（机械电子工程专业论文）汽车电器系统振动可靠性试验台在线监测系统开发.pdf

汽车电器系统振动可靠性试验台在线监测系统开发 摘要 “汽车电器系统振动可靠性试验台”是为开展汽车电器系统道路模拟试验 而开发的试验室台架试验系统。其在线监测系统是以汽车电器理论和计算机测 控技术为基础集成开发的电路多参数数据采集与处理系统，是整个试验系统的 重要组成部分。本文详细论述了该监测系统的设计开发方法和过程。 通过对汽车电器系统控制原理的研究实现了被试系统电应力的加载，使汽 车电器系统的主要部件能够在试验台上进行电工况的还原，建立了试验的基础 条件。 在系统的总体设计上，通过对监测对象特性的研究，提出了“虚拟单元模型” 的概念，建立与“模型”相对应的设计规则，并以此规则为核心展开系统的构架 和硬、软件的设计。从而使系统具有良好的柔性，能够灵活应用到不同车型电 器系统的试验监控之中。 系统开发采用l x i 总线的模块化仪器构建了基于以太网的基础结构；根据 信号特性合理选择仪器功能模块，进行硬件设计。以l a bw i n d o w s c v i 为平台 开发虚拟仪器软件，实现试验过程的数据采集、状态显示、数据记录和故障诊 断报警。 最终完成系统的集成，形成一套适用于多车型的计算机在线监测系统。在 试验过程中达到以自动化降低人工负荷，以设备保障试验数据的可靠性的目的； 使汽车电器产品试验成为一个可控、可溯、可重复的过程。 关键词：汽车电器可靠性试验实时监测系统集成 d e v e l o p m e n to fa no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h e b e n c ho fa u t o m o t i v ee l e c t r i cs y s t e mv i b r a t i o nr e l i a b i l i t yt e s t a b s t r a c t t h e “b e n c ho fa u t o m o t i v ee l e c t r i cs y s t e mv i b r a t i o nr d i a b i l i t y i e s t ”i so n et e s ts y s t e m d e s i g n e df o r t h er o a ds i m u l a t i o nt e s tf o ra u t o m o t i v ee l e c t r i cs y s t e m i t so n l i n em o n i t o r i n g s y s t e m ，ak i n do fm u l t i - p a r a m e t e rd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m ，i sa l li m p o r t a n t p a r tb a s e do na u t o m o t i v ee l e c t r i c a lt h e o r ya n dc o m p u t e rt e s ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y t h i s a r t i c l em a i n l yd i s c u s s e dt h ed e s i g nm e t h o d sa n dp r o c e s so f t h em o n i t o r i n gs y s t e mi nd e t a i l b yt h er e s e a r c ho ft h ea u t o m o t i v ee l e c t r i cs y s t e m sc o n t r o lp r i n c i p l e s ，e l e c t r i cs t r e s s c o u l db el o a di n t ot h es y s t e mt ob et e s t e d t h e n ，t h em a i na u t o m o t i v ee l e c t r i c a lp a r t si nt h e t e s tc o u l db ea b l et ow o r ki nt h er o a ds i m u l a t i o n t h a ti st h ef o u n d a t i o no ft h er e l