动力总成悬置耐久试验方法的研究

周兆耀，董远明，陈海潮，程俊东

吉利汽车研究院，浙江宁波 315336

汽车动力总成悬置系统是指动力总成与车架或车身之间的弹性连接系统。从机械振动学的观点来看，汽车动力总成既是一个激振源又是一个需要隔离振动的受振对象，因而动力总成悬置的性能要求很高，一个设计良好的动力总成悬置系统应满足固定和支撑动力总成，承受动力总成内部因发动机旋转和平移质量产生的往复惯性力及力矩等多种要求[1]。因而动力总成悬置系统被广泛应用于汽车动力总成隔振系统中，同时对悬置系统的疲劳耐久性也提出了更高的要求。

1.1 多轴道路模拟试验系统

多轴道路模拟试验台(multi-axial simulation table，MAST)系统模拟车辆纵向、横向和垂向3个方向的平动，以及侧倾、俯仰和横摆3个方向的转动，能够精确模拟汽车在实际运行中的振动环境。本文使用的设备为美国MTS公司生产的型号为353.20MAST试验振动台，以及提供扭矩输入的线性液压作动器。

MAST振动台的主要技术参数见表1。

表1 MAST振动台的主要技术参数

1.2 悬置系统试验台设计方案

为模拟动力总成悬置系统在试车场的实时载荷，全面考核动力总成悬置系统的橡胶件、液压阻尼件、金属支架、紧固件等零部件，将车身截断保留车头与前副车架的方法固定悬置系统(包括变速箱悬置、发动机悬置、后悬置)，模拟实车安装状态；
驱动轴一端与变速箱扭矩输出端连接，另一端与扭矩加载设备连接，提供扭矩通过动力总成传递至悬置系统；
热源通过传输导管为悬置周围提供指定温度的热负载。

截断后的车身须遵循以下原则：尽可能选择在刚性大的构件上，车身与台架的固定点之间无相对扭转，近似为刚体平动，这样进行道路模拟迭代会比较容易收敛；
固定位置应远离被试件，不破坏被试件周围的局部模态，使试件在振动台上的损伤形式与在道路上的损伤形式基本一致[2]。动力总成悬置道路模拟试验台如图1所示。

图1 动力总成悬置道路模拟试验台

2.1 载荷谱采集方案

为有效地获得动力总成悬置系统及部件的实际受力情况，主要采取三分力、应变片、加速度传感器、热电偶等多种测量手段。其中三向加速度信号作为迭代控制信号，采集的位置应对路面输入比较敏感，且有利于提高信号的信噪比，同时控制点尽量分布均匀，一般选择车身纵梁来模拟6个自由度的运动，生成模拟平台的驱动信号；
监测控制点以三分力测量和应变测量为主，用来验证迭代后生成的载荷谱的模拟精度，此次研究采用左悬置和右悬置安装三分力传感器的方式进行X、Y、Z3个方向的载荷采集，后悬置采集主方向X向的应变。三分力传感器的安装工装根据原车悬置改制而成，原车悬置的主要设计参数，如动静刚度、安装位置和方式等在改制过程中要保持一致。热电偶监测三点悬置附近温度，以便在台架试验中模拟高温环境。道路载荷谱采集主要位置见表2。

表2 道路载荷谱采集主要位置

2.2 试验路面选择

基于动力总成悬置系统的受力特性，路谱采集的工况除了包括一些典型的强化工况外，还需要考虑人为操控引起的载荷，如轻、重制动等工况。此次道路载荷谱采集，选择襄阳试车场的26种工况，具体见表3。车辆行驶速度按照整车结构耐久试验规范进行操作，整车质量对悬置系统载荷没有决定性影响[3]，只选择满载的配重方式。

表3 路谱采集工况

2.3 载荷谱处理

在试验场采集的路谱数据中，并不是所有的载荷对悬置样件都会产生相应的损伤，可将一些对样件破坏贡献较小或没有贡献的载荷剔除掉以缩短试验周期。本文根据损伤等效的原则，将部分损伤占比小于1%的路面及各路面损伤较小的时间片段剔除，实现试验总时间的缩减。

道路载荷谱经过去毛刺、去预载、验证有效性等预处理之后，基于GlyphWorks软件进行计算，采用斜率K=-5的S-N曲线，估算各工况悬置载荷通道的伪损伤值，表4展示了长波路悬置载荷通道伪损伤所占权重均小于1%且极值(最大值、最小值)小于该通道所有工况统计极值的50%，因此判断此工况可忽略。按照该方法操作，包括长波路、井盖路面、大路拱路、反向坡路、铁路交叉口、路面接缝路在内的6种工况可以剔除不进行试验考核。

