整車(chē)行駛可靠性與室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)技術(shù)方法研究

夏雪寶，魯吉林，余云加，楊明軍

（1.廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司,廣州 510000；2.陸軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心,北京 100012）

引言

各種新車(chē)型從設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)到穩(wěn)定生產(chǎn)及整車(chē)改進(jìn)都要經(jīng)過(guò)各類(lèi)型的試驗(yàn)，其中行駛可靠性試驗(yàn)是考核整車(chē)底盤(pán)及上裝設(shè)備可靠性的關(guān)鍵試驗(yàn)，在相關(guān)的國(guó)標(biāo)及國(guó)軍標(biāo)中均有相應(yīng)規(guī)定[1，2]。各類(lèi)汽車(chē)行駛可靠性考核一般是通過(guò)實(shí)際道路行駛試驗(yàn)或汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行考核[3]。

道路行駛可靠性試驗(yàn)是將汽車(chē)按實(shí)際使用條件行駛至規(guī)定的里程，考核車(chē)輛行駛過(guò)程中底盤(pán)及上裝設(shè)備的可靠性能。行駛試驗(yàn)對(duì)各種路面的里程、對(duì)炎熱、寒冷和高原等地區(qū)的試驗(yàn)時(shí)間均有規(guī)定。由于是在實(shí)際外場(chǎng)路面行駛幾千公里至上萬(wàn)公里，道路行駛試驗(yàn)會(huì)存在實(shí)際路面條件難以控制、環(huán)境條件復(fù)雜、試驗(yàn)周期長(zhǎng)及保密性無(wú)法保證等問(wèn)題[4]。汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)是試驗(yàn)汽車(chē)的專用場(chǎng)地，由可進(jìn)行平順性、可靠性和耐久性試驗(yàn)的高速環(huán)形路、石塊路、搓板路和其他典型路段組成，有坡道、彎道、塵灰室、鹽水池、淋水室和試驗(yàn)涉水性能的水池以及試驗(yàn)轉(zhuǎn)向特性用的圓形場(chǎng)地等。相比于道路試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)可有效解決路面條件及保密性等問(wèn)題。但對(duì)于專用特種軍用車(chē)輛，需建設(shè)相應(yīng)的試驗(yàn)場(chǎng)路面，投資巨大費(fèi)用較高[5]。

室內(nèi)道路模擬是一種重要的可靠性、耐久性試驗(yàn)方法，通過(guò)數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)和液壓伺服技術(shù)能在實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)模擬復(fù)現(xiàn)車(chē)輛實(shí)際行駛時(shí)的振動(dòng)環(huán)境，精確再現(xiàn)車(chē)輛行駛過(guò)程中各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及受載荷激勵(lì)情況，可節(jié)省大量人力物力[6，7]。由于道路模擬試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，能更好的進(jìn)行保密控制，同時(shí)因道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)重復(fù)性好，當(dāng)試驗(yàn)車(chē)輛出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)路譜重復(fù)運(yùn)行，有利于故障復(fù)現(xiàn)與驗(yàn)證。目前國(guó)內(nèi)軍用整車(chē)及類(lèi)似產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)或改裝，都是采用傳統(tǒng)的道路試驗(yàn)方法，在開(kāi)發(fā)的初期，沒(méi)有時(shí)間和條件進(jìn)行車(chē)輛及上裝設(shè)備整車(chē)級(jí)的試驗(yàn)。上裝設(shè)備電子元器件和電子設(shè)備作為設(shè)備進(jìn)行過(guò)振動(dòng)等環(huán)境可靠性測(cè)試，但系統(tǒng)集成為車(chē)載上裝設(shè)備后，其可靠性工作環(huán)境與設(shè)備級(jí)振動(dòng)環(huán)境不一致，導(dǎo)致每次道路試驗(yàn)時(shí)都會(huì)出現(xiàn)大量問(wèn)題，嚴(yán)重制約了軍用整車(chē)的進(jìn)一步發(fā)展提升。

針對(duì)軍用整車(chē)行駛可靠性存在的問(wèn)題，本文采用一種以軍用整車(chē)短時(shí)外場(chǎng)道路試驗(yàn)結(jié)合室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)對(duì)其行駛可靠性進(jìn)行考核的方法。該方法通過(guò)先將軍用整車(chē)在外場(chǎng)進(jìn)行短時(shí)短距離的外場(chǎng)行駛試驗(yàn)，采集樣車(chē)外場(chǎng)道路行駛時(shí)底盤(pán)結(jié)構(gòu)及上裝設(shè)備振動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)信號(hào)，對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析、壓縮、裁剪編輯以獲得道路譜數(shù)據(jù)，再在道路模擬系統(tǒng)上通過(guò)對(duì)整車(chē)設(shè)備結(jié)構(gòu)的損傷效果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證該車(chē)型等效道路載荷譜，最終加載等效的道路載荷譜至道路模擬系統(tǒng)臺(tái)架上對(duì)整車(chē)的行駛可靠性進(jìn)行等效考核。

