汽車排氣系統道路模擬試驗方法研究

孫旭，于志勇

（1.上汽通用汽車有限公司廣德分公司，安徽 廣德 242200；2.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

前言

隨著汽車行業技術發展提速，汽車品牌增多，汽車行業的市場競爭越來越大。市場對產品更新換代速率的要求也越來越高，因此如何縮減整車開發時間是車企著力突破的問題。試驗認證是整車開發的重要環節，也是整車開發過程中占用時間較多的一個環節，在產品開發初期同步進行子系統及零部件的試驗認證，能大大壓縮整車試驗的時間，而從加快整車研發的速度。在試驗室中通過臺架搭建完成各種子系統/零部件的試驗驗證成為各汽車廠商都在積極進行的探索[1]。

國內排氣系統相關方面研究較少，與國外同期研究水平差距較大，弗吉亞北美試驗室建造了由MAST 及垂直液壓缸組合的模擬試驗臺架。通用汽車公司北美試驗室也開發了多種不同的排氣系統模擬試驗臺架。國內相關的試驗資源極度緊缺，因此，研究汽車排氣系統模擬試驗方法意義重大。

本文闡述了從夾具設計到臺架搭建以及試驗迭代的所有方法，僅僅通過垂直液壓缸的組合以及夾具系統的設計建成了國內首個排氣系統道路模擬試驗臺架，并通過最終與道路試驗的比對驗證了該試驗方法的有效性，很好地實現了前置試驗的目的。

1 信號采集

排氣系統道路信號采集主要通道包含：排氣系統吊鉤應變、懸置加速度、吊鉤加速度信號，通過對這些通道的迭代控制，能較好地復現出排氣系統在實際道路行駛過程中的運動姿態[2]。

排氣系統的失效模式主要包含排氣管吊耳焊點開裂、波紋管網絲斷裂、橡膠吊耳老化損壞。因此在每個吊鉤與排氣管的焊接處布置應變傳感器，在每個獨立的掛鉤端頭處布置加速度計。排氣系統的運動激勵一方面來自于道路激勵通過車身傳遞，一方面來自于動力總成運動通過排氣歧管以及波紋管傳遞。因此還要在動力總成懸置位置布置加速度計采集此處的加速度信號。傳感器的布置圖請見圖1。

圖1 排氣系統傳感器布置圖

2 臺架搭建

排氣系統道路模擬臺架是以垂直液壓缸為基礎，通過動力總成模擬夾具的設計安裝并將液壓缸進行組合控制搭建而成的。在臺架的前端接入燃燒器系統達到為樣件提供熱載荷環境的作用。

因為排氣系統的運動激勵分別來自于動力總成運動及道路不平度。所以使用1，2，3 號缸的組合來模擬動力總成在整車垂直方向，繞X 軸轉動方向，繞Y 軸轉動方向上的運動。使用4，5，6，7，8 號缸模擬排氣系統吊耳掛鉤在垂直方向上的運動。

圖2 液壓缸布置圖

臺架共有8 個驅動，具體可見下表1 所示。

表1 排氣系統道路模擬試驗臺架控制通道

其中動力總成垂向運動計算公式：

動力總成側傾運動計算公式：

動力總成俯仰運動計算公式：

式中：Vert1，Vert2，Vert3 分別為1，2，3 號作動缸垂向位移。Y12 為1，2 號作動缸沿Y 方向的距離，Y13 為1，3 號作動缸沿Y 方向的距離；X123 為3 號缸與1，2 號缸的中點沿X 方向的距離，PS Vertical為動力總成垂向運動位移，PS Roll為動力總成側傾運動角度，PS Pitch為動力總成俯仰運動角度。

試驗夾具包含發動機模擬裝置及各吊耳掛鉤裝置。發動機夾具如圖3 所示。

圖3 發動機模擬夾具圖

發動機模擬裝置要求排氣系統能按照整車布置安裝在臺架上,核心控制點位為3個與作動缸連接點及三元催化模擬管路與前排氣管的連接點；夾具質量不超過所用液壓缸工作能力；夾具設計過程中保持質心位置與實車發動機位置一致；所有組合件的連接點滿焊，加強夾具剛度；支撐桿之間設置萬向球鉸將側向剪切力卸除，達到滿足多個樣件，多倍壽命的試驗需求；包含連接管提供熱氣通道承受600-800℃的高溫氣體，模擬實車運行過程中的發動機高溫氣體對排氣系統的熱疲勞載荷。

