汽车托运平板车辆的模拟试验方法研究

范 璐，李晨阳，吴佳巍，赵尤蕾，何 海，吴 伟

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)

前言

大多数车辆零件的失效形式为疲劳破坏，因此疲劳耐久试验是整车开发流程中最关键的环节之一。试验室模拟技术以其试验时间短、高重复度等优势，吸引了各大整车厂和高校纷纷投资建设。

许多车型在运输过程中均发生过零件失效问题，因此运输过程中的零件失效问题不容忽视。过去几十年间，学者们主要关注于室内道路模拟试验[1－3]，但对室内运输模拟试验研究甚少。运输模拟试验可在项目开发的前期快速发现车辆零件在运输过程中的疲劳失效问题，主要包括零件干涉磨损、排气管吊耳脱出和扭力梁开裂等。此类失效不能通过道路模拟试验复现。运输模拟试验分为汽车托运平板车辆(公路)运输、铁路运输和水路运输等模拟试验。通用汽车公司北美试验室建造了两台标准运输模拟试验台架，一台用于汽车托运平板车辆运输模拟，另一台用于铁路和水路运输模拟。福特公司开发了铁路运输仿真模型，并在福特工程研究中心建成了铁路运输模拟试验台架[4－5]。克莱斯勒公司和温莎大学也具有铁路运输模拟试验的能力[6]。从国内而言，70%以上的车辆运输方式都是汽车托运平板车辆运输，因此研究汽车托运平板车辆运输模拟试验的意义重大。

本文中探索出了一套完整的汽车托运平板车辆模拟试验方法，并在MTS329设备上进行改造，加装运输模拟平板，建成国内首个汽车托运平板车辆模拟试验台架。从数据采集到耐久试验，探讨了该模拟试验方法，通过实车试验的结果验证了汽车托运平板车辆模拟试验方法的有效性。

1 信号采集

运输模拟试验主要包括汽车托运平板车辆运输信号采集、信号编辑处理和实车试验等。通过对运输平板加速度信号进行迭代，模拟复现出运输平板的运动。利用台架试验重复性好、精度高和不受环境影响等优点，能在短时间内快速发现零件失效问题。

汽车托运平板车辆运输信号采集所选的路线需足够多，且能充分反映我国运输路面。结合上汽通用4大生产基地和6大仓储中心的现状，从中选取车辆运输最为频繁的14条路线进行数据采集。这14条路线的基本情况见表1。为了最严苛地考核车辆零部件在汽车托运平板车辆运输过程中的疲劳耐久性，选择运动最剧烈的上层平板最后排一辆车作为考核对象，采集该处运输平板的加速度信号，用于后续台架试验迭代。

表1 运输路线汇总

为准确地反映平板的运动状态，安装4个三向加速度传感器，分别位于车辆的左前方、右前方、左后方和右后方，共采集12个通道的加速度信号。传感器安装位置的俯视图如图1所示，其中A表示前后传感器的间距；B表示左右传感器的间距。

2 信号处理

信号处理流程如图2所示。

图1 传感器位置图

图2 信号处理流程图

直接由运输平板上加速度传感器所测得的信号称为原始信号。根据原始信号频谱分析，运输模拟试验只关心10Hz以下的低频信号，为除去干扰信号，需要对原始信号进行滤波处理。信号采集的样本点有14条路线，而每条路线中由于受运输平板开槽位置的影响，加速度传感器安装间距A值和B值无法统一，因此需要通过加速度坐标转换，统一所有线路的A值和B值。转换后，A值为3.2m，B值为2.1m。转化后的加速度信号称为基准信号。

为缩短耐久试验时间，根据加速度信号各帧最大方差值和最大绝对值设定阈值，剔除能量贡献量较小的信号，保留下来的信号称为编辑信号。对基准信号共14个样本点进行穿级计数，归一化至1 000km同等里程后，根据正态分布算出其95%分位线。编辑信号的统计特征，即其穿级计数须与基准信号的95%分位线一致。以各样本点编辑信号的循环次数为未知数，编程匹配基准信号95%分位线。匹配效果见图3～图5，由于信号较多，一共有12个加速度通道，这里只截取部分通道展示。前面已经剔除了能量贡献量较小的信号，所以在小幅值区域编辑信号的计数小于基准信号。

图3 左前纵向加速度匹配效果图

图4 左前侧向加速度匹配效果图

图5 左前垂向加速度匹配效果图

3 试验台架搭建

汽车托运平板车辆运输模拟试验台架是在MTS329设备基础上，拆除制动部件的连接，加装运输模拟平板，重新编辑台架控制模式而搭建的。在运输模拟平板的指定位置分别安装4个三向加速度传感器用于试验迭代，其A值和B值分别与第2节中转换后的A值和B值一致。

