關(guān)聯(lián)道路試驗的軸耦合道路模擬試驗關(guān)鍵技術(shù)研究

周德泉，李開標(biāo)，盧海波，李航，王新偉

關(guān)聯(lián)道路試驗的軸耦合道路模擬試驗關(guān)鍵技術(shù)研究

周德泉，李開標(biāo)，盧海波，李航，王新偉

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

軸耦合道路模擬試驗技術(shù)是源于道路試驗的先進(jìn)技術(shù)。首先梳理了兩者的原理及關(guān)系；提出了道路試驗與軸耦合道路模擬試驗的主要關(guān)聯(lián)路線；提出了道路模擬試驗有效性的研究方法；提出了基于疲勞損傷的道路模擬試驗可信度分析方法；總結(jié)實際試驗關(guān)聯(lián)結(jié)果，證明道路模擬試驗的精準(zhǔn)性。

軸耦合；道路模擬；道路試驗；關(guān)聯(lián)性

前言

進(jìn)入新世紀(jì)，中國汽車消費(fèi)者對于產(chǎn)品品質(zhì)要求有了巨大的轉(zhuǎn)變，已從表面的性能參數(shù)要求，進(jìn)一步提升至對于車輛的可靠性和耐久性的深層次品質(zhì)要求[1]。早期傳統(tǒng)的耐久性試驗方法，一般為專用汽車試驗場內(nèi)進(jìn)行專項的強(qiáng)化道路試驗，其優(yōu)勢在于真實的駕駛與關(guān)聯(lián)實際用戶的路面環(huán)境，缺點在于試驗時間長、各類隨機(jī)干擾因素較多、結(jié)果的不確定和離散性較大。

隨著耐久試驗技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)道路試驗的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了電液伺服控制的道路模擬試驗系統(tǒng)。其中，二十四通道軸耦合道路模擬試驗系統(tǒng)，是業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的整車道路模擬試驗系統(tǒng)，其可以針對車輛的每一個輪提供最多6個自由度的測量與控制，可以精確、重復(fù)的復(fù)現(xiàn)車輛在試驗場試驗條件下的各種工況。

因為軸耦合二十四通道臺架試驗（以下簡稱臺架試驗）的驅(qū)動信號與目標(biāo)控制信號并非直接關(guān)聯(lián)，所以需要使用RPC Pro軟件進(jìn)行驅(qū)動信號的迭代求解，以保證驅(qū)動信號的合理有效性[2]。其基本原理如下所示：

圖1 道路模擬試驗系統(tǒng)原理

完整系統(tǒng)的輸入、輸出之間頻率響應(yīng)關(guān)系為：

因輸出信號Y（f）作為目標(biāo)信號已知，故：

理論上即可求得臺架驅(qū)動信號。但實際系統(tǒng)受限于系統(tǒng)非線性等因素，上述線性模型的準(zhǔn)確度不高，還需要采用分步迭代法，逐步獲得最終的驅(qū)動信號，最終保證臺架上的輸出信號精確吻合道路試驗?zāi)繕?biāo)期望信號。

臺架試驗的根本目標(biāo)，是能夠精確復(fù)現(xiàn)試驗場相同的疲勞耐久故障，也即，試驗樣車的故障出現(xiàn)時間和失效模式與試驗場試驗一致。

與其他試驗系統(tǒng)相比，二十四通道軸耦合試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理較為復(fù)雜，驅(qū)動控制通道、響應(yīng)信號通道數(shù)量繁多；同時，系統(tǒng)一般用于模擬試驗場多種綜合耐久路面，種類繁多。上述制約因素意味著要保證臺架試驗的精準(zhǔn)可信，需要在驅(qū)動信號求解、迭代精度控制、試驗作業(yè)等各個方面有相當(dāng)?shù)睦碚摷夹g(shù)及經(jīng)驗支撐[3]。

本文旨在梳理道路試驗與臺架試驗之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，分析影響臺架試驗精度的主要影響因素，并進(jìn)一步提出提高軸耦合道路模擬試驗精度的關(guān)鍵方法與技術(shù)。

1 關(guān)聯(lián)基本原理及流程

無論道路試驗與臺架試驗，保證試驗精度的根本，是與用戶使用工況的關(guān)聯(lián)性。梳理三者關(guān)系，如下：

圖2 “用戶-試驗場-臺架”關(guān)聯(lián)示意圖

通過上圖可知，臺架試驗與道路試驗關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵之處，在于證明臺架能夠精確復(fù)現(xiàn)試驗場相同的車輛振動和受力，最終使得臺架試驗車輛的損傷模式和里程與試驗場盡量接近。

