基于室内道路模拟技术的整车加速耐久性试验的研究*

钱立军,吴道俊,杨年炯,祝安定,李源源

(合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥 230009)

前言

根据国外统计,约有 80%以上的机械零件的破坏为疲劳破坏[1]。因此耐久性试验是汽车开发中一个重要试验。采用室内道路模拟技术,能够以高的精度在室内模拟汽车在行驶过程中受到路面的激励,减少了人力和财力。通过编辑道路载荷谱,可以缩短试验时间和开发周期。与道路试验相比,道路模拟耐久性试验还可避免驾驶员在路试中操作带来的误差并能不分昼夜地进行[2]。

目前,在载荷谱编辑方面出现了基于损伤编辑等方法。以往的编辑方法没有把功率谱密度纳入编辑原则中,容易引起编辑后的载荷谱在频域上偏差较大。此外编辑后的载荷谱能否在道路模拟试验台上实现迭代,也是对以往编辑方法有效性的考验。

本文中提出了兼顾损伤和功率谱密度(PSD)的载荷谱编辑方法,减少了编辑后的载荷谱在频域上的失真。同时提出了编辑载荷谱的可迭代原则,指出了在编辑过程中实现该原则的相应措施。此外还提出了试验场采集道路载荷谱的传感器布置原则和在载荷谱迭代过程中如何设置增益系数等关键耐久性试验技术。

1 室内整车加速耐久性试验技术路线

首先在试验场采集得到道路载荷谱,并对其编辑浓缩,然后在道路模拟试验台上得到室内耐久性试验所需的对轮胎的激励,以复现试验场工况。具体的室内整车加速耐久试验技术路线如图 1所示。

1.1 传感器的安装

加速度传感器安置在轴头位置,尽量靠近轮心;车身加速度传感器安置在车身正对车轮位置,尽量在轮心正上方。

对于应力信号采集,布置自制传感器时,考虑CAE热点位置(如应力集中位置、疲劳寿命较低点的位置)、路试故障位置、关键零部件、连接点、接触点、支承点等关键部位;还应考虑专家评估、先前疲劳破坏历史或者相同类型的车辆故障历史等反映出的薄弱位置[3]。此外,设计人员所关注的部位,如本试验关注的越野车车架,也布置信号采集点。

桥路形式根据测试需要进行选择,例如,测球头x和 y向载荷,选择2倍半桥。所测物理量都必须通过标定进行换算。

1.2 行驶规范的确定

试验场采集路谱的行驶规程及路段的选择应具有代表性,能重现汽车实际使用中的重要事件,使测得的载荷历程具有典型性、概括性和集中性[4]。因此,本试验选择定远试验场减速坎、仿路沿突起、鱼鳞坑、石块路、卵石路、扭曲路、搓板路等典型路段和襄樊试验场越野路段。各个路段的比例应能够保证所选的试验场路段总和的路谱雨流矩阵与用户目标使用路面的路谱雨流矩阵一致。

2 道路载荷谱的编辑技术

首先进行信号前处理与分析。去毛刺、纠正漂移、删除过渡路段信号之后,进行 PSD分析、0.5～50Hz滤波、相干性分析、统计计算、检查噪声分量,选取最佳信号。

2.1 编辑原理

载荷谱编辑即删除信号中对损伤贡献不大的循环以缩短时间,且损伤等指标尽量与原始信号接近。

计算疲劳寿命,常用的方法有名义应力法(S-N法)和局部应力应变法(e-N法)。应变幅εa与对应的应力幅σa的关系式为

e-N曲线的数学表达式为

应力水平与疲劳寿命关系即S-N曲线表达式为

Miner线性损伤累积表达式为

式中:εa为应变幅值;为弹性应变幅值;为塑性应变幅值;σa为应力幅值;E为弹性模量;K′为循环强度系数;n′为循环应变硬化指数;σ′f为疲劳强度系数;ε′f为疲劳延性系数;b为疲劳强度指数;c为疲劳延性指数;ni为各载荷水平下的循环次数;Ni为各载荷水平下的疲劳寿命;S为应力幅;A、B分别为系数;N为疲劳寿命(循环次数);D为疲劳总损伤。计算损伤时,名义应力法采用式(3)和式(4),局部应力应变法采用式(1)、式(2)和式(4)[5]。

采用伪损伤概念,利用载荷历程以及合适的材料S-N或e-N曲线,按照Miner损伤累积法则,即可计算疲劳损伤量[5],以伪损伤大小作为载荷信号对试件影响的量化依据。

2.2 编辑原则

对于载荷谱信号,如果最大峰值到负的最大峰值应变小于 150μs,则损伤很小,对应信号段可以删除,该方法对低碳钢尤其准确[3]。按照编辑前后损伤一致、损伤机理不变、编辑前后 PSD一致、保持编辑后相位同步等原则对各通道信号同时浓缩。值得注意的是,编辑后的信号应满足迭代要求。

