摘 要： 主要介紹新能源汽車動(dòng)力總成輕量化懸置路譜載荷采集過程，及動(dòng)力總成懸置路譜載荷時(shí)域信號(hào)處理和縮減分析；研究懸置路譜載荷縮減對(duì)橡膠損傷和試驗(yàn)成本的價(jià)值，為后續(xù)新能源動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)選型和平臺(tái)化提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 懸置系統(tǒng) 路譜載荷 損傷分析 路譜縮減

1 引言

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革孕育興起，新能源汽車產(chǎn)業(yè)正進(jìn)入加速發(fā)展的新階段，不僅為各國經(jīng)濟(jì)增長注入強(qiáng)勁新動(dòng)力，也有助于減少溫室氣體排放，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，改善全球生態(tài)環(huán)境。新能源汽車電機(jī)和減速器系統(tǒng)激勵(lì)和傳統(tǒng)燃油車相比呈現(xiàn)明顯的不同，其激勵(lì)源主要有電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加上磁力線切割作用，以及減速器齒輪旋轉(zhuǎn)受力，此外新能源動(dòng)力總成振動(dòng)具有頻率范圍寬，階次激勵(lì)源多等特點(diǎn)；從機(jī)械動(dòng)力學(xué)角度來看，懸置系統(tǒng)即是激勵(lì)源也是受隔振對(duì)象，因此設(shè)計(jì)一套良好新能源動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)，既要滿足懸置系統(tǒng)輕量化要求、動(dòng)力總成支撐限位和整車NVH，又要滿足產(chǎn)品耐久[1]；新能源動(dòng)力總成懸置受力復(fù)雜，其載荷受到電機(jī)、減速器及傳動(dòng)軸重量、扭轉(zhuǎn)、階次激勵(lì)及車輛速度和不同路況等多因素影響，通過動(dòng)力學(xué)軟件不足以精確模擬載荷，因此新能源汽車動(dòng)力總成懸置載荷采集和分析在懸置系統(tǒng)開發(fā)中不可或缺[2]。

本文主要介紹輕量化懸置路譜采集和路譜縮減分析方法；通過對(duì)傳感器選擇、路譜采集工裝設(shè)計(jì)分析、主要路況采集、時(shí)域信號(hào)處理及路譜縮減研究，為后期新能源汽車輕量化懸置系統(tǒng)平臺(tái)化及開發(fā)提供了參考依據(jù)。

2 路譜采集前期準(zhǔn)備

路譜采集需根據(jù)客戶要求選擇采集車輛的狀態(tài)和采集工況等，制定傳感器型號(hào)、采集點(diǎn)位置及工裝設(shè)計(jì)的技術(shù)方案，檢查工裝預(yù)裝和數(shù)據(jù)預(yù)采集有無異常，并羅列采集清單。

2.1 采集工況的確認(rèn)

懸置路譜采集工況主要由客戶確認(rèn)針對(duì)新能源汽車動(dòng)力總成輕量化懸置系統(tǒng)工況條件，如綜合工況和強(qiáng)化壞路扭曲路、石塊路、卵石路、砂石路、搓板路、長波路的車速及里程數(shù)，以滿足此產(chǎn)品質(zhì)保期；

2.2 路譜采集傳感器選擇

懸置路譜采集傳感器三向解耦的三分力傳感器表1，輸出時(shí)域信號(hào)為力（N）。

表1 常用路譜采集傳感器

2.3 采集路譜工裝設(shè)計(jì)

采集路譜工裝設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面：

（a）依據(jù)輕量化懸置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見圖1；路譜工裝設(shè)計(jì)主要?jiǎng)傂赃B接三分力傳感器，采集動(dòng)力總成主動(dòng)激勵(lì)力，見圖2。

（b）采集路譜工裝模態(tài)和強(qiáng)度分析，見圖3；路譜工裝滿足最大工況力要求，路譜工裝強(qiáng)度不足可能造成路譜工裝斷裂，損壞傳感器或者其他部件；路譜工裝滿足模態(tài)要求，路譜工裝模態(tài)不足可能由局部共振引起采集載荷力疊加，造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

（c）滿足傳感器不受任何損壞，與工裝聯(lián)接只能通過傳感器的安裝面，非安裝面必須保留足夠的安裝間隙，傳感器必須有定位設(shè)計(jì)，不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)或滑移。