因此，首先需證明臺架試驗具有足夠置信度的有效性，即證明臺架試驗驅(qū)動信號求解有效性及其他關(guān)鍵環(huán)節(jié)的流程有效性。

進(jìn)一步，從數(shù)據(jù)分析的角度，對試驗場路譜和臺架相應(yīng)譜之間的進(jìn)行相應(yīng)的分析對比，從統(tǒng)計學(xué)、疲勞耐久理論等方面，獲得臺架路譜數(shù)據(jù)的復(fù)現(xiàn)規(guī)律，并給出定量分析臺架試驗可信度的經(jīng)驗公式。

而關(guān)聯(lián)最為核心的一環(huán)，在于兩者試驗中、試驗后出現(xiàn)的故障問題點關(guān)聯(lián)度是否足夠。從失效模式和失效里程上進(jìn)行分析對比，可了解兩者之間的關(guān)聯(lián)特性。

以下章節(jié)即從上述的三個方面出發(fā)，具體展開臺架試驗與道路試驗的關(guān)聯(lián)性分析對比。

2 試驗有效性分析

以下重點闡述附加控制機(jī)制的驅(qū)動譜求解方法。

對所有路面的六分力信號中的XYZ三個主要方向，進(jìn)行偽損傷計算：

圖3 綜合耐久路面三向損傷累計占比

按三方向偽損傷累計比重，可大致分為三類：

1）重點路面。（三通道損傷加權(quán)占比≥25%）

迭代時應(yīng)對其所有有效六分力通道及輔助通道重點控制。可按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行：

除六分力通道外，增加能夠反應(yīng)車輛振動模式及內(nèi)部受力的輔助通道（如減震器塔座垂向加速度，軸頭到車身位移、彈簧應(yīng)變、橫向穩(wěn)定桿應(yīng)變、轉(zhuǎn)向拉桿應(yīng)變等），選擇的通道應(yīng)與路譜采集車輛嚴(yán)格對應(yīng)，保證一致性。

2）一般路面。（損傷占比介于5%-25%之間。）

對其主要通道（單通道損傷比大于5%的通道）和輔助通道，按照上述方法進(jìn)行控制，其余非主要通道按常規(guī)評判方法（RMS Error≤20%）進(jìn)行評判。

3）次要路面（損傷占比＜5%），對車輛造成的損傷基本可忽略不計。可直接進(jìn)行等損傷刪除，或迭代時放寬評判標(biāo)準(zhǔn)。

4）特殊工況路面：對于扭曲路、繞八字等特殊低頻工況路面，因六分力受力不能全面反映車身受到的彎扭力，所以在迭代時不應(yīng)作為次要路面處理，除采用六分力進(jìn)行迭代以外，可考慮增加能夠反映車身彎扭變化的位移傳感器或應(yīng)變片作為迭代關(guān)聯(lián)通道。

3 試驗可信度分析方法

路譜采集車與臺架迭代車的狀態(tài)偏離度，與迭代的可控度及輔助通道數(shù)據(jù)接近度均成反比。

其原因在于：迭代車與路譜車的狀態(tài)存在差異，迭代理想路譜（即臺架車在試驗場采集的路譜），實際上會與現(xiàn)實路譜（即路譜車在試驗場采集的路譜）在相位、幅值甚至頻率上存在一定差異。

因此，直接采用現(xiàn)實路譜作為目標(biāo)信號，實際是臺架通過RPC軟件不斷修正驅(qū)動譜來適應(yīng)目標(biāo)信號，因此迭代較為困難；同時，即使通過RPC軟件強(qiáng)行迭代使得六分力信號一致，反映車輛內(nèi)部受力、車輛振動模式的輔助通道也會與試驗場實際差異較大。

如果臺架試驗時，出現(xiàn)了任何通道數(shù)據(jù)與試驗場路譜數(shù)據(jù)偏離度較大的情況，則說明臺架試驗車與試驗場路譜采集車受力狀態(tài)不一致，最終會導(dǎo)致臺架試驗的可信度存疑。

基于以上結(jié)論，提出一種基于疲勞損傷理論的軸耦合道路模擬試驗可信度分析方法?；驹砣缦拢?/p>

通過迭代，在保證臺架與試驗場的車輪六分力信號基本吻合的前提下，對比車輛其余輔助信號（如減震器塔座加速度，彈簧應(yīng)變等），如輔助信號偏離度越小，則認(rèn)為臺架試驗可信度越大，反之則否之。

按照行業(yè)內(nèi)經(jīng)驗，對于疲勞耐久試驗，一般采用通道的累計損傷（應(yīng)變通道）或偽損傷（非應(yīng)變通道）進(jìn)行分析對比。一般認(rèn)為迭代控制通道的損傷比應(yīng)控制在0.9~1.1之間，而其他參考通道的損傷比應(yīng)控制在2倍以內(nèi)（即0.5~2之間）。

同時根據(jù)S-N疲勞損傷公式：

可知，如式中應(yīng)力幅σ按線性變化時，損傷值D按對數(shù)變化。因此，行業(yè)內(nèi)在進(jìn)行損傷對比時，常用的是損傷比的對數(shù)值進(jìn)行進(jìn)一步分析，常用有兩種計算方法：

