室内台架道路模拟试验技术发展综述

宫海彬，姚 烈

（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804）

汽车耐久性是汽车质量好坏的重要标志之一，耐久性试验是产品开发中的关键环节，包含道路试验和室内台架道路模拟试验。

室内台架道路模拟试验采用试验台架模拟车辆实际运行时各部件的载荷状况。通过对整车、系统及零部件进行疲劳试验，早期发现样件缺陷或快速复现道路试验中的失效问题。与道路试验相比，台架试验快速、重复性好，随着产品开发周期的压缩，其重要性越来越突出。

与道路试验的相关性是台架试验的关键，国内外学者进行了大量相关研究。XU Peijun等[1]对车辆开发中与耐久性试验相关的不同试验方法和技术及工作流程进行了研究。AWATE等[2]基于四立柱台架对整车进行快速试验，并对标路试，研究两种试验结果的差异。钱立军等[3]、汪斌等[4]、石锋等[5]等对整车道路模拟试验进行研究，验证了整车台架试验方法的有效性。上官文斌等[6]验证了基于MTS833试验台架开展悬置耐久试验的有效性。

但汽车开发项目周期压缩，早期阶段样车成本高昂且车辆状态差，数据采集周期长，悬架参数未调试至最终版本，与最终上市车辆相比，各部件载荷存在一定的差异。因此，台架试验在汽车开发过程中，各样件早期耐久性验证面临比较大的挑战。同时，针对整车及系统试验简化为零部件试验，以及对试验结果的评价等，项目实践中往往依赖于经验，缺少系统的分析方法。

本文通过对室内台架道路模拟耐久性试验技术原理及工作流程进行梳理，分析了影响台架道路模拟试验的关键因素，特别总结了台架搭建及试验方法、载荷谱获取及样本选择、试验结果评价的研究现状，并展望了未来室内台架道路模拟技术的发展方向。

1 台架道路模拟试验技术原理及分析

20世纪60年代，随着液压伺服设备和数字式程序控制器的产生和发展，针对汽车道路模拟，国内外开展了大量研究。MTS、ISTRIN、Schenck，TEAM，FCS等公司先后开发了一系列道路模拟试验台架及相应的试验控制技术[1，7]，杜永昌等[8]、陈栋华等[9]、胡毓冬等[10]对汽车道路模拟试验台控制算法进行了研究，目前常规试验台架及控制技术已基本成熟。

基于已有的常规台架，道路模拟试验复现样件道路试验中的载荷需要以下几方面工作：路谱采集及数据编辑、系统模型识别、迭代及耐久性试验。针对特定零部件失效问题，还需针对性地搭建试验台架。

系统模型识别基于非参数频率响应函数模型辨识法获得整个试验系统的频率响应函数。台架同时对各激励通道加载互不相关的随机激励信号，测量试件响应信号，根据激励信号及测得的反馈信号计算系统的频响函数矩阵：

根据已获得的H(f)及实测的路谱数据可获得台架的驱动信号。但由于试验系统不同环节存在不同程度的非线性，因此线性系统假设得到的驱动信号激励试验车时，得到的响应与目标响应往往存在很大误差。为此，需用迭代的方法逐步修正驱动。根据H(f)及目标响应信号，计算试验台架的初始激励：

式中：X0(f )为初始激励频域信号；YS(f )为目标响应频域信号。

驱动台架记录样件响应信号，计算实际响应信号与目标信号的误差，根据该误差及系统的频响函数矩阵H(f)修正初始激励信号，逐步反复计算，直至台架响应信号与目标信号的误差小至可接受范围，则将对应的激励信号作为耐久性试验用的台架驱动信号。图1为迭代流程图。

图1 迭代流程

随着技术进步及项目开发周期的压缩，台架道路模拟耐久性试验在产品开发中的作用越来越显著。然而，由于台架试验的特殊性及部分局限，针对台架试验与道路试验的一致性依然存在一定挑战。提高与道路试验的相关性是成功开展台架试验的关键，取决于四个方面：（1）载荷谱的代表性；（2）搭建台架的合理性；（3）环境模拟；（4）试验结果评价[11]。接下来将重点针对（1）、（2）及（4）三项内容，梳理国内外相关研究进展并进行分析，探讨室内台架道路模拟耐久性试验技术发展方向。

2 试验台架及试验方法

针对不同的试验对象，试验台架包括整车/系统级台架及零部件试验台架。根据台架与试验对象连接方式的差别，可将整车/系统级台架分为轮耦合、轴耦合、运输模拟三种。在整车开发验证中，整车及系统级台架试验是进行产品的集成验证，而零部件试验是对其设计载荷的验证。

