四立柱振动台架在车辆疲劳实验中的应用研究

邹成

北京新能源汽车股份有限公司 北京市 100000

1 相关理论介绍

在涉及到车辆的疲劳耐久性能的时候通常会将车辆的可靠性、耐久性、使用寿命等词语混为一谈，其实这些概念有相同之处但也有不同之处。

耐久性，顾名思义可以理解为持久保持的一项性能。车辆的耐久性可以定义为车辆保持其使用质量以及使用功能所维持的时间。在一定的时间和使用条件之下，车辆的使用者不用对车辆修理或者是更换。在汽车的设计开发的过程中，车辆的结构耐久性是设计所需要关注的问题，同时也是车辆的使用者所关注的，在将车辆投放到市场之前，其耐久性指标需要及格。

对于车辆来说，车辆耐久性可以用功能寿命的年限或者所能够行驶的公里数来表示。而车辆的疲劳则是指的车辆的某个结构材料在某一应力的作用下，产生裂纹、裂纹扩散直到零部件的某一部位出现脱落或者断裂的情况。和疲劳相比，车辆的耐久性包含的含义更为广泛。而可靠性则是指的在某一规定的条件或者时间期限之内车辆所能够完成的功能指标的概率大小。

车辆疲劳对于车辆性能以及车辆使用寿命的影响直观重要，近些年来的车辆设计中，车辆疲劳的寿命问题受到越来越多的关注。因为上面提到过机械零部件所受的损伤中有百分之八十左右的损伤都是因为疲劳损坏，因此对于汽车来说，有必要对承受荷载的零部件进行疲劳强度的测试。四立柱台架诞生于1962年，其应用于多个领域，当然也包括在汽车疲劳测试中的应用。

汽车在道路上行驶的过程中，道路的垂直输入荷载会导致车上的多个部位，比如车身、车架以及驾驶舱等等多个部件的疲劳损伤，而通过利用四立柱振动台架应用垂向作动器于车轮之下，对车辆施加压力来模拟车辆在道路上行驶过程中所承受的荷载，从而模拟真实受力情况，这样的试验不仅有效提高了试验效率，节约了时间还能够进行多次重复的试验，因此在汽车疲劳试验中得到广泛的应用。

2 车辆零部件疲劳耐久性开发

不管是汽车或者是其他类型的机动车在道路上行驶的过程中，由于路面的不平整而造成对车辆本身有一个路面冲击荷载，而在行驶的过程中由于车辆会转弯、加速、刹车等操作会让车辆本身受到来自于侧面转向力、驱动力以及制动力等方面的作用力。这些作用力加在车辆的身上并且随着时间的推移也会发生变化。而车辆的发动机本身也是一个振动的源头，所以受到来自外在以及自身各方面的影响，车辆在行驶的过程中处于复杂环境之中，那么车辆的各个部位的零部件也会受到各个因素产生的应力影响，并且这个影响随着时间的推移会渐渐的发生变化。表现就是车辆工作一定的时间之后，车辆的某些零部件会产生疲劳损伤，在零部件的表面出现裂纹甚至出现整体断裂的情况。车辆的零部件损伤有80%左右都是由于疲劳损伤而引起。

自从各种类型的车辆被制造出来的那一天起，就将车辆的疲劳耐久性能作为车辆测试的一个极为重要的性能指标。而在先前的一些汽车厂家在宣传自家的汽车产品的时候，也会将长距离长时间驾驶的方式来证明自己的汽车具有较高的耐久性以及可靠性。这都是汽车的疲劳耐久性能得以被重视的表现。

3 四立柱振动台架在车辆疲劳试验中的输入信号获取

车辆内零部件所受到的疲劳损伤主要是由于循环荷载所引起的，因为汽车各个零部件所受到的荷载压力和汽车的输入荷载量是成一定的比例关系的，那么在理论上来看如果车辆输入荷载量相同的情况之下，那么各个部位所承受的疲劳损伤也应该是相同的，那么这样一来我们汽车疲劳试验的关键就是要精确获取输入信号。