各吊耳掛鉤裝置要求能在X、Y、Z 三個方向上調節。

樣件安裝要求每個吊耳的傾斜角度及拉伸長度與實際數采一致，要求波紋管的拉伸長度與實際數采一致。

3 信號處理

數采得到的原始信號并不能直接用于迭代，需要經過圖4 所示的信號處理。

圖4 信號處理流程

原始信號是車輛在標準試車場特征路面行駛過程中從排氣系統傳感器上采集得到的信號。通過頻譜分析，結合道路模擬試驗經驗，確定排氣系統道路模擬試驗關心頻段為0.5～40HZ，對于其他頻段的信號，通過濾波去除[3]。由于夾具形狀及整車空間影響，懸置處實際數采位置與迭代過程中的加速度計布置位置無法統一，因此需要通過加速度坐標轉化將數采信號轉化為基準信號。

基準信號包含較多的低幅值激勵，為了盡量壓縮試驗周期，使用應變信號的統計特性值作為閾值，剪切去除損傷較小的部分，得到編輯信號。對編輯信號進行偽損傷計算并與原始信號進行偽損傷值對比，若損傷保留達到90%以上則將此信號作為迭代信號，若未達到則返回至閾值剪切步驟直至損傷保留達到90%以上。

4 信號迭代

信號迭代主要包括傳遞函數計算、迭代及評價2 個部分。

4.1 傳遞函數計算

迭代是為了得到能使排氣系統各通道響應與道路數采目標信號盡可能接近的液壓缸驅動，使排氣系統的運動與數采時一致。

在迭代前，首先需要得到系統的傳遞關系，整個系統由排氣系統、夾具、液壓缸、傳感器等部分組成[4]。通過式（4）可以求出系統的傳遞函數。

式中：H（f）為系統傳遞函數；Gyx（f）為系統響應信號和液壓缸激勵信號的互功率譜，Gxx（f）為液壓缸激勵信號的自功率譜。

4.2 迭代及評價

因為整個系統的傳遞關系不是完全線性的，因此需要通過逐步迭代的方法對驅動信號進行修正[5]。迭代流程如圖5所示。

圖5 迭代流程圖

迭代的效果評價可通過以下幾種方式進行。

選取圖6-圖7 兩個具有代表性的迭代通道，對比響應信號與目標信號的功率譜。可見，無論是加速度還是應變通道，其迭代響應信號和目標信號的功率譜都擬合較好。

圖6 吊勾應變功率譜密度對比

圖7 吊勾加速度功率譜對比

均方根誤差可作為迭代時的誤差收斂曲線，其計算方法為：

式中：ε為均方根誤差，RMS（yt（t））為響應信號均方根值，RMS（yd））為目標信號均方根值。

下圖8 為迭代過程中的均方根誤差收斂曲線，經過多次迭代，各通道的誤差都低于20%，滿足迭代要求。

圖8 各通道均方根值誤差收斂曲線

偽損傷的計算，通過對每個應變通道采集信號的收集，利用miner 線性損傷累積法則及Goodman 疲勞經驗公式，計算出系統響應信號偽損傷與目標信號偽損傷的比值，從而判斷偽損傷的保留率[6]。實際的損傷計算結果可見下表2，各通道偽損傷保留比值均位于50%～200%之間，迭代效果滿足要求。

表2 信號偽損傷對比表

Miner 線性損傷累積法則：

總損傷量：

式中：Ni為σ-N曲線上相應的應力幅σi對應的疲勞循環次數；ni為應力幅σi作用下的實際循環次數。

Goodman 疲勞經驗公式：

式中：σi為等效零均值應力；σai為第i個應力幅值；σmi為第i個應力均值；σb抗拉強度（根據材料類型可查的）。

相對能量計算，對于加速度信號使用式（8）計算出響應信號及目標信號的能量，并求出其相對能量比值，通過其比值大小可以判斷加速度通道的能量保留效果。

式中：E是相對能量，a（t）為加速度信號。

表3 為各垂向通道最終響應加速度能量與目標信號能量的比值。相對能量比值均位于80%～120%之間，迭代效果滿足要求。

表3 信號能量對比表

由以上評價結果可知迭代效果較好，滿足耐久試驗的要求。

4.3 耐久試驗

根據實際道路試驗規范，編輯路面循環次數，進行試驗。耐久試驗后，發現排氣管吊耳掛鉤焊點開裂，波紋管網面金屬絲斷裂，與道路試驗排氣系統的失效情況相同，從而驗證了該試驗方法的有效性。

5 結論

本文從信號采集、夾具設計制作、臺架搭建到迭代試驗完整的論述了排氣系統道路模擬試驗的試驗方法，與國外需要使用成本巨大的MAST 臺架相比，本試驗方法僅僅使用垂直液壓缸的組合，即完成了排氣系統道路模擬試驗的目的，大大降低了試驗成本，具有開創性意義。對很多汽車廠商及零部件企業具有參考指導意義。