摩托車車架多軸向多激勵道路模擬試驗方法研究

鄒喜紅, 熊 鋒, 余 勇, 王銳利

(1.重慶理工大學 汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054; 2.重慶市科學技術研究院，重慶 400054;3.重慶建設摩托車股份有限公司，重慶 400054; 4 上海通用汽車有限公司武漢分公司，武漢 430208))

摩托車車架是整車最關鍵的承載部件，車架本身的剛度、強度、質量等因素對整車的操縱穩(wěn)定性、乘員舒適性起著決定性作用。因此在車架新產品投入市場之前，必須要通過可靠性試驗驗證[1]。

國內外摩托車車架的疲勞可靠性試驗主要有道路試驗、試驗場試驗和室內臺架試驗。其中道路試驗和試驗場試驗，所需周期長，耗費大，且試驗結果容易受環(huán)境因素影響[1-2]。目前摩托車車架室內臺架試驗，主要采用單軸向單激勵方式或單軸向多激勵方式進行，由于摩托車車架的行駛條件和行駛載荷相當復雜，這些激勵加載方式不能模擬摩托車車架實際運行中所受到的多軸向載荷激勵，模擬精度不高，容易出現過試驗和欠試驗[1,3]。

基于RPC(遠程參數控制)的道路模擬試驗能夠在室內快速準確復現車輛實際道路行駛時所受的載荷沖擊，精度高，周期短，重復性好，在汽車及其零部件疲勞耐久性考核中應用越來越廣泛[4,10]。因此，本文結合美國MTS液壓伺服作動器和遠程參數控制技術，構建了摩托車車架多軸向多激勵道路模擬試驗臺架，采集了大量道路載荷譜，提出了力-位移混合控制的摩托車車架道路載荷譜模擬迭代方法，建立了摩托車車架多軸向多激勵道路模擬試驗方法，對摩托車車架實際行駛載荷進行了準確的復現，為摩托車車架室內疲勞可靠性考核和評估提供了一種行之有效的新方法。

1 摩托車車架道路載荷譜采集與分析

1.1 道路載荷譜測點布置及采集

所謂的摩托車車架道路載荷譜，是指實際道路行駛中所受到的來自路面不平度的沖擊振動在車架的某些特定部位所表現出來的時間歷程數據，主要有加速度信號、位移信號、應變信號、力或力矩信號等隨時間變化的數據。摩托車舒適性等性能主要通過前軸、后軸、手把、坐墊、坐位、腳踏板和貨架等部位的加速度來表達；而欲研究車架及附件的疲勞特性，則主要是通過部件應變時間歷程來描述。因此本次路試主要采集摩托車車架特定部位加速度信號和應變信號，經過信號處理后作為室內摩托車臺架試驗的期望響應信號。

道路模擬試驗是以實際道路載荷譜為基礎的，載荷譜的精確與否，直接影響到試驗結果的好壞。因此在布置測點時，須突出重點，同時還要兼顧全面。因此，首先運用有限元對車架進行靜力學分析可以獲得其受力分布，發(fā)現應力集中點和薄弱部位(如圖1所示)，指導應變測點的選擇[5]。

圖1 車架應力分布云圖

從車架應力分布云圖1可以看出幅值較大的應力主要分布在前轉向立管的與主梁交匯處、坐墊處橫管與尾管相交處、后減震器上下懸掛點處、發(fā)動機懸置處、以及后平叉與車架的連接處等。因此根據有限元分析結果，結合用戶市場反饋的失效信息，布置了34個應變測點，如圖2所示。

另外，在車輪前后軸、手把、坐墊、坐位、腳踏板和貨架等處布置了加速度傳感器，以考察摩托車的平順性和舒適性，以及監(jiān)測振動情況。圖2中代號AC1～AC7代表加速度傳感器，S代表應變片；圖3為應變片和傳感器布置實物圖。

圖2 車架傳感器及應變片布置示意圖

圖3 應變片和傳感器布置實物圖

試驗路段的選擇應具有典型性，此次采集路段為某摩托車企業(yè)的道路耐久性試驗路段，包括碎石路(巴南區(qū)南湖)和平坦路(南岸區(qū)長生鎮(zhèn))兩種。利用等間隔數據采集方法，在碎石路段，車速范圍是20 km/h到50 km/h，速度間隔10 km/h，路段長度為3 km；在平坦路段，車速范圍是20 km/h到80 km/h，速度間隔為20 km/h，路段長度為2 km；兩種路段采用頻率均為1 024 Hz。數據采集過程中用GPS車速儀對車速進行實時監(jiān)測；為驗證采集載荷譜的可靠性和重復性，不同路況均各采樣兩個循環(huán)。