i a b i l i t y t e s t o nt h eo v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e m ，ac o n c e p t ”v i r t u a lc e l lm o d e l w a sp u tf o r w a r d t h r o u g ht h es t u d yo fm o n i t o r i n go b j e c t sc h a r a c t e r i s t i c s s e tu pw i t ht h e m o d e l ”o ft h e c o r r e s p o n d i n gr u l e sa n de x p a n dt h er u l e sa st h ec o r et oc o m p l e t et h ef r a m e w o r k a sw e l la s h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n s ot h a tt h es y s t e mh a sg o o df l e x i b i l i t y , b ea b l et of l e x i b l y a p p l i e dt od i f f e r e n tm o d e l so ft h ee l e c t r i cs y s t e mo fm o n i t o r i n g t h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sb a s e do ne t h e m e tb yu s i n gl x ib u sm o d u l a r i n s t r u m e n t s t h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h es e l e c t i o no ff u n c t i o n a lm o d u l e sa r ea c c o r d i n gt o c h a r a c t e r i s t i c s o f s i g n a l s s o f t w a r eo fv i r t u a li n s t r u m e n tw a sd e v e l o p e db y l a b w i n d o w s c v it oa c h i e v ed a t aa c q u i s i t i o n ，s t a t u sd i s p l a y , d a t ap r o c e s s i n g ，a l a r ma n d f a u l td i a g n o s i si nt h ep r o c e s so fm o n i t o r i n g f i n i s ht h es y s t e mi n t e g r a t i o na tl a s t ，w h i c hc o u l db e - a p p l i e dt od i f f e r e n tk i n d so f a u t o m o b i l e s ，f o rt h ep u r p o s et h a tu s i n ga u t o m a t i o nt or e d u c ea r t i f i c i a ll o a da n dt op r o t e c t t h er e l i a b i l i t yo ft e s td a t ab ye q u i p m e n t s i tm a k e st e s t i n go fv e h i c l ee l e c t r i c a lp r o d u c tt ob e ac o n t r o l l a b l e ，t r a c e a b l ea n dr e p e a t a b l ep r o c e s s k e yw o r d s ：a u t o m o t i v ee l e c t r i c ；r e l i a b i l i t yt e s t ；r e a l t i m em o n i t o r i n g ；s y s t e m i n t e g r a t i o n 插图目录 图1 1 