汽車托運平板車輛的模擬試驗方法研究

范 璐，李晨陽，吳佳巍，趙尤蕾，何 海，吳 偉

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

前言

大多數車輛零件的失效形式為疲勞破壞，因此疲勞耐久試驗是整車開發流程中最關鍵的環節之一。試驗室模擬技術以其試驗時間短、高重復度等優勢，吸引了各大整車廠和高校紛紛投資建設。

許多車型在運輸過程中均發生過零件失效問題，因此運輸過程中的零件失效問題不容忽視。過去幾十年間，學者們主要關注于室內道路模擬試驗[1－3]，但對室內運輸模擬試驗研究甚少。運輸模擬試驗可在項目開發的前期快速發現車輛零件在運輸過程中的疲勞失效問題，主要包括零件干涉磨損、排氣管吊耳脫出和扭力梁開裂等。此類失效不能通過道路模擬試驗復現。運輸模擬試驗分為汽車托運平板車輛(公路)運輸、鐵路運輸和水路運輸等模擬試驗。通用汽車公司北美試驗室建造了兩臺標準運輸模擬試驗臺架，一臺用于汽車托運平板車輛運輸模擬，另一臺用于鐵路和水路運輸模擬。福特公司開發了鐵路運輸仿真模型，并在福特工程研究中心建成了鐵路運輸模擬試驗臺架[4－5]。克萊斯勒公司和溫莎大學也具有鐵路運輸模擬試驗的能力[6]。從國內而言，70%以上的車輛運輸方式都是汽車托運平板車輛運輸，因此研究汽車托運平板車輛運輸模擬試驗的意義重大。

本文中探索出了一套完整的汽車托運平板車輛模擬試驗方法，并在MTS329設備上進行改造，加裝運輸模擬平板，建成國內首個汽車托運平板車輛模擬試驗臺架。從數據采集到耐久試驗，探討了該模擬試驗方法，通過實車試驗的結果驗證了汽車托運平板車輛模擬試驗方法的有效性。

1 信號采集

運輸模擬試驗主要包括汽車托運平板車輛運輸信號采集、信號編輯處理和實車試驗等。通過對運輸平板加速度信號進行迭代，模擬復現出運輸平板的運動。利用臺架試驗重復性好、精度高和不受環境影響等優點，能在短時間內快速發現零件失效問題。

汽車托運平板車輛運輸信號采集所選的路線需足夠多，且能充分反映我國運輸路面。結合上汽通用4大生產基地和6大倉儲中心的現狀，從中選取車輛運輸最為頻繁的14條路線進行數據采集。這14條路線的基本情況見表1。為了最嚴苛地考核車輛零部件在汽車托運平板車輛運輸過程中的疲勞耐久性，選擇運動最劇烈的上層平板最后排一輛車作為考核對象，采集該處運輸平板的加速度信號，用于后續臺架試驗迭代。

表1 運輸路線匯總

為準確地反映平板的運動狀態，安裝4個三向加速度傳感器，分別位于車輛的左前方、右前方、左后方和右后方，共采集12個通道的加速度信號。傳感器安裝位置的俯視圖如圖1所示，其中A表示前后傳感器的間距；B表示左右傳感器的間距。

2 信號處理

信號處理流程如圖2所示。

圖1 傳感器位置圖

圖2 信號處理流程圖

直接由運輸平板上加速度傳感器所測得的信號稱為原始信號。根據原始信號頻譜分析，運輸模擬試驗只關心10Hz以下的低頻信號，為除去干擾信號，需要對原始信號進行濾波處理。信號采集的樣本點有14條路線，而每條路線中由于受運輸平板開槽位置的影響，加速度傳感器安裝間距A值和B值無法統一，因此需要通過加速度坐標轉換，統一所有線路的A值和B值。轉換后，A值為3.2m，B值為2.1m。轉化后的加速度信號稱為基準信號。

為縮短耐久試驗時間，根據加速度信號各幀最大方差值和最大絕對值設定閾值，剔除能量貢獻量較小的信號，保留下來的信號稱為編輯信號。對基準信號共14個樣本點進行穿級計數，歸一化至1 000km同等里程后，根據正態分布算出其95%分位線。編輯信號的統計特征，即其穿級計數須與基準信號的95%分位線一致。以各樣本點編輯信號的循環次數為未知數，編程匹配基準信號95%分位線。匹配效果見圖3～圖5，由于信號較多，一共有12個加速度通道，這里只截取部分通道展示。前面已經剔除了能量貢獻量較小的信號，所以在小幅值區域編輯信號的計數小于基準信號。

圖3 左前縱向加速度匹配效果圖

圖4 左前側向加速度匹配效果圖

圖5 左前垂向加速度匹配效果圖

3 試驗臺架搭建

汽車托運平板車輛運輸模擬試驗臺架是在MTS329設備基礎上，拆除制動部件的連接，加裝運輸模擬平板，重新編輯臺架控制模式而搭建的。在運輸模擬平板的指定位置分別安裝4個三向加速度傳感器用于試驗迭代，其A值和B值分別與第2節中轉換后的A值和B值一致。