四立柱振动台架在车辆疲劳试验中获取输入信号的途径有多种，比如将测量特殊路面上垂向位移信号得到的信号作为传动缸的输入信号，还可以统计分析道路荷载，一旦荷载信号满足统计特性那么就可以作为传动缸的输入信号。当然这些方法都有其自身的缺陷，因为它们并不能完全的将车辆在实际行驶状况之下所承受的荷载给还原出来。而MTS工业系统有限公司和INSTRON公司分别提出了RPC技术（一种远程参数控制技术）和时域波形再现技术，两种技术迭代之后对车辆在道路行驶过程中特定部位的响应得以完美的再现出来，当模拟值以及目标值符合要求之后则输入此时的信号作为传动缸的输入信号，满足这样的条件既可以能够最大程度的还原汽车在真实道路状况下的荷载。

图1 目标部位的加速度信号

图2 目标部位的位移信号

图3 均方根误差、均方根值迭代处理结果

4 RPC技术和时域波形再现技术模拟步骤解析

技术模拟主要包括以下几个步骤：

①采集道路谱

在需要进行疲劳测试的车辆部位安装传感器，然后让汽车在制定的地点或者道路路段行驶，在此过程中传感器会采集疲劳测试目标部位的道路荷载值。

②编辑道路谱

根据以上方法到车辆目标部位的道路谱之后，首先对异常的信号进行排除，然后对疲劳测试影响不大的时间段也排除出去，力求让整个试验集中于有效的时间段内，以免对整个试验的效率产生影响。

③求解响应函数

生成随机信号X然后将其加载到系统中，带系统输出Y值，通过X和Y值测算出系统传递函数H。

④迭代计算

将目标信号Yt代入公式计算出第一次输入值X0，将X0加载进入系统之中得到输出信号Y0，然后再比较输出信号和目标信号之间的差距，根据此差距对输出信号进行修正。重复以上步骤，一直到输出信号和目标信号之间的误差在允许的范围之内即可。

5 四立柱振动台架测试车辆疲劳性能的模拟实验

以普通的某品牌客车车型为例，对应用四立柱台架测试车辆的疲劳性能的试验进行介绍。

5.1 目标信号的获取

选择客车前后桥轴头对车身的位移数据以及前后桥的轴头Z方向上的加速度作为目标信号来采取。目标信号的获取如下图所示，分别是目标部位的加速度信号以及目标部位的位移信号。在客车的四立柱台架安装多个方向的加速度传感器，以此传感器捕捉到的信号作为辅助的观察信号。

5.2 迭代运算

在进行试验的过程中，通过托盘将车辆的四个部位的轮胎分别放置于四个作动器的上方，输入信号被作动器接收之后引发激励反应，然后该反应通过轮胎作用在整辆客车上。系统中的输入信号表示的是作动缸的位移信号，而输出信号则是车辆前后桥轴头的位移信号或者是前后桥轴头的加速度信号。不过需要注意的是在高频阶段的位移信号以及处于低频阶段的加速度信号很容易产生误差，因此在进行疲劳测试试验的过程中需要对加速度信号和位移信号进行综合考虑，并且两者需要作为跟踪信号来处理。

5.3 迭代处理结果

通过对目标信号进行多次的迭代处理之后，对目标部位的加速度信号以及实际道路行驶情况下采集到的加速度信号相比较，可以看出两者相当接近，迭代处理后的均方根误差控制在10%左右，均方根值误差控制在5%以内便可以判定为输入信号和实际道路行驶情况下路面载荷相近，使用这个输入信号来进行车辆的疲劳试验的测试，可以等同于真实路面行驶情况下的路面荷载对于车辆疲劳性能的影响。

5.4 试验结果获取

通过对疲劳测试试验中对于客车的车身以及连接部件等部位零部件的观察可以首先在外观上判断客车是否出现了疲劳损伤，在疲劳测试的过程中检查减震器特性曲线，判断其性能是否出现了衰退，并且根据加速度信号分析整个车辆的平顺性等等。

6 结语

本篇文章通过以某品牌的常规客车为试验对象，对四立柱振动台架在车辆疲劳性能测试中的应用进行了简要的介绍，并且应用了一种能够摆脱实际道路行驶测量车辆疲劳性能的试验方法，通过在室内进行试验，可以对车辆的零部件以及车辆整体做道路模拟，并且能够有效的加快试验的进程，提高试验效率，这样也在一定程度上对于车辆的研发提供了及时有效的参考，从而缩短车辆新车型的研发周期，并且能够对车辆在设计、开发以及改善等方面提供有力的科学依据。