汽车试验方法分类1 图2 1 试验台原理图5 图2 2 振动台及其控制系统构建方案6 图2 3l t h 控制方法驱动信号运算过程7 图2 4 某电器路面激励响应信号在振动台上的复现8 图2 5 夹具系统装配图9 图3 1 自动测试系统的组成1 2 图3 2 计算机监测系统的基本形式框图1 3 图3 3 瞬断测量原理1 7 图3 4 系统初步方案设计1 9 图3 5 系统的逻辑对应环节1 9 图3 - 6 以虚拟单元模型为核心的系统设计思想2 0 图3 7 多路复用型系统结构2 3 图3 8 基于知识的故障诊断模型2 4 图3 - 9 故障识别的工程实现流程2 5 图4 1 汽车组合仪表还原后的工作状态：2 8 图4 2 开关与各仪表的结构关系3 0 图4 3 开关工作原理图3 2 图4 4 阻性电器单元监控原理一3 3 图4 5 监测系统硬件构成3 4 图5 1 虚拟仪器的软件框架结构3 5 图5 2l a b w i n d o w s c v i 程序开发步骤3 7 图5 3 程序框架及文件间的相互关系3 9 图5 4 软件功能模块结构图：4 0 图5 5 软件配置界面及配置选项4 l 图5 6 监测功能主界面4 2 图5 7 测频法测量原理4 3 图5 8 测周法测量原理：4 4 图5 - 9 超低频信号虚拟频率计计算流程4 6 图5 1 01 6 0 m s 定时采集循环控制流程4 7 图5 1 1 系统故障诊断流程j 5 0 图6 1 集中互联模式结构5 1 图6 2 系统现场结构图5 2 i i i 图6 3 专用测试系统研制过程5 4 图6 4 工作状态下系统显示界面5 5 图6 5 系统故障诊断记录5 7 图6 - 6 单通道8 0 通道扫描测量绝对误差对比5 8 i v 表格目录 表2 1 轻卡试验夹具相关参数j j 1 o 表3 - lu u t 虚拟单元模型及其规则2 2 表3 - 2 各类型系统性能对比2 4 表4 1 各类型开关基本性能比较3 2 表5 13 4 9 8 0 a 内置d m m 频率测量时间4 5 表5 2q c t9 0 0 1 9 9 7 故障分类原则4 9 表6 1i 型单元( 位置灯) 故障现象及诊断结果5 6 表6 2 单通道测量评价数据5 7 表6 38 0 通道扫描测量评价数据5 7 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金e 垦王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 签字日期吁跆 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金曼三些盍 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日 电话： 邮编： 年呼月厂铲日 致谢 本课题的研究工作与论文撰写是在导师陈剑教授的谆谆指导下完成的，自 始至终都倾注了导师的大量心血。感谢导师三年来对我的关怀和教诲。先生深 厚的学术造诣，严谨的治学态度，敏锐的创新精神，求实的工作作风，乐观的 生活态度，民主的教育方式，不倦的敬业精神都给我留下了深刻的印象，并深 深地影响着我，将使我受益终生。三年的学习生活中，先生给予了我无微不致 的关怀和呵护，值此论文脱稿之际，谨向导师致以最诚挚的谢意。 感谢陈心昭教授，先生儒雅的学者风范和广博的学识给予了我巨大的感染。 感谢毕传兴教授、陆益民教授、许滨老师、徐小军老师以及所有曾给予我关怀 和指导，给予我支持和帮助的师长们，是你们无私的付出才造就了我的成长。 三年来，实验室的所有成员共同营造了浓厚的学术氛围和良好的学习环境。 感谢同届的高静轩、李灿、李家柱、雷明准、刘鹏飞、任国栋、宋恩栋、徐陈 夏、夏海、王彦博、辛雨、杨雯、张丰利等同学。在学习和工作开展的过程中， 大家相互的支持与协作，共同的交流和沟通给予了我很大的帮助和促进。几年 的朝夕相处也使我们建立了深厚的友情。实验室团结向上的学习氛围，和谐融 洽的同学关系，使我难忘。同样感谢费丽梅、陆兵、李青、马文明、乌静、汪 学岭等师弟师妹，在过去的学习和研究工作中给予我的大力支持。 感谢我的父母和亲人，是他们的理解和支持，使我有了再次回到校园深造 的机会，是他们的帮助和付出为我创造了进一步提高条件。 再次感谢所有关心、帮助和支持我的师长、亲人和朋友! 作者：雷达 2 0 0 9 年4 月 第1 章绪论 由于路面激励和发动机振动这两大激励源的存在，汽车电器长期工作在剧 烈的振动和冲击之下。