载荷谱涉及幅值和频率两个方面,如果将连续大载荷之间的小载荷删除,容易形成短时间内信号幅值一直较大,导致作动器难以跟上高能量连续输出的节奏,造成迭代发散。所以保留这类小幅值信号很有必要。查看设备资料,得到设备在连续大载荷水平时所能输出的频率。小载荷保留程度应至少保证该段大载荷的频率水平低于该输出频率。

编辑载荷谱是一个反复的过程,如果遇到编辑后某些通道的损伤保持量不达标或者编辑后的信号迭代无法收敛,则要考虑放宽条件或者改进编辑方法进行重新编辑。

2.3 基于损伤时间历程的编辑方法

采用LMSTecware软件中的compute,计算某些通道信号的伪损伤时间历程,选择损伤小的信号段,各通道同步删除(以保持各通道相位信息)。编辑后得到的各段信号之间采用半个周期余弦曲线连接。具体操作过程:首先在软件中计算关注通道的损伤历程,见图2(a);然后在软件中设置适当的损伤阈值,选中低于该阈值对应的信号段,见图2(b);最后删除这些信号段,浓缩结果见图2(c)。

值得注意的是,计算损伤的通道选择不同会导致编辑结果不同,所以计算损伤的那些通道应是设计关注的通道[1]。

该方法操作简单,但每次编辑后,损伤保留量是否达到要求,须通过对编辑结果计算才能判断。

为保证损伤充分保留,可以采用更加保守的方法进行编辑。即对所有通道都计算损伤时间历程,采用相同的阈值同时选择各通道的对应信号段,然后删除选中的信号段。

2.4 定量损伤的编辑方法

车架是本试验考核的重要部件,其材料为16Mn,即低碳钢,则其应变信号中峰值 -峰值应变(pp-strain)小于150μs的信号段对部件寿命影响可以忽略,利用Tecware软件,将这些信号段选中,各通道同时编辑。然后设置预保留损伤比例,如保留90%损伤,进行编辑。该方法可对载荷谱的损伤进行定量编辑。

2.5 兼顾损伤和PSD的综合编辑方法

以往的经验,信号编辑时只考虑损伤单个指标。兼顾损伤和PSD等指标的综合编辑方法,同时考虑了损伤的控制、PSD的控制和相位的保持。本试验中,把前后左右弹簧、前后稳定杆数据作为编辑参考通道,保证这6个通道的损伤保留90%以上,且PSD损失小于20%。利用LMS Tecware软件,同时编辑其他通道。并判断编辑结果是否满足所定的编辑原则。

其中左后弹簧上的应变信号编辑结果如图 3所示,可见信号时间的缩短情况。统计结果见表 1,可知损伤保持很好。

表1 强化路响应信号编辑前后的统计对比

该方法在考虑保持损伤的同时,把PSD的控制作为一个编辑目标,从而在时域和频域上,编辑后的载荷历程的属性都充分接近原始的载荷历程,从而更容易保持耐久故障模式的一致性,减少了疲劳失效机理改变的可能性。

2.6 基于损伤历程编辑方法与兼顾损伤和PSD综合编辑方法对比

图4为通道 7信号按损伤历程编辑结果、兼顾损伤和PSD综合编辑结果与原始信号的对比。由图可见,3条曲线的图形都十分接近,即两种编辑结果的能量分布与原始信号一致。但兼顾损伤和PSD的综合编辑结果能在频域上更加接近原始信号,减小了载荷谱编辑后在频域上的失真。从而使编辑后的载荷谱更易实现迭代。

2.7 各编辑方法的效果

保持损伤为原来90%以上,其中采用兼顾损伤和PSD的综合编辑方法设置PSD损失在20%以内,各编辑结果见表 2。各结果对应的疲劳破坏实际里程的比为循环块的次数比,即损伤的反比。表 2中兼顾损伤和PSD的综合编辑方法考虑了编辑结果在频域更接近原始信号,试验时间会有所加长。

表2 各编辑方法的效果对比(左后弹簧应变)

3 道路模拟中的迭代计算

耐久性试验之前,须计算道路模拟试验台对轮胎的激励,从而在轴头再现编辑后的四轮轴头加速度信号。由于外界各因素引起系统时变非线性,所以采用迭代的方式逐步修正,在Servotest道路模拟试验台上,计算得到驱动信号。

3.1 系统识别

计算系统的频率响应函数的表达式为

式中:u为对系统输入的白噪声,v为输入u时在轴头测量的响应信号,H为系统频率响应函数矩阵, Ruv(noise,response)为白噪声与对应响应的互功率谱密度矩阵,Ruu(noise)为白噪声的自功率谱密度矩阵[6]。利用试验设备配备的Pulsar软件,按式(5)计算出系统频率响应函数矩阵H。