1 道路模擬系統(tǒng)及路譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1 道路模擬系統(tǒng)

室內(nèi)道路模擬系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力有電動(dòng)和液壓兩種類(lèi)型，由于液壓驅(qū)動(dòng)式道路模擬系統(tǒng)推力大、費(fèi)用低、性能優(yōu)良，因此應(yīng)用較電動(dòng)式更為廣泛[8]。本文軍用整車(chē)試驗(yàn)用的道路模擬系統(tǒng)為液壓式，如圖1所示，主要由液壓泵及驅(qū)動(dòng)電機(jī)、液壓油源、液壓缸、電液伺服閥、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。

圖1 道路模擬系統(tǒng)臺(tái)架

表1 路譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備清單

該道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)屬于輪胎耦合式系統(tǒng)，總共六個(gè)作動(dòng)器，單個(gè)作動(dòng)器推力最大推力13 t，頻率范圍0.1～50 Hz，振幅350 mm，軸頭最大垂向速度2 m/s，路譜迭代精度（時(shí)域）優(yōu)于5 %。該系統(tǒng)可用于3軸及以下、最大整車(chē)重量12 t的通用型軍用整車(chē)。

1.2 路譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

路譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體設(shè)備清單如表1所示，相應(yīng)的整車(chē)道路模擬試驗(yàn)流程如圖2所示。

2 外場(chǎng)試驗(yàn)及路譜采集

2.1 外場(chǎng)試驗(yàn)

某軍用整車(chē)外場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地跑道符合GJB 219B附錄D的規(guī)定，外場(chǎng)實(shí)物圖如圖3所示，該環(huán)形跑道一圈周長(zhǎng)為約為0.8 km。在保證安全的前提下，按《XXX軍用整車(chē)試驗(yàn)大綱的要求》以30 km/h左右車(chē)速行駛，完成數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)時(shí)，樣車(chē)要穩(wěn)住車(chē)速，然后勻速駛過(guò)試驗(yàn)路段，記錄各加速度傳感器及應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)。

2.2 路譜采集

根據(jù)外場(chǎng)行駛試驗(yàn)時(shí)樣車(chē)結(jié)構(gòu)及上裝設(shè)備特性，采集16通道原始信號(hào)，其中10通道應(yīng)變監(jiān)測(cè)底盤(pán)關(guān)鍵部位，4通道軸頭加速度信號(hào)，2通道上裝設(shè)備加速度信號(hào)，其中某振動(dòng)和某應(yīng)變測(cè)點(diǎn)如圖4所示。

圖2 整車(chē)道路模擬試驗(yàn)流程

圖3 外場(chǎng)環(huán)形跑道典型路面

圖4 振動(dòng)和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)安裝圖

該軍用整車(chē)?yán)@環(huán)形跑道行駛一周，行駛距離0.8 km，共采集119 s振動(dòng)、應(yīng)變信號(hào)，各信號(hào)的時(shí)間歷程曲線分別如圖5～7所示。

圖5 10通道應(yīng)變信號(hào)

3 路譜數(shù)據(jù)裁剪處理

如圖8所示，陰影標(biāo)記片段為沒(méi)有損傷貢獻(xiàn)或損傷貢獻(xiàn)較小的可編輯裁剪部分。數(shù)據(jù)裁剪后，原始119 s信號(hào)數(shù)據(jù)編輯壓縮為54 s。以通道1測(cè)點(diǎn)應(yīng)變信號(hào)為例，對(duì)編輯前后的信號(hào)進(jìn)行頻域成分對(duì)比如圖9所示。

由圖9可知編輯前后應(yīng)變信號(hào)頻率成分及幅值沒(méi)有發(fā)生明顯變化，說(shuō)明編輯裁剪后信號(hào)能有效反映行駛時(shí)的載荷環(huán)境條件。

4 道路模擬試驗(yàn)

4.1 路譜數(shù)據(jù)的加載迭代

用上述54 s的4個(gè)軸頭編輯裁剪后的路譜數(shù)據(jù)，作為道路模擬系統(tǒng)臺(tái)架迭代目標(biāo)，通過(guò)臺(tái)架閉環(huán)控制策略在時(shí)域上復(fù)現(xiàn)該加速度信號(hào)。以通道11的軸頭加速度為例，控制系統(tǒng)迭代后道路模擬臺(tái)架上的加速度響應(yīng)及目標(biāo)信號(hào)對(duì)比如圖10所示。