资料统计表明：在汽车运行过程中，电器与电子系统故 障占整车故障的比例极高，且呈逐年增加的趋势【l 】。汽车电器性能的好坏对整 车质量起着至关重要的作用。 可靠性试验是解决产品设计和质量问题的有效手段，通过试验可以暴露出 零部件、总成及系统的薄弱环节，掌握这些薄弱环节的设计、制造、工艺等影 响因素和统计规律，采取相应的技术措施，使达到提高产品可靠性的目的。 1 1 汽车产品试验方法及台架试验的发展现状 汽车试验是评价新车设计水平，检查汽车工业成批产品质量的主要手段， 也是在样车修正设计和调试过程中考核新的技术方案和新的设计的有效措施。 现行的汽车产品试验方法可作如下分类阱【4 】： 汽车试验方法 r 实用耐久性能试验道路试验 实车行驶试验 l 快速寿命试验试车场试验 室内试验 f ? 等而寸0 j 胜? 警 1 1 1 实车行驶试验 实车行驶试验包括室外道路试验和汽车试验场试验两种。 室外道路试验是汽车在实际使用的道路条件下的现场试验。试验结果比较 符合实际使用情况，可对技术性能进行全面的考核。但试验的影响因素多，如 环境条件不易控制；受车上空间条件的限制，试验设备的安装及测试参数的记 录、处理均较室内试验困难；试验结果的重复性、可比性差。这种试验方法最 大的问题在于试验周期过长，无法满足产品快速换型设计的需求。 试验场试验是由各种试验道路、试验场地、试验室以及各种辅助设施组成， 用来测定汽车的结构参数及其性能参数的试验方法。试验时，按照预先确定的 试验项目和试验规范在规定的条件下进行试验。试验场内的部分试验路段模拟 了汽车的实际使用工况，也包含经过人为强化的道路条件，形成比实际道路具 有更加恶劣的路况，因此在较短的试验里程内即可获得试验结果，可用于加速 寿命试验。试验场的路面和设施稳定少变，试验时所受影响因素相对较少，适 用于整车定型试验，或大总成更换试验；但对于零部件试验仍然存在效率低， 试验投入大的缺点。 ， 1 1 2 室内试验及道路模拟试验的发展 室内试验是以试验台架的开发为基础，在规定的可控条件下对汽车总成及 零部件的可靠性进行验证或测定试验，其试验条件可以模拟现场条件，也可以 与现场条件不同。 室内试验与实车行驶试验相比具有下列优点【5 】、【6 】： ( 1 ) 可以强化载荷，大大缩短试验周期。 ( 2 ) 试验时的主、客观条件可以控制，可比性、重复性好。 ( 3 ) 经济性好；相对路试来说，人、财、物的消耗少。 ( 4 ) 安全可靠；在目前交通事故率、人员死亡率较高的情况下，室内模拟试 验无疑具有较大的安全性。 ( 5 ) 更为重要的是，可以模拟实际行驶时的各种载荷条件，十分接近道路试 验。 近年来，在台架试验中广泛采用了计算机技术，使室内试验不仅可以对零 部件、总成进行性能、强度和寿命试验，也可对整车参数进行测定，模拟道路 行驶的各种试验。通过建立室内台架试验与实际道路试验的对应关系，使得室 内台架试验可以代替一部分道路试验。 室内道路模拟试验是2 0 世纪6 0 年代开始发展起来的一种室内试验技术。 该试验能以较高的精度在室内试验台上测试汽车整车及总成和零部件，并能消 除不需研究的一些因素，容易控制试验条件。汽车室内模拟试验在试验室内进 行，通过技术措施，模拟汽车在实际行驶时的受力和载荷；并在尽可能接近于 实际行驶条件下，进行各项测量。能以较高的精度测试车辆及其部件的性能， 排除某些因素不可控因素，如环境条件、驾驶员熟练程度等。计算机技术和数 字技术的发展，使室内模拟试验进入了新的阶段。室内模拟试验采用随机加载， 数据自动记录和采集处理系统，模拟车辆使用工况，提高了试验精度，缩短了 试验周期，加快了新产品的步伐。 道路模拟试验在试验室内再现汽车的主要部件甚至整车在道路行驶的运行 工况，从而研究车辆对道路不平度激励的响应及其耐久性试验，达到缩短产品 的开发周期及降低开发成本的目的。进行汽车道路模拟试验的主要试验设备包 括测功机( d y n a m o m e t e r ) 、四柱振动模拟台( f o u rp o s t e r s ) 、振动台( s h a k e rt a b l e ) 等，前两种设备主要用于整车的试验，后一种试验设备主要进行汽车零部件的 2 试验。目前国内各汽车厂家的道路模拟试验设备基本上为进口设备，例如美国 m t s 的四柱模拟振动台、德国s c h e c k 公司的汽车整车性能综合试验室等，这 些试验设备功能比较完善，但价格昂贵【7 】、i s 】。 国内汽车行业在近年来得到了飞速的发展，在产品、设计、制造等方面都 获得了巨大的进步，但试验理论方法的应用以及试验设备的开发仍处于一种相 对滞后的状态。