汽车室内道路模拟试验研究

摘 要：汽车疲劳耐久试验主要分为客户实际行驶的道路试验、试验场强化路试验和室内台架道路模拟试验。室内台架道路模拟试验由于不受外界因素影响、试验重复性好、精度高、试验周期短和成本低，已经成为汽车开发验证的重要手段之一。在室内台架道路模拟试验中，最关键的技术是道路载荷谱的模拟，文章主要介绍汽车道路载荷的获取和编辑，TWR迭代技术和迭代结果的分析。试验结果表明，四立柱轮胎耦合道路模拟试验台架可以很好地模拟道路载荷，从而实现整车及零部件的快速疲劳试验。

关键词：轮胎耦合道路模拟测试台架 TWR 载荷模拟 疲劳耐久试验

汽车生产厂家通常会利用试验场强化道路试验和室内试验台架试验来对汽车在客户实际使用中承受的载荷进行当量模拟，在较短时间内完成疲劳耐久性试验。研究发现，车身的耐久性通常由路面的垂直输入载荷所引起的扭转和弯曲所决定，这种载荷可以通过在车轮下使用垂向作动器施加激励来模拟，这种类型的测试平台被称为4-poster（四立柱轮胎耦合道路模拟试验台架）。轮胎耦合试验可以对车辆的俯仰、侧倾和扭曲运动进行模拟，一般可以模拟车身或车架80％的疲劳载荷。本文以福建奔驰汽车有限公司的四立柱轮胎耦合道路模拟试验台架为例，分析道路模拟试验台架在汽车疲劳耐久试验中的应用。

1 四立柱轮胎耦合道路模拟试验台架简介

四立柱轮胎耦合道路模拟试验台架由液压泵站、分油器、高低压蓄能器、液压作动器、伺服控制系统、电控系统等组成。液压泵站负责为作动器提供动力；分油器将液压油分配并传送到作动器；伺服控制系统根据驱动信号调节伺服阀使作动器按照设定要求上下运动；电控系统生成驱动信号，通过闭环控制执行机构，完成各种指令动作。

2 道路模拟试验

道路模拟试验主要包括以下4个步骤：①道路载荷谱获取；②数据处理；③TWR时域波形再现；④用迭代得到的驱动信号，反复激励测试件进行疲劳耐久试验。

2.1 道路载荷获取

研究发现，加速度传感器适合采集高频信号，位移传感器适合采集低频信号，为了降低误差，需同时采集这两种信号。本文以福建奔驰某商务车为研究对象，使用车轮轴头加速度和减震器位移信号作为室内台架迭代试验时的目标信号，在德国戴姆勒指定的试验场完成多次道路载荷谱采集。轴头的响应信号使用PCB公司的加速度传感器，如图2所示。减震器位移信号用德国米铱拉线式位移传感器测量，分别装于前后左右减振器处，如图3所示，用Somat数据采集器实时采集不同工况和路面下轴头处的加速度信号和前后桥减振器的位移信号，为台架迭代试验提供目标信号。为了验证试验的有效性，需要采集车身上的振动加速度信号，用于后续迭代结果分析比较，评价试验的有效性，如图4所示。

2.2 数据处理

原始信号采集完成后，需筛选出最能反映实际道路工况的一组信号作为台架迭代的目标信号，然后再进行信号剪辑、拼接、滤波等处理。

信号的选取，先检查各个通道的信号是否存在异常，是否有噪声信号输入，剔除异常信号，然后对同一条道路多次测量结果进行数据统计，比如信号的最大值、最小值、平均值、方差等，根据统计数据可以排除异常信号，选取最有代表性的信号为目标信号。

信号剪辑，为了缩短试验时间，剪掉振动幅值和能量较小的信号，剪掉的信号不宜过长，以避免引起信号失真。

信号拼接，迭代所用的目标信号通常都由好几段路组成，需要将不同路面的信号进行拼接，两个信号之间的连接方式需平滑、半正弦、线性，连接到两点平均值。

信号滤波，对汽车振动和疲劳影响较大的频率大致在0.5～50Hz，福建奔驰采用N-code傅里叶滤波器对拼接好的信号进行0.5～50Hz带通滤波，所有信号滤波完成后，可去除明显存在的毛刺，超低频率信号可进行时基压缩，经过一系列信号处理后便可得到用于台架迭代的目标响应信号，如图5所示。

