 等. LMS系統在整車室內臺架道路模擬試驗中的應用[C]//2010年LMS中國用戶大會論文集. 成都: LMS公司, 2010.

[2] 杜建國. 某客車動力總成懸置系統振動解耦優化設計[J]. 新技術新工藝, 2014(2): 40-41.

[3] Dodds C J. Structural testing of complete vehicles, aggregates and components in the laboratory[M]. Scotland: Dodds and Associates, 2007.

[4] 易明. 臺架模擬轎車車頭子系統道路載荷譜的方法研究[D]. 上海: 同濟大學, 2003.

[5] 段魯男. 中國汽車工程學會年會論文集[C]//北京:中國汽車工程學會, 2007:343-346.

[6] 穆格公司. 穆格(MOOG)向著名汽車頂架制造商拓樂公司(Thule)提供多軸振動試驗平臺[EB/OL]. [2008-09-05]. http://www.chinaauto.net/daily_express/qy/2008-09-05/298204.htm.

[7] 彭為, 靳曉雄, 孫士煒. 道路模擬試驗中道路載荷譜的選擇方法[J].上海工程技術大學學報, 2004,18(1): 6-9.

[8] 《汽車工程手冊》編輯委員會. 汽車工程手冊(試驗篇)[M]. 北京:人民交通出版社, 2000.

[9] 卿宏軍, 等.某轎車結構載荷譜采集與分析[J].湖南大學學報：自然科學版, 2012, 39(12):32-36.

責任編輯鄭練

AStudyontheLoadingDatafortheDurabilityTestofVehiclePowertrainMount

ZHANG Ping1, WANG Haipei2, DUAN Xiaocheng3, YE Bijun3

(1.SAIC Motor Passenger Vehicle Co., Ltd., Shanghai 201804, China; 2.Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd., Shanghai 201201, China; 3.Ningbo Tuopu Group Inc., Ningbo 315800, China)

A certain vehicle powertrain mount system is taken as studying object to process and analyzing road load data, according to the pseudo damage to edit the loading data, we can accelerate durability test. By the iteration control technique test, the loading of the powertrain mount on the proving ground under different conditions in the rig reappears. Powertrain mount durability test is conducted with MAST test rig. The results show that the proposed method is effective for powertrain mount durability test.

mount, road simulation, iteration, data processing, durability test

U 463.33

:A

張平(1979-)，男，工程師，主要從事汽車動力總成懸置系統及車架系統設計等方面的研究。

2015-04-20