针对整车的试验设备主要以进口大型设备为主，系统造价昂贵， 运行维护成本高。自行研制设备主要针对零部件或以某部件为核心的子系统。 就汽车电器系统而言，目前尚无针对整车电器系统的试验设备。随着现代控制 理论、控制技术以及计算机技术的发展，试验室道路模拟试验已成为汽车工业 的一项重要试验项目。相关试验理论、技术的发展和的试验台架的开发成为汽 车试验技术发展的重要方向。 在这种背景下，国内各相关技术领域开始致力于开发具有自主知识产权的 现代化试验及检测系统。目前，国内诸多汽车制造厂家都已通过与高校及科研 机构的合作，研制开发了各自汽车电器微机综合检测系统，但这些设备多是针 对汽车单一电器部件或是线束的单一状态或几个状态开展的，功能上有很大的 局限性。并且，汽车零部件的可靠性试验和检测是一个系统性的工作，除了常 规性能检测外，还需在实际工况下对汽车电器、线束和连接器等方面进行全面 的可靠性试验和检测。对此，传统的手段通常是将汽车进行大量的道路试验后， 人工对汽车电器与线束系统的各项性能指标进行检测。此种方法不仅试验成本 高、时间长，且在检测效率、精度，数据的可靠性和一致性上都存在很大问题。 因而开发自动化的试验设备和智能化的检测系统具有非常巨大的应用价值。 1 2 本课题来源、研究目的和意义 本课题来源于企业项目“汽车电器可靠性试验台操作系统开发”，是与国内 某汽车公司合作开展的试验研究及设备开发项目。 汽车行业竞争的日趋激烈，车型更新速度不断加快，缩短新车型开发周期、 提高产品品质从而提高产品竞争力成为各个汽车公司的当务之急。在“减少不可 控因素，增加设备保障因素”的指导思想下，建立自动化试验及监测系统是保障 汽车行业快速发展的重要因素之一。 由于现有试验方法及设备的局限性，开发针对汽车电器系统的道路模拟试 验系统是汽车企业的迫切需求，有着巨大的应用价值。对于增加试验的可控性， 提高试验效率，节约试验成本有着重要的意义。 智能化的监测系统是现代试验系统中不可或缺的一个部分。以汽车电器理 论为基础，结合运用计算机测控技术，开发具有较强通用性的自动监测系统， 使其能用于多种车型的试验监测。从而达到提高产品试验的自动化程度，增加 试验数据可靠性，实现试验监测的实时化和智能化的目的。对汽车产品的系统 3 开发、质量管控和设计改进具有重要意义。 1 3 论文的主要内容及结构安排 本文对汽车电器系统振动可靠性试验台进行了概括性的介绍；着重论述了 该试验台在线监测系统的设计开发过程，并对开发过程中所涉及到的主要理论、 技术及工程问题进行了全面的说明。 论文的结构安排如下： 第一章，对现行汽车产品试验方法进行了总结和分析，并着重介绍了实验 室试验方法及其设备在国内的发展状况； 第二章，概括性介绍了“汽车电器系统振动可靠性试验台”的原理、构成及 其功能特点，指出试验台监测系统在本试验系统中的作用和意义。 第三章至第五章，详细论述了监测系统开发中涉及的内容。包括系统的设 计思想的确立，系统的总体构架以及系统硬、软件的设计与集成等，并着重说 明了系统开发中的一些关键问题。 第六章，对系统的开发过程进行总结，归纳出计算机测控系统集成开发的 一般流程，并通过运行试验对系统功能进行了验证。 第七章，对全文的各部分内容进行了概括性的总结和分析，并讨论了本文 所涉及的内容中有待进一步深入研究和实践的方向。 4 第2 章汽车电器系统振动可靠性试验台概述 汽车电器系统振动可靠性试验台是以可靠性试验理论及方法为基础，充分 结合了汽车技术、振动控制技术、计算机测控技术以及机械设计与制造等学科 门类的相关知识而开发的，是多学科知识融合的产物。 2 1 汽车电器系统振动可靠性试验台的功能特点 汽车电器系统振动可靠性试验台针对汽车整车电器系统开展试验，是一套 用于道路模拟的振动可靠性试验系统。它将汽车电器系统在试验台上装夹固定， 并按电器部件的实际连接关系连接成为系统；使用试验辅助系统实现电应力加 载，使汽车电器系统在试验台上按实车运行状态进行电 二况还原；以此系统为 试验对象；使用具有时域信号复现功能的振动控制器，以实际采集的路面激励 响应信号作为振动控制信号，驱动振动台对被试系统进行振动应力加载：采用 计算机蛸测系统对被试系统状态实时监测，进行状态显示、数据记录和诊断报 警。以此系统的试验数据为基础，结合可靠性评价方法和加速寿命试验方法的 理论知识，完成可靠性评价和寿命预估。 传统的台架振动试验方法多是按照环境试验规程，采用正弦控制信号的定 频和扫频试验。试验对象为单个电器部件，且对于大多数部件而言r 未要求电 应力的加载。而本试验系统的本质是对现行道路试验在试验室内的再现，其思 想及方法与传统试验方法有较大的差别。 