（d）設(shè)計(jì)工裝時(shí)要預(yù)先確定好傳感器的安裝方向和整個(gè)系統(tǒng)的裝配順序，確保裝配順暢，并記錄傳感器方向與整車坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 輕量化懸置結(jié)構(gòu)

圖2 懸置采集路譜工裝

圖3 路譜工裝模態(tài)及強(qiáng)度分析

3 動(dòng)力總成懸置路譜采集

本文主要介紹新能源動(dòng)力總成輕量化懸置路譜采集包含三個(gè)方向X、Y、Z載荷力；路譜設(shè)備采用SoMat eDAQ數(shù)采儀，采集前檢查各傳感器的設(shè)置方向，預(yù)采一段進(jìn)行核對(duì)，以免方向混淆，需將傳感器清零（傳感器長時(shí)間工作會(huì)產(chǎn)生偏移）；

4 懸置路譜采集時(shí)域信號(hào)處理

懸置路譜采集的載荷時(shí)域信號(hào)，因駕車操作不規(guī)范及儀器使用環(huán)境變化，采集員測(cè)試過程中操作失誤導(dǎo)致意外中斷，或者測(cè)試數(shù)據(jù)存在偏移等，需要對(duì)路譜時(shí)域信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。本文使用nCode Glyhworks軟件進(jìn)行異常峰值信號(hào)，毛刺，數(shù)據(jù)漂移，刪除無效數(shù)據(jù)，對(duì)路譜載荷信號(hào)預(yù)處理，為下一步路譜載荷信號(hào)分析奠定基礎(chǔ)[3]。

4.1 毛刺探測(cè)和無效信號(hào)處理

毛刺探測(cè)主要測(cè)試，變換或者傳輸過程中出現(xiàn)干擾和偶然錯(cuò)誤造成的，這主要是應(yīng)變式三分力測(cè)試信號(hào)中很常見，因?yàn)闇y(cè)試值為毫伏，極容易被外界電子噪聲所干擾，此時(shí)需要確認(rèn)時(shí)域信號(hào)的毛刺現(xiàn)象是否為真實(shí)工況前具有統(tǒng)計(jì)意義。毛刺漂移探測(cè)和刪除過程中，經(jīng)驗(yàn)和對(duì)各個(gè)采集路譜的熟悉同樣不可或缺；必須正確辨別哪些信號(hào)波峰和波谷是正常時(shí)域信號(hào)，哪些是毛刺[4]。

毛刺的探測(cè)和消除一般使用萊茵達(dá)準(zhǔn)則，萊茵達(dá)準(zhǔn)則主要適用于大樣本測(cè)定，故本文使用萊茵達(dá)準(zhǔn)則探測(cè)和處理路譜中毛刺。

對(duì)于采集的一組數(shù)據(jù)x1，x2…xn，計(jì)算其評(píng)價(jià)值和標(biāo)準(zhǔn)差，即：

利用萊茵達(dá)準(zhǔn)則，當(dāng)|xi-

|＞3δ時(shí)，認(rèn)為該點(diǎn)為毛刺，反之認(rèn)為為正常點(diǎn)。探測(cè)到毛刺趨于后，可以刪除毛刺點(diǎn)，并用正弦曲線連接剩余各點(diǎn)[5]。

4.2 數(shù)據(jù)漂移和mean值異常

路譜數(shù)據(jù)中的時(shí)域信號(hào)漂移也是很常見的，環(huán)境及機(jī)艙內(nèi)高溫條件下，可能導(dǎo)致應(yīng)變片和被測(cè)部件的膨脹程度不協(xié)調(diào)，應(yīng)變片輸出數(shù)據(jù)就可能發(fā)生漂移。數(shù)據(jù)漂移一般是低頻的，可以使用高通濾波器，可以去除均值漂移。

