四立柱振動臺架在車輛疲勞實驗中的應用研究

鄒成

北京新能源汽車股份有限公司 北京市 100000

1 相關理論介紹

在涉及到車輛的疲勞耐久性能的時候通常會將車輛的可靠性、耐久性、使用壽命等詞語混為一談，其實這些概念有相同之處但也有不同之處。

耐久性，顧名思義可以理解為持久保持的一項性能。車輛的耐久性可以定義為車輛保持其使用質量以及使用功能所維持的時間。在一定的時間和使用條件之下，車輛的使用者不用對車輛修理或者是更換。在汽車的設計開發的過程中，車輛的結構耐久性是設計所需要關注的問題，同時也是車輛的使用者所關注的，在將車輛投放到市場之前，其耐久性指標需要及格。

對于車輛來說，車輛耐久性可以用功能壽命的年限或者所能夠行駛的公里數來表示。而車輛的疲勞則是指的車輛的某個結構材料在某一應力的作用下，產生裂紋、裂紋擴散直到零部件的某一部位出現脫落或者斷裂的情況。和疲勞相比，車輛的耐久性包含的含義更為廣泛。而可靠性則是指的在某一規定的條件或者時間期限之內車輛所能夠完成的功能指標的概率大小。

車輛疲勞對于車輛性能以及車輛使用壽命的影響直觀重要，近些年來的車輛設計中，車輛疲勞的壽命問題受到越來越多的關注。因為上面提到過機械零部件所受的損傷中有百分之八十左右的損傷都是因為疲勞損壞，因此對于汽車來說，有必要對承受荷載的零部件進行疲勞強度的測試。四立柱臺架誕生于1962年，其應用于多個領域，當然也包括在汽車疲勞測試中的應用。

汽車在道路上行駛的過程中，道路的垂直輸入荷載會導致車上的多個部位，比如車身、車架以及駕駛艙等等多個部件的疲勞損傷，而通過利用四立柱振動臺架應用垂向作動器于車輪之下，對車輛施加壓力來模擬車輛在道路上行駛過程中所承受的荷載，從而模擬真實受力情況，這樣的試驗不僅有效提高了試驗效率，節約了時間還能夠進行多次重復的試驗，因此在汽車疲勞試驗中得到廣泛的應用。

2 車輛零部件疲勞耐久性開發

不管是汽車或者是其他類型的機動車在道路上行駛的過程中，由于路面的不平整而造成對車輛本身有一個路面沖擊荷載，而在行駛的過程中由于車輛會轉彎、加速、剎車等操作會讓車輛本身受到來自于側面轉向力、驅動力以及制動力等方面的作用力。這些作用力加在車輛的身上并且隨著時間的推移也會發生變化。而車輛的發動機本身也是一個振動的源頭，所以受到來自外在以及自身各方面的影響，車輛在行駛的過程中處于復雜環境之中，那么車輛的各個部位的零部件也會受到各個因素產生的應力影響，并且這個影響隨著時間的推移會漸漸的發生變化。表現就是車輛工作一定的時間之后，車輛的某些零部件會產生疲勞損傷，在零部件的表面出現裂紋甚至出現整體斷裂的情況。車輛的零部件損傷有80%左右都是由于疲勞損傷而引起。

自從各種類型的車輛被制造出來的那一天起，就將車輛的疲勞耐久性能作為車輛測試的一個極為重要的性能指標。而在先前的一些汽車廠家在宣傳自家的汽車產品的時候，也會將長距離長時間駕駛的方式來證明自己的汽車具有較高的耐久性以及可靠性。這都是汽車的疲勞耐久性能得以被重視的表現。

3 四立柱振動臺架在車輛疲勞試驗中的輸入信號獲取

車輛內零部件所受到的疲勞損傷主要是由于循環荷載所引起的，因為汽車各個零部件所受到的荷載壓力和汽車的輸入荷載量是成一定的比例關系的，那么在理論上來看如果車輛輸入荷載量相同的情況之下，那么各個部位所承受的疲勞損傷也應該是相同的，那么這樣一來我們汽車疲勞試驗的關鍵就是要精確獲取輸入信號。