i1 兰：丛i ：i 2 ：i 。锶 l 占 图2 1 试验台原理幽 5 试验系统开发的目的是在试验室内借助试验设备较真实地模拟汽车电器系 统在室外道路试验中的实际工况，对系统及部件的振动可靠性进行考核，同时 获取完整、可靠的试验数据，用于产品设计改进和品质鉴定等。与传统试验方 法相比其具有以下特点： ( 1 ) 以系统作为试验对象 试验针对整车电器系统而非单个部件，是对多回路多部件系统振动可靠性 整体上的考核，可以真实的反应系统的综合因素对产品性能的影响；同时也提 高了试验效率，使试验成本得到控制。 ( 2 ) 电器在工作状态下承受振动激励 由于被试系统( 汽车电器系统) 脱离实车，被整体移植到试验台上。在试 验辅助系统，如电源、信号模拟器等设备的支持下，被试系统各主要电器设备 可按实际工作状态工作。试验中同时承受电应力和振动应力的作用，使试验工 况与实际更为接近。汽车电器工作状态下所受的电应力是影响电器设备寿命和 可靠性的一个重要因素。 ( 3 ) 实际采集的路面激励响应信号用于振动台控制 系统通过采集汽车电器对于试车场路面激励的时域响应信号，作为振动控 制信号，通过闭环控制实现时域复现。并可以此为基础，对信号进行强化，开 展加速试验。 ( 4 ) 在线监测、实时的故障报警与诊断 系统采用在线监测的方法，对被试系统内的电量进行采集，监控电路状态 的变化并实时的对故障进行报警和类型判定。试验监测系统对试验过程的数据 进行记录可用于试验查询和故障机理分析。 2 2 汽车电器系统振动可靠性试验台的原理及构成 汽车电器系统振动可靠性试验台由振动台控制系统、试验装夹系统和在线 监测系统三部分组成。 2 2 1 振动台与振动控制系统 目 标 谱 信 号 图2 2 振动台及其控制系统构建方案 6 振动传感器 振动台动圈 试验台的振动台及其控制系统是通过振动的闭环控制使振动台产生激励力 对试件进行振动激励。其结构与常规振动台试验系统相同，如图2 2 。主要通 过振动控制器一功率放大器一振动台j 振动传感器一振动控制器构成的闭环控 制系统来实现。 l 原始时域信号读取 将原始信号分害- t j 5 b1 1 帧，取i = l 进行预激励并估计系统初始传递函数 图2 3 自校正控制方法驱动信号运算过程 道路模拟振动试验的关键在于振动控制，包括控制方法和控制信号两部分。 时域历程长时复现振动控制模块提供了一种基于时域目标谱的自校正控制方 法。该方法根据响应目标谱的时域信号和系统传递特性，在试验过程中实时的 生成驱动信号对振动台进行控制，而无需在试验前事先生成振动台驱动信号： 此外，由于驱动信号是以在线状态逐帧的计算输出，因此控制器可以对实验过 程中系统传递特性的变化做出响应，从而实时的对驱动信号进行修正。其运算 过程如图2 3 所示。 振动控制的目标谱信号来源于汽车道路试验中的数据采集。其方法是，在 汽车试验场内用“加速度传感器测量法”【9 】，在目标控制点如灯具、仪表等部件 的安装点处设置加速度传感器，测量该处对路面激励和发动机激励综合作用下 的响应。并通过编辑生成具有典型路面特征的振动台时域目标谱信号，保存作 为该车型道路模拟试验的目标谱数据文件。 在控制方式上采用在多点振动控制技术【1 0 l ，控制器运用两个反馈通道获取 7 振动台响应信号，通过多点最大值控制保证闭环控制效果。 自校正控制方法，实车响应谱的采集，以及多点控制方式的综合应用很好 的保证了路面激励在振动台上的复现，从而使汽车电器的路面载荷在振动台上 得到了模拟。以此为基础，在当量计算方法的指导下进行载荷谱的强化便可开 展加速试验。借助增大试验应力的方法缩短试验时间，从而达到提高试验效率 的目的。 。|l 1 玎 l l 是 i ： |f ，l ：， ： 甜k 实际道路!苌集信号 ；趴 振动台拾j阪的信号 ； ： ， j f 一 ： v 畿； j ； l ， 叼 量 ： 螃w 。飞 盈k ： 铡 ；：， ； ：自 ” 螂 v y 、 1 k 9矗 ： 吖 j y 哗t 。扫t l j _ ，_ 一u ，如 图2 4 某电器路面激励响应信号在振动台上的复现 2 2 2 试验装夹系统 夹具的作用就是把振动台( 或冲击机) 的机械能传递给试件，夹具除应能夹 持好受试产品外，还应在能量传递过程中尽量减少失真和避开试验频率范围内 的共振频率。它的刚度、频率、质量、重心等特性参数是影响产品试验真实再 现的重要因素。 针对本系统的设计要求，考虑汽车电器系统的整体布局，构建了系统的初 始结构模型；建立以结构重量、频率响应为优化设计目标的结构优化模型。