2.1 整车轮耦合道路模拟试验

轮耦合道路模拟试验中，车轮支撑在试验台架作动器托盘上，试验车车轴的数量决定了试验系统作动器的数量，其中，四立柱台架最为常见。该台架最常规的试验是通过控制作动器垂向运动，模拟试验场路面垂向不平度信息，考核与车轮垂向运动相关的样件。这类试验准备简单，输入载荷可采用通用标准谱，通常用作车身结构耐久性试验。AWATE等[2]对该试验标准流程、考核范围的定义等进行了研究。通用汽车公司的SCIME[12]研究了无需数采，根据数字路面信息、车辆参数计算生成对应车型的四立柱作动器期望位移目标信号的方法。

图2 轮耦合道路模拟试验系统

除以上常规试验外，四立柱台架还可以直接将作动器通过车辆轴头激励试验车[13]。

2.2 整车/系统轴耦合道路模拟试验

轴耦合道路模拟试验系统采用台架夹具代替车轮，通过实现力和力矩的六自由度控制（垂向、侧向、纵向、制动/驱动、外倾及转向），模拟车辆的多轴载荷轮心输入。根据受载方式的不同，可将该试验分为整车惯性反力试验，半惯性反力试验，整车、1/2车、1/4车的固定反力试验等。

常规的轴耦合道路模拟试验流程与轮耦合试验基本相同，但由于其控制自由度和加载方式与轮耦合试验存在差异，试验依赖于轮心六分力信号作为重要的控制目标，相应的试验方法及试验特点分析是目前研究的热点。DEVARAJAN等[14]研究了三自由度轴耦合试验台的迭代控制策略及路试与台架试验差异对比[14]。LI An等[15]研究了基于六自由度轴耦合试验台架开展无轮心转向、侧滚转矩路谱数据的道路模拟技术。XU Peijun[16]对转向运动及载荷测量、数据分析方法及转向机不同约束方式下多通道试验进行了研究。DE ALMEIDA等[17]研究了多通道台架试验与道路试验中动力总成悬置载荷的差异。WU等[18]研究了在固定反力试验中低频段及高频段轮心垂向加速度控制的影响。BHATTACHARYA等[19]对整车惯性反力试验控制通道的选择方法进行了研究。

2.3 运输模拟试验

工厂生产的车辆在通过平板运输车等运往各地经销商的过程中，由于其约束条件的特殊性，汽车制动系统、轴承等底盘部件受载方式与道路试验差异较大，常规试验场试验和台架试验无法覆盖对应的失效模式，往往需要运输模拟试验来发现潜在的失效问题。

该模拟试验通过复现车辆运输时的位移和加速度信息，评估和优化不同约束方法等[1]。

2.4 零部件道路模拟试验

零部件试验是对其设计载荷的验证，设计载荷需包含一定的安全系数，以确保该零部件在设计验证和产品验证阶段不产生失效。同时，道路试验、整车及系统级台架试验中发现的样件失效问题，往往通过零部件试验快速复现及优化设计方案的再验证。根据台架载荷加载方式的不同，可将零部件试验分为固定反力和惯性反力试验。固定反力试验主要针对底盘结构件，惯性反力试验采用单轴或多轴振动台架，对象通常为仪表台、天窗、座椅、散热器、电池包等。基于MAST的悬置总成试验为综合型试验。

零部件试验为整车或系统试验的简化试验，其关键是模拟样件实际使用时的边界条件和负载状态，主要涉及：（1） 损伤主贡献因素分析；（2） 台架设计及搭建；（3）载荷谱生成。其中，（2）、（3）两项内容相对成熟，（1）项内容是目前研究的热点。为确定样件损伤主贡献因素，AWATE等[2]提出了三种分析方法：相关性分析、互谱分析和联合概率密度分析。SAKAI等[20]提出了一种基于多通道台架试验对悬架损伤贡献的分析方法。

3 载荷谱

载荷谱是台架试验模拟的目标，精确复现道路试验中的载荷，是提高台架-道路试验一致性的基础。目前汽车行业室内道路模拟试验载荷谱主要来源于实车路谱数据采集。但由于项目周期、成本等方面的限制，国内外科研院所、主机厂及供应商也对无路谱数据采集的道路模拟试验技术进行了相关研究，如：标准载荷谱开发、虚拟路谱数据采集及混合试验等。

3.1 实车路谱数据采集及选择

3.1.1 路谱数据采集

通过实车路谱采集获得载荷数据是目前室内台架道路模拟试验及虚拟分析优化的主要依据。目前轮心、杆件、各安装点力的直接测量、样件改制及贴片、悬架位移测量等均已为成熟技术并得到了广泛的工程应用。试验时，需要在试车场或公共道路上驾驶一台装有采集仪器的车辆进行数据采集。

随着目前项目开发周期的压缩，越早开展路谱数据采集对项目的作用越大。然而，早期开发阶段车辆价格昂贵，为便于安装传感器，数采车需进行一定改制，同时随后续悬架参数的调试，采集数据的有效性存在挑战。OGUNOIKI等[21]研究了一定输入下底盘重质量、弹簧刚度及减振器阻尼变化对车辆各部件载荷响应的影响。VAUGHAN等[22]研究了车辆参数变化时，用于道路试验模拟的台架驱动文件开发所需数据采集必要性的评价原则。YOU等[23]研究了安装轮心力传感器对车辆各部件响应的影响。