圖6 4通道軸頭加速度信號(hào)

圖7 2通道上裝設(shè)備加速度信號(hào)

圖8 路譜數(shù)據(jù)編輯裁剪示意圖

圖9 應(yīng)變信號(hào)裁剪前后頻域?qū)Ρ?/p>

由圖10可知，迭代后的響應(yīng)加速度與目標(biāo)加速度值能很好重合，說(shuō)明閉環(huán)控制系統(tǒng)精度高。如圖11所示，迭代后的4通道軸頭加速度信號(hào)的RMS（有效值）與目標(biāo)信號(hào)RMS的比值均在91 %以上，說(shuō)明臺(tái)架可精確復(fù)現(xiàn)樣車(chē)實(shí)際行駛時(shí)的振動(dòng)環(huán)境條件。

4.2 道路模擬試驗(yàn)損傷效果驗(yàn)證

道路模擬臺(tái)架以4通道軸頭加速度為迭代目標(biāo)，閉環(huán)控制系統(tǒng)能精確控制臺(tái)架對(duì)樣車(chē)施加路譜振動(dòng)環(huán)境條件。為評(píng)估道路模擬系統(tǒng)臺(tái)架及實(shí)際路面行駛在相同振動(dòng)環(huán)境條件下，樣車(chē)的損傷效果是否一致，對(duì)比分析實(shí)際行駛試驗(yàn)時(shí)與道路模擬試驗(yàn)時(shí)樣機(jī)底盤(pán)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變損傷水平。由于篇幅有限，僅以底盤(pán)通道5-6應(yīng)變測(cè)點(diǎn)及上裝設(shè)備通道15振動(dòng)測(cè)點(diǎn)為例，進(jìn)行功率譜密度對(duì)比如圖12～14所示。

由圖12～14可知，道路模擬試驗(yàn)和行駛試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)的頻率成分及幅值大小一致，偏差較小。可見(jiàn)道路模擬試驗(yàn)時(shí)各測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)與外場(chǎng)行駛試驗(yàn)時(shí)各測(cè)點(diǎn)目標(biāo)信號(hào)得到了精確的復(fù)現(xiàn)，即行駛試驗(yàn)對(duì)樣車(chē)的損傷效果與道路模擬時(shí)對(duì)樣車(chē)的損傷效果一致，54 s的道路模擬試驗(yàn)的考核效果可等效為外場(chǎng)119 s（0.8 km）的行駛可靠性試驗(yàn)，因此對(duì)于10 000 km可靠性里程，按傳統(tǒng)道路行駛試驗(yàn)方法需50天左右才可完成可靠性試驗(yàn)，而采用道路模擬臺(tái)架僅需運(yùn)行187.5 h（1周左右）即可達(dá)到可靠性試驗(yàn)考核的目的。

圖10 軸頭加速度迭代加載效果

圖11 4通道軸頭加速度復(fù)現(xiàn)信號(hào)的RMS值精度

圖12 通道5應(yīng)變測(cè)點(diǎn)損傷效果對(duì)比

圖13 通道6應(yīng)變測(cè)點(diǎn)損傷效果對(duì)比

圖14 通道15振動(dòng)水平對(duì)比

5 結(jié)論

本文通過(guò)典型路面的外場(chǎng)行駛試驗(yàn)，采集樣車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)及上裝設(shè)備振動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)裁剪以獲得路譜數(shù)據(jù)，再以該路譜數(shù)據(jù)為輸入，通過(guò)道路模擬試驗(yàn)對(duì)樣車(chē)進(jìn)行激勵(lì)加載，結(jié)果表明道路模擬試驗(yàn)對(duì)樣車(chē)損傷效果與外場(chǎng)行駛試驗(yàn)效果一致。最終該方法可將該軍用整車(chē)10 000 km（約50天）外場(chǎng)行駛可靠性試驗(yàn)縮短為室內(nèi)道路模擬系統(tǒng)臺(tái)架上187.5 h（1周）的試驗(yàn)，加速了該類(lèi)型軍用整車(chē)的研發(fā)速度，縮短研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)費(fèi)用，且能更好的進(jìn)行保密控制。但由于室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)并不能復(fù)現(xiàn)整車(chē)外場(chǎng)試驗(yàn)的高低溫、淋雨日曬吹風(fēng)等環(huán)境條件及發(fā)動(dòng)機(jī)工作的激勵(lì)載荷，采用道路模擬試驗(yàn)如何復(fù)現(xiàn)該類(lèi)環(huán)境條件及載荷需要進(jìn)一步的研究，如采用一定比例的外場(chǎng)行駛試驗(yàn)及室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)進(jìn)行行駛可靠性考核可作為后續(xù)的研究方向之一。