1.2 道路載荷譜分析

采集的原始響應信號中可能混入了一些非真實的信號，如零點漂移、趨勢項和高頻噪聲等，為保證載荷譜的可靠性和真實性，需要對采集到的信號進行必要的分析和處理[6]。本文首先對載荷譜進行了濾波處理，分別以0-1.5 Hz和1.5-50 Hz帶通濾波器對原始數據加以濾波(如圖4所示)。將兩頻帶的數據與原始數據進行比較，發(fā)現0-1.5 Hz頻帶信號時間歷程的幅值不足真實信號幅值的5%，屬正常信噪水平，而1.5-50 Hz頻帶信號幅值基本在零點(即無漂移)，由此可以說明使用1.5-50 Hz帶寬濾波是可靠的。

另外，為檢驗采集數據的重復性，提取碎石路20 km/h工況下，比較關注的車架易失效的S3(前主梁)和S8(坐墊處)兩個部位兩次采集的應變信號，經預處理后進行功率譜密度分析，如圖5所示。

1. 原始信號 2. 0-1.5 Hz頻帶信號3. 1.5-50Hz濾波去偏置后信號

由圖5可以看出兩次試驗功率譜趨勢完全相同，且基本重合，數據的重復性較好。截取任意一個循環(huán)的信號，經過去除偽信號等處理后均可以作為期望響應信號。

為縮短試驗周期，降低成本，在確保試驗精度的前提下，還有必要剔除采集的原始響應信號中應力水平較低，對疲勞損傷貢獻較小的小信號分量，得到濃縮的載荷譜。本文將載荷譜最大幅值的5%-10%的幅值作為剔除小信號的幅值閾值，選取保留90%到l00%之間的損傷量編輯信號，效果比較理想。圖6是通過損傷編輯后碎石路面20Km/h工況下S3和S8處應變期望響應信號。

圖6 S3和S8處應變期望響應信號

2 摩托車車架多軸向多激勵道路模擬裝置設計

摩托車所受的載荷主要包括兩個方面：①車架及安裝的發(fā)動機等附件的重力G，駕駛員重力F1、乘員或貨物重力F2，以及由其引發(fā)的慣性力；②通過前后輪胎傳遞的路面激勵在車架連接處的作用力。從受力的方向來分，主要可分解為垂直方向上的力FV以及水平方向上的力FH[7]。如圖7所示。

為全面模擬車架實際行駛中受到的來自鉛垂方向和水平方向所受的激勵載荷，構建了如圖8和圖9所示摩托車車架道路模擬試驗裝置。試驗裝置中采用兩套作動器對車架進行加載，作動器4對導軌滑塊進行力控制加載，并通過前夾具對車架施加載荷，模擬前輪對車架水平和垂直方向的激勵；作動器9對車架進行位移(加速度)控制，對車架施加位移，從而通過配重塊對車架施加慣性力，模擬摩托車前后乘員、貨物慣性力和后輪對車架的激勵[7-8]。為防止系統(tǒng)運動干涉，作動器9兩端用平面鉸連接。

圖7 摩托車車架簡易受力分析

圖8 試驗裝置的三維模型

圖9 試驗裝置的實物圖

3 基于力-位移混合控制的道路載荷譜模擬迭代

3.1控制方式選?。喝缜八觯脠D13所示的水平作動器和垂直作動器聯(lián)合加載，模擬車架實際行駛時所受的的多軸向激勵。在水平方向上，車架對力變化比位移變化更加敏感，即力分辨率較高，因此水平作動器選用力控制模式。相反，鉛垂方向上，車架對位移變化比力變化敏感，即位移分辨率較高，因此鉛垂作動器選用位移控制模式。

3.2迭代點的選取：本試驗選用方陣控制，選取兩個目標響應信號迭代點。迭代點的選擇應遵循兩個原則：①盡量靠近作動器的作用點；②對應變、加速度等較為敏感。通過分析選擇如圖10所示迭代點1(即S3處)和迭代點2(S8處)。

按圖9所示搭建好試驗臺架后，在試車場采集載荷譜測點的相同位置布置加速度和應變傳感器，進行模擬迭代。

圖10 車架迭代點位置

圖11 系統(tǒng)頻響函數

(1)首先通過產生寬帶數字白噪聲信號X(f)作為液壓作動器的輸入(水平作動器為力激勵，垂直作動器為位移激勵)，同時采集目標響應點的輸出Y(f)，根據式(1)求解系統(tǒng)的頻響函數H(f)，如圖11所示:

(1)

式中，Sxy(f)為輸入與輸出的互功率譜；Sxx(f)為輸入的自功率譜。

(2)用編輯好的目標響應信號和測量的系統(tǒng)頻響函數逆矩陣H-1(f)，按公式X1(f)=H-1(f)Y(f)計算初始激勵驅動信號X1(f)

(3)用X1(f)驅動系統(tǒng)，通過傳感器回收響應信號Y1(f)，將Y1(f)與目標響應信號Y(f)進行比較獲得信號ΔY，通過誤差信號與系統(tǒng)頻響函數逆矩陣計算校正信號ΔX(f)=H-1(f)ΔY(f)。