3.1.2 载荷谱样本选择方法

台架道路模拟试验时，首先根据采集的路谱数据，通过迭代等方式复现路试中样件的载荷情况，生成台架驱动信号，然后根据各子工况循环数，制定试验序列，开展耐久性试验。由于迭代周期较长，通常选取特定的载荷谱作为台架试验模拟的目标。然而，实车路谱数据采集时，由于驾驶习惯的不同及行驶路况的随机性，对所选择用于道路模拟试验的载荷谱的普遍代表性提出了很高的要求。往往需要由不同驾驶员进行多次采集，从多组路谱数据中选取适当的路谱作为试验目标信号。张觉慧等[11]基于伪损伤值，根据存活率估计量和向量模相结合的基本数学方法，建立了适用于多通道载荷数据存活率为50%载荷谱样本的选取方法。

3.2 无实车路谱采集的载荷谱

随着车辆开发周期的压缩，基于传统的实车路谱数据采集分析和验证各部件结构耐久性已不能满足项目节点的要求。基于虚拟试车场（Virtual Proving Ground，VPG）的虚拟路谱数据采集技术是目前研究的热点，可以早期获得各部件载荷支持设计优化和台架试验[24-25]。同时基于车辆参数（轮荷、轴距、轮距、质心位置等）的标准载荷谱也取得了一定的工程应用。KIM等[26]提出了一种基于以往车型路谱历史数据的比利时路工况下标准载荷谱的生成方法。

除上述方法外，MTS公司基于多通道试验台架开发了HSRC混合试验的方法，将试验车、多通道试验台架、轮胎模型和数字路面组成混合仿真系统，采用频域系统辨识技术迭代收敛获得台架驱动信号。该方法无需任何路谱数据作为目标信号，缩短了试验时间[27]。

4 道路模拟试验结果评价

台架试验是对道路试验的近似模拟，其试验结果评价应包含两部分内容：试验模拟精度评价和试验结果评价。试验模拟精度评价是试验结果评价的前提条件，根据小样本试验结果确定大样本样件是否满足可靠性要求。

4.1 模拟精度的评价

道路模拟试验应满足一定精度，否则试验无法确保台架与道路试验的相关性，其试验结果不能作为对应样件耐久性评估的依据。模拟精度为统计意义上的数值，不同企业有不同的评价标准。一般从时域曲线、频域自功率谱密度函数曲线、均方根值、最大最小值、损伤等维度进行评估。根据多次实车数采结果中损伤及峰值的离散程度，可据此定义台架试验控制通道及监控通道的损伤及峰值范围。但目前公开的资料及相关研究较少，往往需要用经验来判定模拟精度是否满足试验要求。

4.2 试验结果的评价

由于试验资源、样件数量及成本有限，通常采用小样本试验进行评估。汽车系统和零部件产品开发及验证过程中，往往采用贝叶斯分析法建立可靠度、置信度及样本数间的关系[28]。可采用Lipson交换公式计算试验最小所需样本数及对应的试验强度，以减少试件数量。相应的，可根据小样本试验结果，根据一定的统计规律进行分析，计算一定置信度要求下汽车各子系统、零部件的可靠度是否满足要求。

5 总结与展望

本文基于国内外研究文献，对室内台架道路模拟试验技术的发展进行了梳理和综述，介绍了台架道路模拟试验的技术原理，总结了影响台架试验的关键技术，对不同类型试验台架及试验方法、载荷谱获取、载荷谱样本选择方法及台架道路模拟试验结果评价方法的研究现状进行了分析。随着整车开发周期的加快，台架试验的重要性越来越突出，台架道路模拟试验技术依然是目前研究的热点。未来的研究方向可能集中在以下几个方面：

（1）目前整车/系统轮耦合及轴耦合试验台架均模拟轮心输入载荷引起的结构耐久问题，然而，随着电动车的普及，其悬架结构形式与传统汽车不同，动力总成悬置载荷对底盘结构的影响越来越大，如何考核轮心输入载荷及动力总成转矩同时作用引起的底盘结构耐久性是未来的一个研究方向。

（2）整车/系统级试验简化为零部件试验分析方法依然存在一定的局限性，有待于进一步研究。

（3）实车路谱数据采集周期长，受整车参数、驾驶习惯、行驶路况等的影响较大，路谱数据的有效性及样本选择依然有待于进一步研究。随着虚拟分析及试验技术的进步，无实车路谱的载荷谱生成技术及台架道路模拟试验方法将成为研究的重点。

（4）试验模拟精度的评价手段及限值范围依赖于经验判定，目前缺少明确标准，有待于进一步研究。

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