電動振動臺在汽車零部件測試中的控制方法及傳感器測點布置的研究

吳袁生，朱寒，葉江楊

(中汽檢測技術有限公司，廣東廣州 510530)

0 引言

影響振動激勵的主要因素包括夾具剛度、振動模型結構重力、振動臺上限頻率、傳感器位置等。夾具作為振動臺臺面和樣品的連接工具，應具備理想的剛度去響應傳遞需求，而電動臺動圈和臺面的動態特性也會影響振動臺的穩定性。孫忠濤和車英[1]利用有限元輔助分析進行夾具優化設計，使其工作頻段有效避開共振頻率；夏天涼等[2]對擴展臺進行Pro/E三維建模與ANSYS分析，提高上限頻率；崔志磊等[3]對電動振動設備核心部件動圈進行試驗仿真，提取一階共振頻率，通過避免共振設計提升振動臺性能。這些研究有效地改進振動試驗方法，減輕設備部件對試驗臺振動測試的影響。

振動臺輸出激勵通過傳感器信號反饋進行閉環控制，因此傳感器貼合位置的異同容易導致樣品接受到的激勵產生差異。雷金缽[4]將大量傳感器布置于電動振動臺來進行位置差異檢測，進行了布點位置的研究；孫哲[5]通過隨機試驗對傳感器在水平臺上的不同布點進行分析：這些研究表明傳感器的貼合位置會導致激勵輸入產生差異。而劉明輝等[6]在分析4臺振動臺構成的大型振動臺系統的基礎上，測得系統結構中擴展臺面中心振動幅值不均勻，特別是在接近模態頻率時。為此，本文作者通過對臺架實驗臺振動過程中傳感器位置和控制方式的研究，特別是在共振頻率下的振動表現，獲取優化的振動實驗控制方法和測點布置方案，從而提高振動實驗的準確性和測試可行性。

1 電動振動控制機制分析及模型建立

一般電動振動臺控制手段為追蹤其振動幅值，使用反饋信號的幅值計算，在每一個閉環環節，對驅動信號的幅值進行控制。閉環控制理論公式[7]為

(1)

式中：CN是第N個閉環的控制譜實際幅值；DN+1是新的驅動幅值；DN是第N個閉環的驅動幅值；Kp、Ki、Kd是PID控制參數；Kf為控制力度。

PID控制模型是以位移幅度為目標，影響這個控制的要素是幅值的變化。然而試驗過程中幅值在受迫共振時變化最大，不同階最大幅值出現局部振蕩差異。同時，由于傳感器安裝位置不同，即控制策略改變，會使試驗結果出現較大偏差，導致局部幅值差異變大。

目前在振動試驗上，用于控制傳感器反饋和數據采集的策略有多種[8]。根據GJB 150.16A—2009 3.3.2的分類，主要包含：加速度輸入法、加速度限制法、力限制法、開環波形控制法等4種。這些方法都是為了更好地改善在樣品模擬測試中所獲取的振動激勵。針對文中的研究對象和測試環境，擬采用加速度輸入法和加速度限制法。

由于樣品-夾具-振動臺系統模態和振動閉環控制模型對控制策略的影響存在差異，具體表現為傳感器位置的選擇造成控制監控數據誤差。因此，在設置控制影響時選擇不同的試驗頻段，本文作者設計了一系列對比試驗，針對共振所引起的模態來優化控制策略，確定能夠表征控制變化的定頻振動，分別挑選2個頻率共振點和2個常態點，進行試驗。

2 測點布置和控制方案對比

擬采用的設備信息見表1。為了排除夾具剛性、樣品結構、振動臺臺面等因素的干擾，需要在設計試驗前進行樣品模態測試、夾具掃頻、夾具+樣品掃頻等分析。

表1 使用設備信息

(1)樣品模態測試

通過對力錘輪換模態的分析，該輪轂一階模態為139 Hz，在徑向點3、5、6、7、10、12處出現較大的幅值變化，見圖1。由于此次試驗僅進行Z軸方向的振動分析，為避開模態共振節點，可選擇輪轂點12位置作為樣品和夾具共振掃頻的粘貼位置。

(2)夾具掃頻測試

利用掃頻檢測夾具的共振頻率，需設定掃頻條件為：5～1 000 Hz，掃頻速率：1 oct/min，加速度：1g。得到夾具的Z軸共振點為647.37 Hz，見圖2。因此夾具在5～500 Hz內沒有共振頻率，符合試驗要求。

圖1 輪轂的一階模態

圖2 夾具共振點搜索

(3)夾具+樣品掃頻

對夾具和樣品一起進行掃頻，設定掃頻條件：5～500 Hz，掃頻速率：1 oct/min，加速度：1g，搜索范圍為5～500 Hz。Z軸共振點的結果為：142.49、202.40、396.58 Hz，見圖3。