识别出的系统频率响应函数矩阵的质量可采用预测响应方法进行评价[7]。用驱动信号激励系统得到汽车上传感器测量的响应信号v(measure),系统用激励信号和系统的频率响应函数计算得到计算响应信号v(calculate),其接近程度反映了系统识别的精度。

3.2 迭代原理

首先利用频率响应函数的逆和目标响应信号求得初始的驱动信号,即

式中:X0为计算得到的初始驱动信号;gain为增益系数;H为系统的频率响应函数;Y为目标信号。

播放驱动文件 X0,比较传感器上测量的响应信号Y1与目标信号Y,即

式中:Y1为播放驱动信号测量得到的响应信号;ΔY1为测量的响应信号与目标信号的误差。

利用上述的误差 ΔY1计算驱动的修正量 ΔX1,从而修正驱动信号,即

式中:ΔX1为驱动信号的修正量;X1为修正后的驱动信号。

再播放修正后的驱动信号,再一次计算响应信号与目标信号 Y的误差,如此反复下去。当传感器上测量的响应信号与目标信号的误差在所设定的临界值范围内,迭代结束。最后一次的驱动信号作为耐久试验的驱动谱。

3.3 迭代过程中的关键技术

迭代时,要选择合适的控制参量,如位移、加速度和力。采用Servotest道路模拟试验台配套软件Pulsar进行迭代。以四轮轴头加速度谱为目标信号,将轴头加速度信号误差临界值设为 10%。对于工况恶劣的车型(如越野车、货车等),迭代难度加大,可放宽条件,例如误差临界值设为 15%。其中一段载荷谱的迭代过程与结果如图 5所示。

迭代过程中最重要的操作是设置gain值(即增益系数)。gain值的设定取决于系统的线性程度,若线性很好,如刚性系统,则gain值可设为1。线性不好gain值应小于1。初次迭代时,gain应较小,常设为0.3～0.5。如果迭代发散可以通过调整gain值来解决。如果某作动器漏油,导致该作动器输出的能量偏小,则可以增大该通道的gain值以增大作动器能量输出。

gain值的设定是一个实时的过程,根据每次迭代收敛情况,及时调整gain值。各通道gain值的设定是不一样的,应根据通道各自收敛情况选择。

如果目标信号时间较长,可以按路段对信号进行分段,分别迭代之后,将结果重新连接。如果分段时不在信号零点处划分,导致迭代后连接处有信号值的跳跃情况,则用合适的半余弦曲线连接。

3.4 迭代精度的评价

将目标信号和迭代测量的响应信号进行波形和PSD分析对比,如图 6和图 7所示,其重叠性较好。统计对比见表 3,可以看出,迭代精度高。

表3 强化路迭代前后响应信号的统计对比

3.5 迭代试验注意事项

试验时,在汽车振动过程中减振器因不断剧烈地工作而发热,导致其内部液体的黏度发生较大变化,从而使减振器阻尼变化较大。而车辆实际行驶过程中,有空气对流的冷却作用。为了保证模拟精度,采用工业风扇进行冷却。

为了减少车轮在振动过程中离开立柱托盘引起非线性影响,采用尼龙绳把车轮绑在试验台托盘上。

4 汽车室内耐久性试验

在关注的零部件上喷上白漆,以便观察裂纹。循环播放驱动谱,记录循环次数和试验现象。

通过室内道路模拟耐久试验结果与路试结果的对比表明,两种试验出现的故障类似。例如,室内耐久试验中出现了路试时也出现的稳定杆衬套固定支架断裂、减振器漏油、扭杆弹簧支座固定螺栓断裂、支座脱焊等故障,如图 8所示。

5 结论

对采集到的载荷谱进行兼顾损伤和功率谱密度(PSD)的综合编辑,其结果在频域上更接近原始信号,有利于实现迭代,同时缩短了试验时间。讨论了迭代时如何设置合适的gain值,从而得到试验台对轮胎的激励信号。迭代的精度和室内试验呈现出的与路试类似的故障,说明室内道路模拟耐久性试验的可行性。

[1] 朱涛.汽车关键零部件疲劳分析与试验综合研究[D].北京:北京航空航天大学,2007.

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[3] Chandrakant Awate,Suyog Panse,Colin Dodds.Validation of an Accelerated Test on a 4-Post Road Simulator[C].SAE Paper 2007 -26-070.

[4] 周水兵.用户关联汽车道路载荷谱编制的研究[D].杭州:浙江大学,2008.

[5] 王国军.疲劳分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社, 2009.

[6] Xu Peijun,Wong Dan,Pierre LeBlanc,et al.Road Test Simulation Technology in Light Vehicle Development and Durability Evaluation[C].SAE Paper 2005-01-0854.

[7] 江浩斌,戴云,于林涛.基于六通道道路模拟机的重型汽车路面激励再现试验[J].汽车技术,2008(9):46-49.