Best Fit Optimization方法：

滿足

式中：Target為關(guān)聯(lián)目標(biāo)；bias為權(quán)重系數(shù)；repeats為重復(fù)次數(shù)。分子部分為關(guān)聯(lián)的響應(yīng)通道損傷值，分母為目標(biāo)通道的損傷值。其核心方法均為對損傷比進(jìn)行取對數(shù)再進(jìn)行后續(xù)運(yùn)算[4]。

參考上述公式，定義臺架試驗可信度：

式中：

C（%）：二十四通道臺架試驗可信度；

Di（Rig）：臺架第i個單通道/單工況損傷值，共n個通道；

Di（PG）：試驗場第i個單通道/單工況損傷值，共n個通道；

Ki：第i通道的權(quán)重系數(shù)；如認(rèn)為所有通道權(quán)重相同，則均為1。

舉例說明：

1）當(dāng)所有通道的損傷比＝1時，臺架可信度最高，達(dá)到100%，即理論上限；

2）當(dāng)損傷比在0.5-2之間時，臺架可信度≥60%，屬于高可信度范圍；

3）當(dāng)損傷比在0.25-0.5或2-4之間時，臺架可信度在20%-60%，屬于可接受范圍；

4）當(dāng)損傷比＜0.25或＞4時，臺架可信度＜20%甚至小于0，認(rèn)為試驗處于不可接受范圍；

選取四個示例項目，進(jìn)行臺架試驗可信度計算如下圖所示：

圖4 臺架試驗可信度對比示意

圖中虛線/實線分別為2倍/4倍損傷比對應(yīng)可信度水平線。

其中項目A/B：路譜采集/臺架試驗車輛相同。項目C/D表示兩者狀態(tài)差異較大，甚至為不同平臺車型。

上述結(jié)論證明了迭代可控度的高低（即路譜采集車輛與迭代試驗車輛狀態(tài)差異的大?。┡c試驗的可信程度成正比。

4 試驗結(jié)果對比

基于上述臺架與道路試驗的關(guān)鍵關(guān)聯(lián)技術(shù)，筆者所從事的軸耦合臺架試驗，自運(yùn)行至今已完成70余次，其中試驗場道路試驗中結(jié)構(gòu)類故障超過80%的問題，均在軸耦合整車道路模擬試驗中有效復(fù)現(xiàn)。

下面以某車型為例：

表1 臺架與道路試驗結(jié)果對比

該項目中，臺架試驗與道路試驗關(guān)聯(lián)性較好。其中道路試驗的結(jié)構(gòu)耐久性問題，在臺架試驗上的問題復(fù)現(xiàn)率為100%。

5 結(jié)論

本文梳理了道路試驗及臺架試驗的關(guān)系，分析了試驗驅(qū)動信號獲得有效性的關(guān)鍵因素，并提出了臺架可信度評判的方法。通過工程實例，證明了兩者具有很好的關(guān)聯(lián)性。

軸耦合道路模擬試驗可以在排除其他干擾因素的前提下，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)道路上出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)耐久類試驗問題。加之其4-5倍于道路試驗效率的特性，現(xiàn)已逐漸成為國內(nèi)車輛研發(fā)企業(yè)的最為核心的工具[5]。

[1] 班兵,蘆凡,王軍.汽車可靠性分析概述[J].汽車實用技術(shù).2020 (04).

[2] MTS Systems Corporation.RPC? Pro Applications Software Refe -rence[Z].USA.14000 Technology Drive, Eden Prairie,2012.

[3] 李航,周德泉,李開標(biāo),陳禹,劉建文.軸耦合道路模擬試驗技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)分析[J].汽車實用技術(shù),2019(05):74-78.

[4] 李永利,帕恩,哈撒韋,等.疲勞試驗測試分析理論與實踐[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011.

[5] 伊斯武,張繼偉.軸耦合道路模擬在懸架可靠性試驗中的應(yīng)用[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2011,38(02):49-52+57.

Research on Key Technology of Spindle-coupled Road Simulation Test Correated to Road Test

Zhou Dequan, Li Kaibiao, Lu Haibo, Li Hang, Wang Xinwei

（Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Automotive Engineering Research Institute, Guangdong Guangzhou 511434）

Spindle-coupled road simulation test is an advanced test method which originated from road test. Firstly, the principle and relationship between these two methods is studied; The main correaltion method for road test and spindle-coupled road simulation test is put forward; Road simulation effectiveness study method and road simulation test confidence analysis method based on fatigue damage are proposed; Real test result is concluded, and road simulation test precision is proved.

Spindle-coupled; Road simulation; Road test; Correaltion

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.035

U467

A

1671-7988(2021)03-115-04

U467

A

1671-7988(2021)03-115-04

周德泉（1985-），男，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗主管工程師，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，從事結(jié)構(gòu)強(qiáng)度疲勞試驗研究工作。