圖3 夾具&樣品共振點搜索

按A、B1、B2、C四種不同的試驗方案(見表2)，分別在無共振干擾狀態下和共振干擾狀態下進行系統測試。通過對振動試驗前的夾具+樣品結果的分析，選取10、50 Hz無共振，剛產生振動(100 Hz)及1階模態頻率(142.49 Hz，可取整為142 Hz)進行測點布置。

表2 測試方案

注：5號傳感器以1號傳感器為中心點，貼在其直徑為20 mm圓周上，6號傳感器以4號傳感器為中心點，貼在其直徑為20 mm圓周上，僅作監控。

圖4 1號位置控制模式A

圖5 4號位置控制模式B1

圖6 3號位置控制模式B2

圖7 2號位置控制模式C

3 不同試驗方案的共振結果對比分析

(1)A試驗方案結果分析

在常態10、50 Hz頻段中，選擇試驗臺中心為控制點(1號位置)，施加1g加速度激勵，2號、3號、4號位置傳感器監控到數值誤差在10%內，見表3。而在共振142 Hz頻段中，控制點同樣布置在1號位置時，施加相同的加速度激勵，由于產生共振，2號、3號、4號的數值誤差遠超過10%，且出現較高的加速度，2號位置甚至達到1號數值的19倍。5號、6號分別接近1號、4號的數值。

表3 A試驗方案及結果

選擇振動臺臺面作為控制點進行無共振干擾的振動試驗，振動系統輸出的激勵能夠均勻地傳遞到樣品上(如10與50 Hz的結果)；當出現共振干擾后，共振部件產生較大加速度，強烈共振甚至影響了振動臺臺面控制信號(如100 Hz與142 Hz條件下的1號位置加速度結果)。顯然這是比較典型的加速度輸入法的缺點。

(2)B1試驗方案結果分析

在常態10、50 Hz頻段中，選擇振動臺臺面與夾具固定位置為控制點(4號位置)，施加1g加速度激勵，各位置數值均勻，見表4。而在142 Hz中，同樣輸入1g加速度激勵， 1號位置加速度較小， 2號位置為2.9g，產生較為明顯的過加速度狀態，但是相比A試驗方案數值下降16.3g。3號、4號位置的數值相差不大。5號、6號監控數值分別接近1號、4號。

表4 B1試驗方案及結果

選擇振動臺臺面與夾具固定位置為控制點，可以減輕夾具對樣品的振動響應的傳遞。當樣品試驗頻率要求很高時，可以考慮把控制點布置在此處。

(3)B2試驗方案結果分析

在10、50 Hz頻段中，選擇樣品和夾具的結合位置為控制點(3號位置)，在1g加速度激勵下，各位置數值均勻，見表5。在共振142 Hz頻段中，同樣1g加速度激勵，由于產生共振情況，1號、2號數值誤差遠超過10%，且2號為2.7g。4號和3號位置的數值接近。5號、6號的數值分別接近1號、4號。

表5 B2試驗方案及結果

當夾具在某頻段無共振點時，把傳感器粘貼在更靠近測試樣品的位置可以進一步抑制共振影響。

(4)C試驗方案結果分析

在常態10、50 Hz頻段中，選擇樣品為控制點(2號位置)，在1g加速度激勵作用下，各位置數據均勻，見表6。在共振142 Hz頻段時，控制點為2號位置的樣品上， 1號、3號、4號的加速度數值過小，特別是在1號位置的數值僅為0.2g，是明顯的欠加速度狀態。5號、6號數值分別接近1號、4號。

表6 C試驗方案及結果

即使選擇樣品作為控制點，在無共振干擾的振動試驗中，系統輸出的激勵能較為完全地傳遞到樣品上(如10與50 Hz的結果)；當出現共振干擾后，由于傳感器測點布置在樣品上，且通過振動臺控制加速度數值，于是振動激勵輸出處于較小的幅值變化狀態。這是加速度控制法的優點，可以專門保護需要限制的位置，特別對于結構復雜、質量較大的被測樣品時可以考慮使用。

4 結論及討論

輸入多種控制方式對振動臺幅值追蹤進行研究，在無共振前提下，振動控制較為平順，但出現共振時會導致局部位移幅值加大。通過對樣品模態的分析，當局部幅值處于最大或平緩時會導致傳感器的數值反饋產生差異，測點布置不同也會導致控制結果不一致。

通過文中的研究，可為振動試驗提供高效的傳感器測點布置方案，使振動響應盡可能地反映實際的工裝環境和降低激勵輸入的誤差，避免過加速或者過小加速度，使振動試驗復現樣品的振動能量，精確測定整車零部件樣品的疲勞壽命及驗證其可靠性。