(4)校正信號ΔX(f)乘上衰減系數與驅動信號X1(f)相加得到第二次驅動信號X2(f)。

重復以上步驟，直到響應信號Yn(f)與目標響應信號Y(f)的誤差在可以接受的范圍內為止[4,6]。

圖12 配重示意圖

由于本文是力-位移耦合控制，車架的配重就顯得非常重要。為此本文對作動器前后即乘員處和貨架處進行了配置，如圖12所示。由于采集道路載荷譜時，后貨架為數采設備及附件，經稱重為30 kg，因此乘員處配重為60 kg，貨架處配重為30 kg，通過反復模擬迭代，迭代誤差收斂曲線如圖13所示。由圖13可以看出，迭代點的誤差均能快速收斂，經過17次迭代后各迭代點的誤差均在10%以內，滿足工程應用要求。

4 摩托車車架道路模擬試驗

以最后一次迭代的驅動信號建立驅動信號文件，得到如圖14所示的最終驅動信號。水平作動器為力輸入，垂直作動器為位移輸入。分別對各種路面各種工況采集的道路載荷譜進行模擬迭代，得到最終驅動信號，把各驅動進行連接，得到車架道路模擬試驗驅動信號，以此驅動信號為輸入進行車架疲勞耐久性試驗[9-10]，并對各測量進行實時監(jiān)測，為高效準確的考核摩托車車架的疲勞可靠性提供了一種思路和方法。

圖13 模擬迭代誤差收斂曲線

5 結 論

(1)通過對采集的道路載荷譜分析處理表明，采集方法正確，采集的載荷譜重復性好，準確可靠。

(2)通過摩托車車架實際行駛時的受力分析，設計了一套多軸向多激勵摩托車車架道路模擬試驗裝置，裝夾和加載方式更接近摩托車車架實際行駛受力情況。

(3) 在摩托車車架道路載荷譜模擬迭代過程中，采用力-位移混合控制方式，即實現了多軸向多激勵試驗的解耦問題，又能得到很高的模擬迭代精度，特別適合于摩托車車架等類似復雜受力構件。

參 考 文 獻

[1]石曉輝，王銳利，鄒喜紅,等.摩托車車架三通道道路模擬試驗裝置設計[J].機械設計與制造，2013(3):194-196.

SHI Xiao-hui,WANG Rui-li,ZOU Xi-hong. Design of Three-channel Road Simulator for Motorcycle Frame[J].Mechanical design and manufacturing,2013(3):194-196.

[2]楊 帆，孟繁星，占少民.車輛可靠性道路模擬技術理論基礎研究[J]. 科學時代，2010(21)：124-125.

YANG Fan，MENG Fan-xing, ZHAN Shao-min. Research about theoretical basis of road simulation for durability of vehicle[J]. Science Times,2010(21):124-125.

[3]汪學嶺，畢傳興，李 青.基于長時間歷程時域控制技術的激勵譜編制方法[J]. 合肥工業(yè)大學學報(自然科學版)，2010,33(11)：1601-1604.

WANG Xue-ling, BI Chuan-xing, LI Qing. Method for establishing drive spectrum based on long time history time domain control technology[J]. Journal of hefei university of technology(Natural Science).2010,33(11):1601-1604.

[4]石 鋒 王紅鋼 劉再生,等.路譜臺架試驗研究[J].振動與沖擊，2012,31(19):10-14.

Shi Feng, Wang Hong-gang,Liu Zai-sheng.Road spectrum rig test[J].Journal of Vibration and Shock,2012,31(19):10-14.

[5]徐中明，余 烽，汪先國,等.全地形車架掛發(fā)動機結構動態(tài)特性建模方法[J].振動與沖擊，2011,30(6):10-14.

XU Zhong-ming,YU Feng,WANG Xian-guo.Modeling on dynamic characteristics of ATV frame with elastically mounted engine[J].Journal of Vibration and Shock,2011,30(6):10-14.

[6]鄒喜紅，譙 凱，石曉輝,等.基于遠程參數控制的DCT關鍵零部件道路模擬試驗[J].中國機械工程，2013,24(11)：1537-1541.

ZOU Xi-hong，QIAO Kai，SHI Xiao-hui.Road simulation test of DCT key parts based on remote parameter control[J].China Mechanical Engineering,2013,24(11)：1537-1541.

[7]顧懷寧，高建民.摩托車車架強度試驗方法探討[J].摩托車技術，2010(8)：39-42.

GU Huai-ning, GAO Jian-min. Experimental studies on strength of motorcycle frame[J]. Motorcycle Technology,2010(8):39-42.

[8]Chandrakant Awate,Panse S. Validation of an Accelerated Test on a 4-Post Road Simulator[R].SAE paper: 2007-26-070.

[9]Wang B, Guo X X, Xu Z.Research on road simulator with iterative learning control[J].SAE paper2001-01-2908,2009.

[10]Xu P J, Wong D. Pierre leblanc,gerry peticca.road test simulation technology in light vehicle development and durability evaluation[J].SAEpaper2005-01-0584,2005.