臺架控制的難點在于既要模擬出平板的真實運動姿態，又要保證運輸模擬平板的內力不能過大，防止平板開裂。因此在設置臺架控制模式時，必須同時考慮液壓缸的位移和力的控制。試驗臺架一共有12個驅動，具體說明見表2。

表2 運輸模擬試驗臺架驅動

試驗臺架如圖6所示。試驗時，車輛通過專用綁帶固定在運輸模擬平板上。為增加綁帶的摩擦力，防止試驗過程中與車輪脫離，需在綁帶與車輪之間增加特制的橡膠塊。

圖6 試驗臺架

4 實車試驗

實車試驗主要分為模型辨識、信號迭代和耐久試驗3個部分。

4.1 模型辨識

運輸模擬試驗系統模型包含試驗車輛、運輸模擬平板、液壓缸、控制器和傳感器等。模型辨識采用頻率響應函數法，即給定一個白噪聲激勵信號，測出臺架系統由此產生的響應信號，再通過式(1)求出系統模型。

式中:H(f)為系統模型；Gyx(f)為響應信號和激勵信號的互功率譜；Gxx(f)為激勵信號的自功率譜。

4.2 信號迭代

信號迭代的目的是得到液壓缸的驅動信號，使臺架的運輸模擬平板在此驅動信號的激勵下所產生的加速度響應與實際數采時的響應一致。

如果整個系統是線性的，則此驅動可通過式(2)得到。

式中:X(f)為驅動信號譜函數；Y(f)為目標響應信號譜函數。

但真實的運輸模擬試驗系統是非線性的，故須通過迭代的方法，逐步使系統響應信號與迭代目標信號一致。迭代的過程如圖7所示。

圖7 迭代流程圖

通常迭代質量評價指標包括響應信號均方根值誤差、相對能量對比、幅值對比和功率譜密度對比等。均方根值誤差表示各通道的收斂情況，其計算公式為

式中:ε為均方根值誤差；RMS(yr(t))為響應信號均方根值；RMS(yd(t))為迭代目標信號均方根值。

應用MTS公司的RPC軟件[7]對運輸模擬試驗系統進行迭代，取得了很好的迭代效果。圖8為迭代的均方根值誤差結果。由圖8可見，隨著迭代步數的增加，時域上系統響應信號與迭代目標信號越來越接近，均方根值誤差越來越小。

圖8 均方根值誤差

相對能量的計算公式為

式中:E為相對能量；a(t)為加速度信號。表3對比了系統垂向最終響應信號的相對能量和迭代目標信號的相對能量，相對能量比滿足迭代要求。

表3 信號能量對比

圖9～圖12為迭代前后垂向加速度功率譜密度對比。由圖可見，頻域上系統最終響應信號的功率譜密度曲線與迭代目標信號的功率譜密度曲線非常接近。由于運輸模擬的主要振動方向為垂向，鑒于篇幅限制，這里僅選取垂向功率譜密度信號對比。

從以上幾個迭代質量評價指標來看，迭代結果滿足要求。

圖9 左前垂向加速度功率譜密度對比

圖10 右前垂向加速度功率譜密度對比

圖11 左后垂向加速度功率譜密度對比

4.3 耐久試驗

圖12 右后垂向加速度功率譜密度對比

得到滿意的驅動信號后便可開始耐久試驗。分別算出基準信號95%分位的能量和迭代最終響應信號的能量，其比值即為耐久試驗的循環次數。由于各通道的比值略有差別，這里選取各通道比值的算術平均值作為最終耐久試驗的循環次數。

耐久試驗結束后，檢查車輛零件，發現排氣管吊耳襯套磨損，與實際運輸過程中零件的失效形式一致，證明了試驗方法的有效性。

5 結論

總結了汽車托運平板車輛模擬試驗數據的采集與編輯處理流程，論述了完整的臺架試驗方法。與國外造價昂貴的標準運輸模擬試驗臺架相比，該運輸模擬試驗臺架是在MTS329設備基礎上改造而成，成本較低，對于很多擁有MTS329設備的整車廠和高校具有一定指導意義。

[1] 沈宏杰，周鋐.汽車零部件道路模擬加載譜研究[J].汽車工程，2010，32(2):159－142.

[2] 錢立軍，吳道俊，楊年炯，等.基于室內道路模擬技術的整車加速耐久性試驗的研究[J].汽車工程，2011，33(2):91－96.

[3] 曾發林，阮洋，李建康.道路載荷譜采集可靠度評判方法的研究與應用[J].汽車工程，2016，38(1):91－96.

[4] GAUSEWITZE A.Rail transit simulation[C].SAE Paper 810283.

[5] LOH W Y.Computer-based modeling and simulation for vehicle rail shipping impact analysis[C].SAE Paper 960520.

[6] XU P J，WONGD，LEBLANCP，et al.Road test simulation technology in light vehicle development and durability evaluation[C].SAE Paper 2005－01－0854.

[7] DODDSCJ.A computer system for multi-channel remote parameter control of a test specimen[R].Minnesota，MTSPublication，1977.