表4 长波路伪损伤比重

基于各悬置载荷通道，将信号中对试验样件破坏影响较小的载荷时间片段删除，最终保证编辑后的数据能保留原始数据95%的损伤要求，且最大值及最小值不变，PSD伪能量误差在10%以内。图2为坑洼路A路面的左、右悬置Z向载荷通道，阴影部分为剔除的时间片段，白色部分为保留部分。

图2 坑洼路A路面的左、右悬置Z向载荷通道

3.1 传递函数和台架驱动获取

迭代之前需要计算试验系统的传递函数。求传递函数是通过台架播放白噪声激励整个系统(包括台架、夹具、样件、传感器等)，建立驱动信号同试验系统响应的数学模型，目的是获得系统的传递函数。白噪声的设计主要包括上下截止频率、幅值、衰减指数等参数。上下截止频率需要根据台架的能力及目标信号的频率范围来确定，MAST台架系统控制的最低频率在0.6 Hz，而路谱信号频率在50 Hz以内，白噪声上下截止频率需包含这个频率段，故设置为0.5～55 Hz满足频带范围要求，衰减指数经验设置位移控制在1.5～2，载荷控制在1～1.5。图3为左、右悬置Z向通道的频响函数模型，由图可见曲线较为光滑，表明系统在此频带范围内不存在严重的非线性影响及无明显的外界干扰噪声[4]。

图3 左、右悬置Z向通道的频响函数模型

根据试验系统的传递函数及目标载荷谱计算初始驱动信号，播放初始驱动信号得到控制点的响应信号，将其与目标信号进行比较，根据所得到的误差信号对驱动信号进行适当的修正并再次加载，如此循环对驱动信号进行不断地修正，当控制点响应信号与目标信号误差达到一定精度时，就可以结束迭代，导出此时的驱动信号加以保存，作为以后耐久性试验的驱动信号。

3.2 迭代精度评价

悬置道路模拟试验迭代精度主要评价两方面：一是加速度和载荷通道在台架上的响应与试验场实际道路的响应一致性，包括时域、频域的比较；
二是载荷通道的总损伤对比。

比利时工况右悬置Z向载荷的目标信号和迭代信号的时域对比如图4所示。

图4 比利时工况右悬置Z向载荷的目标信号和迭代信号的时域对比

MTS RPC迭代软件可以随迭代的进行计算出均方根误差的变化曲线，均方根误差可反映实际响应信号与目标信号相位对应的好坏。如图5和图6所示,迭代控制通道加速度均方根误差均可控制在20%以内，迭代监控通道悬置载荷均方根误差也都控制在30%以内，所有工况迭代完成后均达到令人满意的误差精度要求。

图5 比利时工况加速度通道均方根误差收敛曲线

图6 比利时工况载荷通道均方根误差收敛曲线

台架迭代响应总损伤保留比例如图7所示。由图可以看到，台架迭代悬置载荷各通道响应信号保留损伤均在50%～200%范围内，迭代损伤保留情况可接受。

图7 台架迭代响应总损伤保留比例

3.3 道路模拟试验运行

根据试验场整车结构耐久试验规范编辑总载荷序列，完成规定的行驶路况组合及行驶路线的循环圈。动力总成悬置耐久试验可以考核悬置系统橡胶部分、液压阻尼部分、金属部分、所有紧固件等。

悬置系统试验总载荷序列完成1倍寿命后，发动机悬置、变速箱悬置未发生液体渗漏、支架断裂、橡胶脱胶等现象；
后悬置主簧橡胶开裂，裂纹长度为6 mm，深度为1 mm，裂纹位置与路试基本一致，如图8所示。试验后动静刚度相对试验前变化值均在20%以内，发动机悬置试验前与试验后动静刚度曲线对比如图9和图10所示。

图8 后悬置失效照片

图9 发动机悬置试验前与试验后动刚度曲线

图10 发动机悬置试验前与试验后静刚度曲线

通过在多轴道路模拟试验振动台上进行动力总成悬置系统道路模拟试验，模拟质量分析显示，试验室和试验场之间悬置的疲劳损伤误差在14%以内，试验室与路试疲劳破坏结果一致，可以确信试验室台架模拟是可靠的。1倍寿命耐久试验时间151 h，就相当于试验场整车结构耐久道路试验需要40 d的时间，可见台架试验比道路试验周期短很多。

综上所述，动力总成悬置MAST耐久试验可为悬置系统的设计和改进提供验证手段，缩短开发周期，降低成本。对于动力总成悬置系统在疲劳耐久验证方面具有积极的借鉴意义和工程价值，可以建立一套完整的动力总成悬置系统疲劳耐久试验标准。