台架控制的难点在于既要模拟出平板的真实运动姿态，又要保证运输模拟平板的内力不能过大，防止平板开裂。因此在设置台架控制模式时，必须同时考虑液压缸的位移和力的控制。试验台架一共有12个驱动，具体说明见表2。

表2 运输模拟试验台架驱动

试验台架如图6所示。试验时，车辆通过专用绑带固定在运输模拟平板上。为增加绑带的摩擦力，防止试验过程中与车轮脱离，需在绑带与车轮之间增加特制的橡胶块。

图6 试验台架

4 实车试验

实车试验主要分为模型辨识、信号迭代和耐久试验3个部分。

4.1 模型辨识

运输模拟试验系统模型包含试验车辆、运输模拟平板、液压缸、控制器和传感器等。模型辨识采用频率响应函数法，即给定一个白噪声激励信号，测出台架系统由此产生的响应信号，再通过式(1)求出系统模型。

式中:H(f)为系统模型；Gyx(f)为响应信号和激励信号的互功率谱；Gxx(f)为激励信号的自功率谱。

4.2 信号迭代

信号迭代的目的是得到液压缸的驱动信号，使台架的运输模拟平板在此驱动信号的激励下所产生的加速度响应与实际数采时的响应一致。

如果整个系统是线性的，则此驱动可通过式(2)得到。

式中:X(f)为驱动信号谱函数；Y(f)为目标响应信号谱函数。

但真实的运输模拟试验系统是非线性的，故须通过迭代的方法，逐步使系统响应信号与迭代目标信号一致。迭代的过程如图7所示。

图7 迭代流程图

通常迭代质量评价指标包括响应信号均方根值误差、相对能量对比、幅值对比和功率谱密度对比等。均方根值误差表示各通道的收敛情况，其计算公式为

式中:ε为均方根值误差；RMS(yr(t))为响应信号均方根值；RMS(yd(t))为迭代目标信号均方根值。

应用MTS公司的RPC软件[7]对运输模拟试验系统进行迭代，取得了很好的迭代效果。图8为迭代的均方根值误差结果。由图8可见，随着迭代步数的增加，时域上系统响应信号与迭代目标信号越来越接近，均方根值误差越来越小。

图8 均方根值误差

相对能量的计算公式为

式中:E为相对能量；a(t)为加速度信号。表3对比了系统垂向最终响应信号的相对能量和迭代目标信号的相对能量，相对能量比满足迭代要求。

表3 信号能量对比

图9～图12为迭代前后垂向加速度功率谱密度对比。由图可见，频域上系统最终响应信号的功率谱密度曲线与迭代目标信号的功率谱密度曲线非常接近。由于运输模拟的主要振动方向为垂向，鉴于篇幅限制，这里仅选取垂向功率谱密度信号对比。

从以上几个迭代质量评价指标来看，迭代结果满足要求。

图9 左前垂向加速度功率谱密度对比

图10 右前垂向加速度功率谱密度对比

图11 左后垂向加速度功率谱密度对比

4.3 耐久试验

图12 右后垂向加速度功率谱密度对比

得到满意的驱动信号后便可开始耐久试验。分别算出基准信号95%分位的能量和迭代最终响应信号的能量，其比值即为耐久试验的循环次数。由于各通道的比值略有差别，这里选取各通道比值的算术平均值作为最终耐久试验的循环次数。

耐久试验结束后，检查车辆零件，发现排气管吊耳衬套磨损，与实际运输过程中零件的失效形式一致，证明了试验方法的有效性。

5 结论

总结了汽车托运平板车辆模拟试验数据的采集与编辑处理流程，论述了完整的台架试验方法。与国外造价昂贵的标准运输模拟试验台架相比，该运输模拟试验台架是在MTS329设备基础上改造而成，成本较低，对于很多拥有MTS329设备的整车厂和高校具有一定指导意义。

[1] 沈宏杰，周鋐.汽车零部件道路模拟加载谱研究[J].汽车工程，2010，32(2):159－142.

[2] 钱立军，吴道俊，杨年炯，等.基于室内道路模拟技术的整车加速耐久性试验的研究[J].汽车工程，2011，33(2):91－96.

[3] 曾发林，阮洋，李建康.道路载荷谱采集可靠度评判方法的研究与应用[J].汽车工程，2016，38(1):91－96.

[4] GAUSEWITZE A.Rail transit simulation[C].SAE Paper 810283.

[5] LOH W Y.Computer-based modeling and simulation for vehicle rail shipping impact analysis[C].SAE Paper 960520.

[6] XU P J，WONGD，LEBLANCP，et al.Road test simulation technology in light vehicle development and durability evaluation[C].SAE Paper 2005－01－0854.

[7] DODDSCJ.A computer system for multi-channel remote parameter control of a test specimen[R].Minnesota，MTSPublication，1977.