商用車電瓶箱支架振動疲勞試驗方法對比分析

賀娜，王黨青，田朋濤，樊梅梅

（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安710200；2.陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

關鍵字：商用車；電瓶箱支架；振動疲勞試驗；道路模擬試驗；正弦掃頻試驗 中圖分類號：U467

引言

眾所周知，零部件中80%以上的失效問題是由于振動疲勞引起。隨著汽車工業的快速發展，結構設計中的疲勞耐久問題越來越受到大家的重視，在新車型開發過程中，考核地面振動對零部件耐久性能影響是最重要的試驗項目之一。

考慮到整車搭載試驗費用高、周期不可控，通過臺架試驗對零部件振動耐久性能進行驗證成為主要試驗手段。目前，臺架振動耐久主要采取兩種方式：一種是利用單自由度振動臺對零部件的振動耐久性能進行驗證；一種是利用道路模擬試驗技術對零部件的振動耐久性能進行驗證[1]。對于一些非標設計的支架類，沒有專門的臺架試驗規范和標準，如何確定一種快速、經濟、有效的支架振動試驗驗證方法來考核其薄弱環節，保證支架結構強度和疲勞壽命滿足使用要求十分必要[2]。

本文通過對道路模擬試驗方法和正弦掃頻振動試驗方法的介紹，并將兩種試驗方法應用于電瓶箱支架振動疲勞試驗，通過對比分析，確定該類支架的振動試驗方法，為企業如何根據自身實際需要建立一套該類支架的臺架試驗規范提供依據，為新產品研發提供技術支持。

1 試驗方法介紹

1.1 道路模擬試驗方法[3-4]

道路模擬試驗指把整車及其零部件本身作為一個振動系統，通過對其振動傳遞特性及實際采集響應信號的測試計算，得到在試驗室條件下的系統激勵，經過數據反復迭代計算，保證整車及零部件的響應與道路試驗條件下的響應達到一定的精度要求。對于室內臺架道路模擬試驗而言，核心是時域波形復現技術（TWR），它的本質是一個非線性系統的迭代求逆問題，主要包括系統識別和目標迭代兩個部分。

1.1.1 系統識別

系統識別是通過一個位移u(t)為輸入，以試驗典型參考位置的響應信號y(t)為輸出的多輸入多輸出MIMO 系統的數學模型，通常是以系統的頻響函數FRF 矩陣形式表征線性模型。

圖1 系統識別示意圖

（1）激勵信號：一般選擇編制白粉噪聲作為隨機激勵信號，計算公式為：

式中：fst、fen分別為起始頻率和截止頻率，fb為拐角頻率。

（2）頻響函數獲取：

將時域激勵信號u(t)和響應信號y(t)進行傅里葉變換，采用H1 技術來獲取系統的頻響函數矩陣，計算公式為：

式中，U(f)、Y(f)分別是隨機信號u(t)、y(t)的傅里葉變換，U*(f)、Y*(f)分別是U (f)、Y (f)共軛，Gxx(f)、Gxy(f)分別是u(t)、y(t)的自功率譜和互功率譜。

（3）FRF 模型驗證：

一般通過相干函數來評價FRF 的質量，相干函數計算公式為：

1.1.2 目標信號迭代

（1）初始驅動信號：由試驗目標信號和識別出的FRF逆矩陣反算，求得初始驅動信號，計算公式為：

式中，F 是傅里葉變換；dg 分別是驅動系數和目標系數，T(f)是頻域目標信號，u(t)是初始位移驅動信號。

（2）Error 計算：由初始驅動信號驅動振動系統獲得輸出響應信號，將該信號與試驗獲得的目標信號對比，計算誤差Error，計算公式為：

式中，T(t)是時域目標信號，y(t)是系統響應，e(f)是頻域誤差。

（3）最終驅動信號確定：通過Error 來修正驅動信號，直至誤差Error 達到試驗要求，獲得最后的驅動信號，計算公式為：

式中，i 是迭代次數；k 是誤差系數。

1.2 正弦掃頻試驗方法[5-7]

正弦掃頻試驗是指在規定的頻率范圍內，按規定的量值以一定的掃描速率從低頻到高頻，再由高頻到低頻進行頻率掃描來激勵試驗件，直到達到規定的試驗次數為止。這里介紹的主要是以樣件的低階共振頻率為中心頻率的正弦掃頻試驗方法。

1.2.1 固有頻率

結構系統在受到外界瞬態激勵產生響應時，將按特定頻率發生自然振動，這個特定頻率被稱為結構的固有頻率。固有頻率是結構的固有屬性，與外界的激勵無關。對于單自由度系統而言，固有頻率的計算公式見下式：