5 懸置路譜載荷縮減

5.1 時(shí)域信號(hào)縮減

零件的疲勞損傷大部分都是來自原始數(shù)據(jù)中的大載荷，有很多的小載荷（例如平滑路面）

對(duì)損傷的貢獻(xiàn)很小而又占用了大部分的時(shí)間，這部分的數(shù)據(jù)應(yīng)該被縮減掉，以達(dá)到試驗(yàn)?zāi)芸焖贉?zhǔn)確的完成，如圖7；時(shí)域信號(hào)路譜疲勞試驗(yàn)為高周疲勞，最大應(yīng)變力遠(yuǎn)低于材料極限強(qiáng)度，試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)大于104，故一般采用S-N曲線描述橡膠材料的高周疲勞特性，F(xiàn)EA分析橡膠主簧載荷-應(yīng)力值；輸入S-N參數(shù)或曲線；分析路譜縮減前后損傷值不大于1或者損傷比不大于10%。

圖7 時(shí)域信號(hào)縮減前后

5.2 時(shí)域信號(hào)路譜迭代分析

對(duì)路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行快速FFT分析可以清楚看出路譜數(shù)據(jù)的能量分布，根據(jù)能量分布可以選擇迭代時(shí)使用的最高頻率，也可以判斷數(shù)據(jù)是否異常如圖8；路譜數(shù)據(jù)采集頻率一般都不高，路譜本身的頻率也比較低，而MTS設(shè)備在40Hz以下迭代比較穩(wěn)定，為確保迭代能順利進(jìn)行需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行40Hz的低周濾波以及204.8Hz的重采樣如圖9。

圖8 路譜數(shù)據(jù)能量分析圖

圖9 路譜數(shù)據(jù)濾波處理

5.3 路譜載荷block縮減

路譜載荷block縮減一般由路譜時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化而來，也能夠較為真實(shí)的體現(xiàn)零部件的實(shí)際車上不同工況下的受載情況，實(shí)驗(yàn)周期較時(shí)域信號(hào)路譜縮減大大縮減，雨流計(jì)數(shù)法對(duì)路譜分析過程中，會(huì)丟失路譜頻率信息；損傷等效過程中的人為參與因素較多，不同工程師的統(tǒng)計(jì)結(jié)果缺乏一致性；低周疲勞一般是指材料所受的應(yīng)力水平較高，斷裂前循環(huán)次數(shù)較少，一般不超過104，每次循環(huán)塑性變形較大，低周破壞是塑性變形累積的結(jié)果，因此常用E-N曲線描述橡膠材料的低周疲勞特性；FEA分析橡膠主簧載荷-應(yīng)變值；輸入E-N參數(shù)或曲線；分析路譜縮減前后損傷值不大于1或者損傷比不大于10%；如圖10路譜載荷block縮減流程圖。

圖10 路譜載荷block縮減流程圖

6 懸置路譜疲勞試驗(yàn)

路譜載荷疲勞模擬試驗(yàn)通過迭代后的路譜進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，真實(shí)體現(xiàn)輕量化支架和橡膠主簧在路面工況下的受載；試驗(yàn)周期較長，一般疲勞壽命驗(yàn)證需要一個(gè)月以上，不便于快速找出零件失效風(fēng)險(xiǎn)，如圖11；路譜載荷block縮減也可較真實(shí)體現(xiàn)實(shí)車不同路況載荷，雖然雨流統(tǒng)計(jì)對(duì)路譜分析存在有丟失路譜頻域現(xiàn)象，但可較快找出輕量化懸置主要問題；為前期產(chǎn)品性能調(diào)試大大縮短了周期，如表2。

圖11 路譜載荷模擬試驗(yàn)及時(shí)域信號(hào)路譜

表2 路譜載荷block縮減

7 結(jié)語

本文介紹了新能源汽車動(dòng)力總成輕量化懸置路譜采集過程，以及路譜載荷時(shí)域信號(hào)的分析處理方法，時(shí)域信號(hào)縮減和損傷及block縮減和損傷的方法及疲勞模擬道路試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)；為后續(xù)輕量化懸置路譜采集分析試驗(yàn)及輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考，同時(shí)根據(jù)時(shí)域信號(hào)縮減和block縮減和模擬試驗(yàn)對(duì)比，為后期不同項(xiàng)目進(jìn)度和試驗(yàn)成本采取不同縮減方法提供參考，探索了輕量化懸置載荷分布規(guī)律，提取了懸置載荷關(guān)鍵控制因素，為后續(xù)新能源輕量化懸置選型和平臺(tái)化提供了參考依據(jù)。

來源：期刊-《時(shí)代汽車》；作者：張秉虎 王勇 梁天也

（1.河南恒發(fā)科技股份有限公司；2.吉林大學(xué)）