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整車行駛可靠性與室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)技術(shù)方法研究

2020-07-02 21:16:59·  來源：測控視界  
　
摘 要：軍用整車的行駛可靠性一般通過道路試驗(yàn)或試驗(yàn)場試驗(yàn)進(jìn)行考核，道路試驗(yàn)雖能有效反映行駛的實(shí)際工況，但存在試驗(yàn)周期長、試驗(yàn)條件無法控制及保密無法保證
 
摘 要：軍用整車的行駛可靠性一般通過道路試驗(yàn)或試驗(yàn)場試驗(yàn)進(jìn)行考核，道路試驗(yàn)雖能有效反映行駛的實(shí)際工況，但存在試驗(yàn)周期長、試驗(yàn)條件無法控制及保密無法保證的問題。試驗(yàn)場試驗(yàn)可有效進(jìn)行行駛可靠性考核，但軍用整車試驗(yàn)場建設(shè)成本非常高。道路模擬試驗(yàn)技術(shù)是一種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室模擬路面振動的整車試驗(yàn)技術(shù)，本文以某軍用整車為試驗(yàn)對象，對其進(jìn)行外場路面道路行駛試驗(yàn)，采集外場行駛試驗(yàn)時整車關(guān)鍵部位的振動、應(yīng)變響應(yīng)信號，對響應(yīng)信號進(jìn)行數(shù)據(jù)裁剪以獲得該車的路譜數(shù)據(jù)。利用路譜數(shù)據(jù)再在室內(nèi)道路模擬系統(tǒng)對該樣車進(jìn)行激勵，結(jié)果表明道路模擬試驗(yàn)可很好復(fù)現(xiàn)整車行駛試驗(yàn)時損傷效果，可有效考核樣車行駛可靠性要求，縮短試驗(yàn)周期。

關(guān)鍵詞：軍用整車 可靠性 道路模擬 數(shù)據(jù)裁剪 路譜

引言

各種新車型從設(shè)計(jì)開發(fā)到穩(wěn)定生產(chǎn)及整車改進(jìn)都要經(jīng)過各類型的試驗(yàn)，其中行駛可靠性試驗(yàn)是考核整車底盤及上裝設(shè)備可靠性的關(guān)鍵試驗(yàn)，在相關(guān)的國標(biāo)及國軍標(biāo)中均有相應(yīng)規(guī)定[1-2]。各類汽車行駛可靠性考核一般是通過實(shí)際道路行駛試驗(yàn)或汽車試驗(yàn)場試驗(yàn)進(jìn)行考核[3]。

道路行駛可靠性試驗(yàn)是將汽車按實(shí)際使用條件行駛至規(guī)定的里程，考核車輛行駛過程中底盤及上裝設(shè)備的可靠性能。行駛試驗(yàn)對各種路面的里程、對炎熱、寒冷和高原等地區(qū)的試驗(yàn)時間均有規(guī)定。由于是在實(shí)際外場路面行駛幾千公里至上萬公里，道路行駛試驗(yàn)會存在實(shí)際路面條件難以控制、環(huán)境條件復(fù)雜、試驗(yàn)周期長及保密性無法保證等問題[4]。汽車試驗(yàn)場是試驗(yàn)汽車的專用場地，由可進(jìn)行平順性、可靠性和耐久性試驗(yàn)的高速環(huán)形路、石塊路、搓板路和其他典型路段組成，有坡道、彎道、塵灰室、鹽水池、淋水室和試驗(yàn)涉水性能的水池以及試驗(yàn)轉(zhuǎn)向特性用的圓形場地等。相比于道路試驗(yàn)，試車場試驗(yàn)可有效解決路面條件及保密性等問題。但對于專用特種軍用車輛，需建設(shè)相應(yīng)的試驗(yàn)場路面，投資巨大費(fèi)用較高[5]。

室內(nèi)道路模擬是一種重要的可靠性、耐久性試驗(yàn)方法，通過數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)和液壓伺服技術(shù)能在實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)模擬復(fù)現(xiàn)車輛實(shí)際行駛時的振動環(huán)境，精確再現(xiàn)車輛行駛過程中各種運(yùn)動狀態(tài)及受載荷激勵情況，可節(jié)省大量人力物力[6-7]。由于道路模擬試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，能更好的進(jìn)行保密控制，同時因道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行時重復(fù)性好,當(dāng)試驗(yàn)車輛出現(xiàn)故障時，通過路譜重復(fù)運(yùn)行，有利于故障復(fù)現(xiàn)與驗(yàn)證。目前國內(nèi)軍用整車及類似產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)或改裝，都是采用傳統(tǒng)的道路試驗(yàn)方法，在開發(fā)的初期，沒有時間和條件進(jìn)行車輛及上裝設(shè)備整車級的試驗(yàn)。上裝設(shè)備電子元器件和電子設(shè)備作為設(shè)備進(jìn)行過振動等環(huán)境可靠性測試，但系統(tǒng)集成為車載上裝設(shè)備后，其可靠性工作環(huán)境與設(shè)備級振動環(huán)境不一致，導(dǎo)致每次道路試驗(yàn)時都會出現(xiàn)大量問題，嚴(yán)重制約了軍用整車的進(jìn)一步發(fā)展提升。