2.3 TWR迭代技术

IST公司提出的TWR（Time Waveform Replication）迭代过程分为2步：第一步，系统识别，找到作动器驱动信号和车身上的响应信号之间的传递关系；第二步，使用这个传递关系和迭代找到合适的驱动信号。TWR迭代流程图如图6所示。在试验过程中，我们假设车辆在一定的激励和响应水平内是线性的，将车辆认为是一个控制系统， 这个控制系统的输入是作动器驱动信号， 控制系统的输出为车身的响应信号（轴头加速度和减震器位移传感器信号），将目标响应信号与作动器激励下采集的车身响应信号，进行不断的比较和迭代，直到误差收敛到能接受的范围内，最后一次迭代的加载谱就是试验所需的驱动信号，能够在试验台上再现汽车在各种不同特征路面上的振动响应。

通过数据采集和编辑得到期望的目标响应信号假设为：

台架生成随机白噪声信号X，加载X信号到系统，采集系统输出Y，建立作动缸驱动信号（输入）与车身响应信号（输出）的数学模型，通过计算Y=[H]X，得出系统传递函数H。

通过计算得到传递函数H（f），求出原始驱动信号：

式中为逆传递函数，为付氏变换，用原始驱动信号激励系统，收集车辆响应信号，其中为反馈因子，一般。然后计算误差：

再求出驱动信号的修正值

式中是的付氏变换，最后得到新的驱动信号：

利用驱动系统，收集响应，重复上述步骤，直到使响应与的误差可以接受为止，最后得到的就是满足一定精度要求的驱动信号。

2.4 迭代结果分析

目标信号和最终台架驱动响应信号的比较主要有：时间历程比较（幅值误差、最大值、最小值和RMS值等）；频谱分析；雨流周期计数法；相对疲劳损伤计算等。

对比时域波形图，系统的响应信号和迭代的目标信号在时间历程上的曲线要尽量一致，两者的均方根比值越接近100%越好，一般在90%左右，误差和目标信号的均方根比值越接近0越好，一般在5%左右，如图7所示福建奔驰迭代结果图。此时响应信号和目标信号在时间历程上重合度很好，如图8所示，通过对比PSD曲线（功率谱密度），二者在频域上也很接近，达到了较为理想的模拟精度。

通过雨流计数法把目标信号和响应信号的载荷历程简化为若干个载荷循环，通过比较分析（见图9），目标信号和响应信号也比较接近。

疲劳累积损伤，即在交变载荷下零件产生的损伤，随着循环次数的增加而累积。本文使用N-Code 软件进行名义疲劳损伤计算，通过预先设定的S- N 曲线，计算名义损伤（pseudo damage）。结果如表1所示，通过比较发现目标信号和响应信号的名义损伤值也比较接近。

通过分析，目标信号和响应信号较为接近，误差在试验接受范围内，可以认为台架响应信号能较好地模拟实际行驶过程中的目标响应信号。

2.5 疲劳试验

完成TWR迭代后，选取最后一轮台架迭代的作动器驱动信号作为疲劳耐久试验的驱动信号，按耐久试验要求整合不同路面的驱动信号进行排序并设置循环数。预留一个轴头加速度传感器，拆除其他加速度和位移传感器，预留的加速度传感器用于试验过程监控，即可开始样件的疲劳试验。定期查看预留的加速度信号，如果多次出现异常峰值，则一般是由减震器出现衰减或其他机械结构件损坏导致。试验过程中需要定期检查车身、底盘悬架、车架、门盖、仪表板及其他内外饰件是否出现磨损、开裂、干涉等问题，及时记录和反馈相关问题。

3 结语

通过对试验的分析，发现室内台架道路模拟试验能够很好地替代车辆在实际道路上的疲耐久试验，不仅可以加速试验进程，降低成本，提高新车型开发效率，而且更容易观察到整车的运动形式和零部件之间的相互作用，为汽车零部件和整车的开发验证提供了可靠的试验方法和数据支持。

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