四立柱振動臺架在車輛疲勞試驗中獲取輸入信號的途徑有多種，比如將測量特殊路面上垂向位移信號得到的信號作為傳動缸的輸入信號，還可以統計分析道路荷載，一旦荷載信號滿足統計特性那么就可以作為傳動缸的輸入信號。當然這些方法都有其自身的缺陷，因為它們并不能完全的將車輛在實際行駛狀況之下所承受的荷載給還原出來。而MTS工業系統有限公司和INSTRON公司分別提出了RPC技術（一種遠程參數控制技術）和時域波形再現技術，兩種技術迭代之后對車輛在道路行駛過程中特定部位的響應得以完美的再現出來，當模擬值以及目標值符合要求之后則輸入此時的信號作為傳動缸的輸入信號，滿足這樣的條件既可以能夠最大程度的還原汽車在真實道路狀況下的荷載。

圖1 目標部位的加速度信號

圖2 目標部位的位移信號

圖3 均方根誤差、均方根值迭代處理結果

4 RPC技術和時域波形再現技術模擬步驟解析

技術模擬主要包括以下幾個步驟：

①采集道路譜

在需要進行疲勞測試的車輛部位安裝傳感器，然后讓汽車在制定的地點或者道路路段行駛，在此過程中傳感器會采集疲勞測試目標部位的道路荷載值。

②編輯道路譜

根據以上方法到車輛目標部位的道路譜之后，首先對異常的信號進行排除，然后對疲勞測試影響不大的時間段也排除出去，力求讓整個試驗集中于有效的時間段內，以免對整個試驗的效率產生影響。

③求解響應函數

生成隨機信號X然后將其加載到系統中，帶系統輸出Y值，通過X和Y值測算出系統傳遞函數H。

④迭代計算

將目標信號Yt代入公式計算出第一次輸入值X0，將X0加載進入系統之中得到輸出信號Y0，然后再比較輸出信號和目標信號之間的差距，根據此差距對輸出信號進行修正。重復以上步驟，一直到輸出信號和目標信號之間的誤差在允許的范圍之內即可。

5 四立柱振動臺架測試車輛疲勞性能的模擬實驗

以普通的某品牌客車車型為例，對應用四立柱臺架測試車輛的疲勞性能的試驗進行介紹。

5.1 目標信號的獲取

選擇客車前后橋軸頭對車身的位移數據以及前后橋的軸頭Z方向上的加速度作為目標信號來采取。目標信號的獲取如下圖所示，分別是目標部位的加速度信號以及目標部位的位移信號。在客車的四立柱臺架安裝多個方向的加速度傳感器，以此傳感器捕捉到的信號作為輔助的觀察信號。

5.2 迭代運算

在進行試驗的過程中，通過托盤將車輛的四個部位的輪胎分別放置于四個作動器的上方，輸入信號被作動器接收之后引發激勵反應，然后該反應通過輪胎作用在整輛客車上。系統中的輸入信號表示的是作動缸的位移信號，而輸出信號則是車輛前后橋軸頭的位移信號或者是前后橋軸頭的加速度信號。不過需要注意的是在高頻階段的位移信號以及處于低頻階段的加速度信號很容易產生誤差，因此在進行疲勞測試試驗的過程中需要對加速度信號和位移信號進行綜合考慮，并且兩者需要作為跟蹤信號來處理。

5.3 迭代處理結果

通過對目標信號進行多次的迭代處理之后，對目標部位的加速度信號以及實際道路行駛情況下采集到的加速度信號相比較，可以看出兩者相當接近，迭代處理后的均方根誤差控制在10%左右，均方根值誤差控制在5%以內便可以判定為輸入信號和實際道路行駛情況下路面載荷相近，使用這個輸入信號來進行車輛的疲勞試驗的測試，可以等同于真實路面行駛情況下的路面荷載對于車輛疲勞性能的影響。

5.4 試驗結果獲取

通過對疲勞測試試驗中對于客車的車身以及連接部件等部位零部件的觀察可以首先在外觀上判斷客車是否出現了疲勞損傷，在疲勞測試的過程中檢查減震器特性曲線，判斷其性能是否出現了衰退，并且根據加速度信號分析整個車輛的平順性等等。

6 結語

本篇文章通過以某品牌的常規客車為試驗對象，對四立柱振動臺架在車輛疲勞性能測試中的應用進行了簡要的介紹，并且應用了一種能夠擺脫實際道路行駛測量車輛疲勞性能的試驗方法，通過在室內進行試驗，可以對車輛的零部件以及車輛整體做道路模擬，并且能夠有效的加快試驗的進程，提高試驗效率，這樣也在一定程度上對于車輛的研發提供了及時有效的參考，從而縮短車輛新車型的研發周期，并且能夠對車輛在設計、開發以及改善等方面提供有力的科學依據。