針對軍用整車行駛可靠性存在的問題，本文采用一種以軍用整車短時外場道路試驗(yàn)結(jié)合室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)對其行駛可靠性進(jìn)行考核的方法。該方法通過先將軍用整車在外場進(jìn)行短時短距離的外場行駛試驗(yàn)，采集樣車外場道路行駛時底盤結(jié)構(gòu)及上裝設(shè)備振動應(yīng)變響應(yīng)信號，對響應(yīng)信號進(jìn)行分析、壓縮、裁剪以獲得道路譜數(shù)據(jù)，再在道路模擬系統(tǒng)上通過對整車設(shè)備結(jié)構(gòu)的損傷效果進(jìn)行對比驗(yàn)證，驗(yàn)證該車型等效道路載荷譜，最終加載等效的道路載荷譜至道路模擬系統(tǒng)臺架上對整車的行駛可靠性進(jìn)行等效考核。
 
一、道路模擬系統(tǒng)及路譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
 
1、 道路模擬系統(tǒng)

室內(nèi)道路模擬系統(tǒng)的驅(qū)動動力有電動和液壓兩種類型，由于液壓驅(qū)動式道路模擬系統(tǒng)推力大、費(fèi)用低、性能優(yōu)良，因此應(yīng)用較電動式更為廣泛[8]。本文軍用整車試驗(yàn)用的道路模擬系統(tǒng)為液壓式，如圖1所示，主要由液壓泵及驅(qū)動電機(jī)、液壓油源、液壓缸、電液伺服閥、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。

圖1 道路模擬系統(tǒng)臺架

該道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)屬于輪胎耦合式系統(tǒng)，總共六個作動器，單個作動器推力最大推力13噸，頻率范圍0.1-50Hz，振幅350mm，軸頭最大垂向速度2m/s，路譜迭代精度（時域）優(yōu)于5%。該系統(tǒng)可用于3軸及以下、最大整車重量12噸的通用型軍用整車。

2、 路譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

路譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具體設(shè)備清單如表1所示，相應(yīng)的整車道路模擬試驗(yàn)流程如圖2所示。

表1 路譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備清單
整車行駛可靠性與室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)技術(shù)方法研究
 
整車行駛可靠性與室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)技術(shù)方法研究1
圖2 整車道路模擬試驗(yàn)流程
 
二、外場試驗(yàn)及路譜采集
 
1、 外場試驗(yàn)

某軍用整車外場試驗(yàn)場地跑道符合GJB219B附錄D的規(guī)定，外場實(shí)物圖如圖3所示，該環(huán)形跑道一圈周長為約為0.8Km。在保證安全的前提下，按《XXX軍用整車試驗(yàn)大綱的要求》以30Km/h左右車速行駛，完成數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)時，樣車要穩(wěn)住車速，然后勻速駛過試驗(yàn)路段，記錄各加速度傳感器及應(yīng)力應(yīng)變信號。

圖3 外場環(huán)形跑道典型路面

2、路譜采集

根據(jù)外場行駛試驗(yàn)時樣車結(jié)構(gòu)及上裝設(shè)備特性，采集16通道原始信號，其中10通道應(yīng)變監(jiān)測底盤關(guān)鍵部位，4通道軸頭加速度信號，2通道上裝設(shè)備加速度信號，其中某振動和某應(yīng)變測點(diǎn)如圖4所示。

 
圖4 振動和應(yīng)變測點(diǎn)安裝圖（上為振動，下為應(yīng)變）

該軍用整車?yán)@環(huán)形跑道行駛一周，行駛距離0.8Km，共采集119s振動、應(yīng)變信號，各信號的時間歷程曲線分別如圖5-7所示。

圖5 10通道應(yīng)變信號

圖6 4通道軸頭加速度信號

圖7 2通道上裝設(shè)備加速度信號
 
三、外場試驗(yàn)及路譜采集
 
圖8 路譜數(shù)據(jù)裁剪示意圖

如圖8所示，綠色陰影標(biāo)記片段為沒有損傷貢獻(xiàn)或損傷貢獻(xiàn)較小的可裁剪部分。數(shù)據(jù)裁剪后，原始119s信號數(shù)據(jù)壓縮為54s。以通道1測點(diǎn)應(yīng)變信號為例，對前后的信號進(jìn)行頻域成分對比如圖9所示。

