道路模拟试验系统浅析

高丽莎

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

道路模拟试验系统浅析

高丽莎

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

∶文章首先讨论室内道路模拟试验的国内外发展现状，随后介绍了两类道路模拟试验系统，包括轮胎耦合试验系统、轴耦合试验系统，并分析比较两种试验系统的优缺点，重点分析了轴耦合道路模拟机的结构以及单个自由度的对应的功能。

∶道路模拟试验系统；轮胎耦合；轴耦合

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.063

CLC NO.: U467.1+1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-188-03

引言

随着汽车工业的迅速发展，汽车走进家家户户，成为人们日常生活中使用最频繁的大商品之一。耐久性试验是汽车在实车验证阶段中最为重要的试验之一，其试验结果可检验产品是否合格，同时可给后续的改进工作提供依据，愈来愈受到制造商的关注。为了缩短产品研发周期，快速获取汽车耐久性、可靠性等性能参数，各大制造商纷纷采用室内道路模拟试验系统。

1、研究现状

室内道路模拟试验作为一种重要的耐久性试验方法始从上个世纪六十年代，是以电液伺服技术，计算机技术的发展和快速傅里叶变换的应用为基础逐步发展起来的。

1962年美国 MTS 公司为通用汽车公司研制了世界上第一台道路模拟台，拉开了道路模拟试验系统的序幕。1973年MTS公司的 Thomas.Phillip.Lentz 等发明了第一台3-DOF轴耦合道路模拟试验台，可以实现横向、纵向和垂直三个方向的加载试验；之后MTS公司又相继研制出了4-DOF、5-DOF、6-DOF轴耦合道路模拟试验台；2004年MOOG为Volkswagen公司研制出了悬架测试轴耦合试验台。1974 年，Henry A.Borg 发明了轮耦合振动台。

相比于国外，我国的道路模拟试验技术发展的起步比较晚，直到 1975年由我国自行设计的第一台液压疲劳试验系统诞生，标志我国道路模拟试验技术研究的开始，此后我国的对道路模拟系统的研究主要是从国外引进阶段逐渐发展到国产化阶段。我国目前对4通道轮耦合道路模拟试验台的研究有一定成果，但是对轴耦合道路模拟试验台的研究较少。

2、室内道路模拟试验概述

道路模拟技术作为一种现代先进的计算机及控制技术的产物，融合了数字计算机技术和电子液压伺服等技术的最新发展，能在室内通过一定的试验设备创造出与车辆在实际使用时一致的载荷环境，精确地再现汽车在实际使用工况下的各种运动和受力情况，便于在室内加速分析引起被测试车辆关键零部件疲劳损坏的原因，弥补了道路试验的许多不足之处，节省大量的人力、物力及时间。

在道路模拟试验中，一般包括以下四个步骤：

（1）通过6分力轮、应变片、加速度传感器以及位移传感器等设备采集汽车在实际行驶工况下道路载荷谱，提取目标响应信号；

（2）通过白噪声激励获取整个试验系统的频响函数矩阵和逆矩阵；

（3）由频响函数矩阵和目标信号生成初始的驱动信号，通过迭代计算逐步修正驱动信号，直到满足精度要求，建立最终激励信号文件；

（4）反复施加激励信号进行耐久性试验。

3、道路模拟试验台

道路模拟试验台是进行宰内道路模拟试验的主要设备，主要制造厂商有：美国的MTS、英国的Servotest、美国的IST、日本的鸾宫等。道路模拟试验台驱动器原动力有电动和液压两种类型。由于液压式道路模拟振动试验台成本低且性能优良，因此应用较为广泛。对于采用液压伺服技术的道路模拟振动台来说，其本质上是一套电液伺服系统，主要由液压油源、电液伺服阀、液压缸、加载杆系、数据采集及控制系统等组成，如图1所示。

图1　道路模拟振动台的构成

它的工作原理是：计算机发出驱动信号，经过控制器进行 D/A 转换，分油器根据伺服信号向各作动器分配液压油驱动台架动作，同时回收台架的运动参数反馈信号，再通过控制器实现 A/D 转换，输入到计算机中进行分析和计算，如此形成闭环系统。

道路模拟试验台按照与试验汽车的连接方式可以分为：轮胎耦合式和轴耦合式，如图2、图3。轮胎耦合式所能提供的激励主要是垂向载荷；轴耦合式可以提供多向载荷（一般是六分力）。

图2　轮胎耦合道路模拟台

图3　轴耦合道路模拟台

3.1轮胎耦合道路模拟试验台

轮耦合道路模拟台是指在进行试验时，将车轮轮胎置于作动器上的托盘上，轮胎与液压伺服作动器直接连接的道路模拟台。

在轮耦合道路模拟系统中，主要考察垂直方向的振动。一般每个轴头需要一个垂直方向的作动器，所以通道数，即作动器数，等于轴数的两倍。在道路模拟试验中，由汽车和道路模拟试验台共同组成了道路模拟试验系统，汽车作为系统的负载道路模拟系统是一个具有多自由度负载的电液伺服系统，由伺服控制元件、作动器和汽车组成的液压动力机构的动态特性很大程度上决定着整个系统的性能。