式中：k 為系統的剛度；m 為系統的質量。

當外界激勵與系統的固有頻率非常接近或相同時，結構出現大幅度振動，該頻率稱為共振頻率，該現象被稱為共振現象。

1.2.2 功率譜密度PSD

功率譜及功率譜密度是從能量的角度來進行信號的頻域分析。功率譜除以其頻率間隔定義為功率譜密度。功率譜函數通常是對周期函數進行分析時使用的，而非周期函數和隨機函數只能使用功率譜密度，功率譜和功率譜密度計算公式見下式：

功率譜：

功率譜密度：

1.2.3 對數掃頻

對數掃頻是指在對數頻率刻度上，頻率均勻變化的頻率-時間關系，計算公式見下式：

掃頻頻率：

掃頻時間：

掃頻總次數：

式中f1、 f2為掃頻試驗頻率下、上限。

2 電瓶箱支架振動耐久試驗

2.1 電瓶箱支架道路模擬試驗

電瓶箱支架是將整個電瓶箱體以及電池系統固定于車架上的過渡支架。在試驗過程中，將其與整個電瓶箱體及電池系統作為一個整體來進行驗證。在某試驗場進行道路載荷譜采集的過程中，將響應傳感器布置于電瓶箱體附件上。該處采集到的道路載荷譜詳見圖2 所示。

圖2 載荷譜數據

道路載荷譜數據采集完成后將其進行編輯和處理，加載到六自由度試驗臺上，通過系統識別和迭代確定最終驅動信號，并將其加載到試驗臺上進行振動疲勞試驗。

2.2 正弦掃頻振動試驗

通過對在試驗場采集到的道路載荷譜進行PSD 分析，見下圖3 所示。從PSD 圖上可看到振動能量主要集中在Z 向，故選擇在電磁振動臺上進行Z 向的振動耐久試驗，將樣件安裝于電磁振動試驗臺上，響應加速度傳感器布置位置與試驗場載荷譜采集位置保持一致。響應加速度選取Z 向載荷譜最大加速度值7.265g，在5-50HZ 內掃頻反推振動臺體的控制加速度值，取一個接近的控制加速度值作為最終的控制加速度，利用共振原理，選取（15-18）HZ 作為掃頻頻帶進行正弦掃頻試驗，掃頻曲線詳見圖4 所示。

圖3 載荷譜PSD 圖

圖4 掃頻曲線

2.3 試驗結果分析對比

應用以上兩種試驗方法完成試驗后，將試驗結果進行統計梳理：道路模擬試驗電瓶箱支架有6 處開裂位置，正弦掃頻振動試驗電瓶箱支架有7 處開裂位置。

從支架開裂位置來看，通過兩種試驗方法得到的支架的開裂位置有5 處相同，故認為支架開裂位置基本一致。在支架開裂位置基本一致的前提下，通過對開裂位置發生時間進行統計可知，道路模擬試驗電瓶箱支架的平均試驗里程為1348km（試驗時間按照路譜運行速度可換算為44.93h），正弦掃頻振動試驗電瓶箱支架的平均試驗時間為3.41h。

根據該支架振動試驗情況，對上面兩種試驗方法進行對比，詳見下表1 所示。

表1 電瓶箱支架振動試驗方法對比

從上表可看出，對于電瓶箱支架而言， 從試驗時間、試驗成本和試驗開展的便捷性等方面來考慮，推薦使用正弦掃頻振動試驗方法對該類支架薄弱環節進行考核。

3 結論

本文通過對道路模擬試驗方法和正弦掃頻振動試驗方法的介紹，并將兩種試驗方法應用于電瓶箱支架振動疲勞試驗。通過試驗結果對比可知：

（1）從支架開裂位置來看，通過兩種試驗方法得到的支架的開裂位置有5 處相同，認為應用兩種振動試驗方法考核得到的開裂位置即薄弱環節基本一致。

（2）在支架開裂位置基本一致的前提下，道路模擬試驗電瓶箱支架的平均試驗時間為44.93h，正弦掃頻振動試驗電瓶箱支架的平均試驗時間為3.41h，后者試驗驗證時間短。

（3）對于電瓶箱支架而言，從試驗時間、試驗成本等方面來考慮，推薦使用正弦掃頻振動試驗方法對該類支架薄弱環節進行考核。

本文得出的結論在一定程度上能夠指導該類支架振動耐 久試驗進行，為企業根據自身實際需要建立一套該類支架的臺架試驗規范提供依據，為新產品研發提供技術支持。但因素考慮有限，在后續的研究中應考慮疲勞損傷等因素，更加全面的對該類支架的振動耐久試驗方法進行研究分析。