圖9應(yīng)變信號裁剪前后頻域?qū)Ρ?/div>

由上圖可知前后應(yīng)變信號頻率成分及幅值沒有發(fā)生明顯變化，說明裁剪后信號能有效反映行駛時的載荷環(huán)境條件。
 
四、道路模擬試驗(yàn)
 
1、 路譜數(shù)據(jù)的加載迭代

用上述54s的4個軸頭裁剪后的路譜數(shù)據(jù)，作為道路模擬系統(tǒng)臺架迭代目標(biāo)，通過臺架閉環(huán)控制策略在時域上復(fù)現(xiàn)該加速度信號。以通道11的軸頭加速度為例，控制系統(tǒng)迭代后道路模擬臺架上的加速度響應(yīng)及目標(biāo)信號對比如圖10所示。

圖10 軸頭加速度迭代加載效果（藍(lán)色為目標(biāo)信號，紅色為響應(yīng)信號）

由上圖可知，迭代后的響應(yīng)加速度與目標(biāo)加速度值能很好重合，說明閉環(huán)控制系統(tǒng)精度高。如圖11所示，迭代后的4通道軸頭加速度信號的RMS（有效值）與目標(biāo)信號RMS的比值均在91%以上，說明臺架可精確復(fù)現(xiàn)樣車實(shí)際行駛時的振動環(huán)境條件。

圖 11 4通道軸頭加速度復(fù)現(xiàn)信號的RMS值精度

2、 道路模擬試驗(yàn)損傷效果驗(yàn)證

道路模擬臺架以4通道軸頭加速度為迭代目標(biāo)，閉環(huán)控制系統(tǒng)能精確控制臺架對樣車施加路譜振動環(huán)境條件。為評估道路模擬系統(tǒng)臺架及實(shí)際路面行駛在相同振動環(huán)境條件下，樣車的損傷效果是否一致，對比分析實(shí)際行駛試驗(yàn)時與道路模擬試驗(yàn)時樣機(jī)底盤各測點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變損傷水平。由于篇幅有限，僅以底盤通道5-6應(yīng)變測點(diǎn)及上裝設(shè)備通道15振動測點(diǎn)為例，進(jìn)行功率譜密度對比如圖12-14所示。

圖12 通道5應(yīng)變測點(diǎn)損傷效果對比

圖13 通道6應(yīng)變測點(diǎn)損傷效果對比

圖14 通道15振動水平對比

由上圖12-14可知，道路模擬試驗(yàn)和行駛試驗(yàn)各測點(diǎn)的頻率成分及幅值大小一致，偏差較小。可見道路模擬試驗(yàn)時各測點(diǎn)的響應(yīng)信號與外場行駛試驗(yàn)時各測點(diǎn)目標(biāo)信號得到了精確的復(fù)現(xiàn)，即行駛試驗(yàn)對樣車的損傷效果與道路模擬時對樣車的損傷效果一致，54s的道路模擬試驗(yàn)的考核效果可等效為外場119s（0.8Km）的行駛可靠性試驗(yàn)，因此對于10000Km可靠性里程，按傳統(tǒng)道路行駛試驗(yàn)方法需50天左右才可完成可靠性試驗(yàn)，而采用道路模擬臺架僅需運(yùn)行187.5小時（1周左右）即可達(dá)到可靠性試驗(yàn)考核的目的。
 
結(jié)論

本文通過典型路面的外場行駛試驗(yàn)，采集樣車底盤結(jié)構(gòu)及上裝設(shè)備振動應(yīng)變響應(yīng)信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)裁剪以獲得路譜數(shù)據(jù)，再以該路譜數(shù)據(jù)為輸入，通過道路模擬試驗(yàn)對樣車進(jìn)行激勵加載，結(jié)果表明道路模擬試驗(yàn)對樣車損傷效果與外場行駛試驗(yàn)效果一致。最終該方法可將該軍用整車10000Km（約50天）外場行駛可靠性試驗(yàn)縮短為室內(nèi)道路模擬系統(tǒng)臺架上187.5小時（1周）的試驗(yàn)，加速了該類型軍用整車的研發(fā)速度，縮短研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)費(fèi)用，且能更好的進(jìn)行保密控制。但由于室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)并不能復(fù)現(xiàn)整車外場試驗(yàn)的高低溫、淋雨日曬吹風(fēng)等環(huán)境條件及發(fā)動機(jī)工作的激勵載荷，采用道路模擬試驗(yàn)如何復(fù)現(xiàn)該類環(huán)境條件及載荷需要進(jìn)一步的研究，如采用一定比例的外場行駛試驗(yàn)及室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)進(jìn)行行駛可靠性考核可作為后續(xù)的研究方向之一。
 
 
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