图4为道路模拟台单通道系统结构原理图。单通道道路模拟试验台仅能模拟零部件某个方向的运动和受力情况，但可与多通道试验台联合作用，对车辆整车及其零部件进行性能试验。

图4　道路模拟台单通道系统结构原理图

3.2轴耦合道路模拟试验台

轴耦合道路模台是指在进行迭代试验时，将轮胎卸下，把汽车的轴头与作动器上直接相连的道路模拟试验台。

轮耦合道路模拟台的液压作动器只在垂直方向上激励，而轴耦合式道路模拟台的结构更为复杂，台体本身是一个多自由度并联机构，可以模拟汽车在行驶过程中受到的 6 个自由度的激励。轴耦合试验台结构简图，如图5。

图5　轴耦合试验台结构简图

将坐标系0-XYZ建立在平台中心，不随平台运动。S表示球铰接，U代表十字铰接，R表示转动副。

以下为6个自由度对应的功能及杆系运动。

（1）X轴平移，杆系4、5、6同向运动，侧向施加作用力；

（2）Y轴平移，杆系1运动，纵向施加作用力；

（3）Z轴平移，杆系3运动，垂直方向施加作用力；

以上三个自由度能够实现汽车在粗糙路面上正常行驶。X轴方向的作用力模拟汽车轮胎受的侧向力，Y轴作用力模拟地面对轮胎的驱动力与行驶阻力不平衡的量，Z轴作用力模拟地面对轮胎的支持力。

（4）绕X轴运动，杆系2运动，模拟汽车制动和加速；

（5）绕Y轴运动，杆系5运动，模拟外倾；

（6）绕Z轴运动，杆系4、6反向运动，模拟转向。

最典型的轴耦合道路模拟机是MTS公司329型6DOF系统，在道路模拟测试中，可以在每个角对包括垂直、侧向、纵向、制动/驱动扭矩、外倾力矩、转向力矩、转向位移、转向盘位移力和力矩进行六自由度控制。不同于其他测试方案供应商使用相同的、运动上相互干涉的六个作动器，329 型6DOF 系统安装了经过优化的独立运动的作动器，从而向各个特定的车轴施加输入。

3.3轮耦合与轴耦合道路模拟试验台对比

轮耦合道路模拟台与轴耦合道路模拟台在价格、结构、原理及应用上存在很大不同：

（1）轮胎耦合道路模拟试验台

优点：由于结构原理简单，所以安装、操作简便，所需动力较少、试验周期短，价格较便宜；

缺点：轮胎在车轮座上由于振动而产生滑移、使多通道加载困难，一般只采用垂直加载的方法。

（2）轴耦合道路模拟试验台

优点：能完整重现了所有多轴车轴载荷，从而实验结果更加完整、准确可靠；对于复杂动态的非线性事件，可提供更加有效的控制；

缺点：因为试验时要同时进行多通道的模拟，所以结构和试验操作比较复杂；价格较昂贵。

4、结论及展望

（1）室内道路模拟试验具有准确、高效、可重复性好等优点，不受环境、道路、气候等影响，既比传统试验场试验简单高效，又比CAE试验方法更加接近真实情况，已成为汽车研发及下线检测中必不可少的试验手段；

（2）分析轮耦合、轴耦合道路模拟台的优点及不足，轮耦合主要用在下线检测，轴耦合的应用则不限于车身，还可以进行零部件的疲劳分析，主要应用在设计的初始阶段；

（3）纵观道路模拟试验系统的发展，硬件方面轴耦合道路试验模拟台越来越接近汽车在道路上行驶的实际情况，下一步应该要在保证测试精确度的情况下简化机构、降低成本，开发更多功能，扩大应用范围，对汽车各方面性能的分析不局限于整车而能精确到汽车每一子系统。

[1] 韩玉明.车辆轴耦合道路模拟试验台运动学分析[D].哈尔滨工业大学,2012.

[2] 张鹤.AMT执行机构多通道道路模拟试验研究[D].重庆理工大学,2013.

[3] 张冠中.6-DOF轴耦合道路模拟试验台运动学研究及结构参数分析[D].哈尔滨工业大学,2013.

[4] 谯凯.DCT多通道道路模拟试验方法研究[D].重庆理工大学,2014.

[5] 王继龙.轴耦合道路模拟试验台逆动力学及输出力控制系统研究[D].哈尔滨工业大学,2014.

[6] 汪斌.道路模拟试验台路面不平度再现方法研究[D].武汉理工大学,2010.

Analysis of Road Simulation Test System

Gao Lisha
（Wuhan University of Technology College of Automotive Engineering, Hubei Wuhan 430070）

Firstly,this article discuss the laboratory road simulation test development status at home and abroad, then introduces two kinds of road simulation test system, including tyre coupling experiment system and shaft coupling system, and compared the advantages and disadvantages of two kinds of test system, focusing on the analysis of the structure of shaft coupling road simulator and the function of a single degree of freedom.

Road simulation test bench; Tyre coupling; Shaft coupling

∶U467.1+1

∶A

∶1671-7988 (2016)09-188-03

高丽莎（1993—）女，研究生，就读于武汉理工大学。