先 以拓扑优化的方式得出了最初的结构构型，然后对结构中的各个部件进行了灵 敏度分析；并在这个分析的基础上，对结构进行了尺寸优化设计，从而获得了 最佳的结构模型【1 1 1 。 试验夹具采用了两级结构设计。底部扩展平台与振动台动圈连接，起到空 间上的扩展作用，作为夹具安装的载体；上部随形夹具用于装夹汽车电器。 由于不同车型用电器的安装形式各不相同，其随形夹具必须作专用设计； 试验夹具采用了两级结构设计，既整套夹具系统由底部扩展平台和上部随形夹 具两部分构成。这种构造形式一方面可以使夹具的设计制造相对简单，另一方 面使系统在对不同车型进行试验时只需更换随形夹具而不必更换底部平台；有 效的提高了系统使用的灵活性和经济性。 底部扩展平台经过多种方案的动力学优化设计，最终采用了格栅式结构。 8 8 7 6 5 4 3 2 1 这种结构在保证刚度的前提下大大减轻丁夹具自重，提升了平台的有效载荷； 并且避开了激励频率范围，能较好的传递振动激励。其基本技术参数为：尺寸 1 2 0 0 x 1 2 0 0 m m 2 ，重量1 9 0 k g ，用铝量6 9 1 0 7 m m 3 。一阶频率2 4 5 h z 。 倒2 - 5 夹具糸统裴配幽 电器随形夹具的结构设计以获得电器的几何外形与定位尺寸为基础，按照 用电器在汽车上的实际空间定位方式设计，安装姿态保证尽可能的与实际状况 相致。随形央具的设计应用了c a e 技术的有限元分析方法展开夹具的动力学 性能设计，通过拓扑优化进行结构优化设计，确保了夹具系统具有赵好的动力 学性能。 表2 - 1 轻卡试验夹具相关参数 霸n 丛 承裁平台夹具1夹具2夹具3夹具4夹具5 材料 铝台金 q 2 3 5 钢 0 2 3 5 钢 q 2 3 5 锕 q 2 3 5 钢 0 2 3 5 钢 质量( k g ) 1 46 制造工艺铸造焊接焊接焊接焊接焊接 一阶频率( h z )2 l583 4 00 2 7 90 223 试验台在线监测系统 电子电器产品传统的可靠性及寿命试验方法采用的是对产品连续长时间的 施加电应力和环境应力的方式。试验过程多采用人工值守，并主要采用试验后 离线检测的方法对试件故障进行检测和数据纪录。这种方式存在以下问题： ( 1 ) 试验环境恶劣。如振动试验、高低温试验等试验现场，常伴有噪声、湿 热等因素。 ( 2 ) 时间长，试验人员的工作负荷大。一般产品寿命试验往往需连续进行数 日到数月不等，试验过程中需始终有人值守。 ( 3 ) 人工记录数据缺乏完整性和一致性。这种方式对数据的记录只局限于 部件出现功能异常之后，无法获得故障形成过程中电路状态的内在信息。 9 且人工记录数据使得数据的可靠性易受主体因素的影响。 ( 4 ) 故障现象不具有可溯性，无法为故障分析提供充分的依据。 试验的根本目的在于通过试验获取数据，展开相关的分析和研究。因此试 验数据的可靠性从根本上决定了试验的有效性。传统试验记录方法中，由于数 据匮乏，可靠性差，因此无法对试验结果进行深入的分析。 现代计算机测控技术的发展为试验监控的智能化和试验数据的可靠性奠定 了基础。运用计算机及其外围设备对试验过程进行全面的数据采集和记录，为 试验结果分析提供了可靠的保证。通过智能系统实时的进行控制与决策，对提 高试验的自动化程度，提升试验效率有重要意义。 基于以上原因，在智能化试验系统的开发中，除应能通过试验设备适当施 加试验应力对被试系统的薄弱环节进行有效激发以外，还应具备可对被试系统 的试验状态进行实时测试、记录和分析的试验监测系统。 以l x i 总线标准为基础，结合虚拟仪器模块及其软件开发出的“汽车电器 系统可靠性试验实时监测系统”将现代测试技术与计算机技术融为一体；在设计 上充分考虑了系统的通用性和可扩展性，使其能够适用于多种车型的电器系统 试验，使汽车电器系统可靠性试验的自动监控成为现实，使试验过程变的智能 化、科学化；为被试系统的故障机理分析，可靠性试验结果评价，汽车产品的 设计和品质改进提供了有效手段。本文后几章对监测系统的功能、原理和设计 开发过程等各个方面进行了详细的论述。 1 0 第3 章试验台在线监测系统的总体设计 计算机监测技术是一门综合性的技术。它是计算机技术( 包括软件技术、接 口技术、通信技术、网络技术、显示技术) 、自动控制技术、自动检测和传感器 技术的综合应用。计算机监测系统作为应用于特定对象的仪器设备，系统的开 发者还必须熟悉监控对象的有关知识。 汽车电器系统振动可靠性试验监测系统的开发以对汽车电器系统的原理、 构造的研究为基础，运用计算机测控系统集成技术，是多学科领域知识相结合 的产物。 3 1 计算机自动监测系统概述 3 1 1 计算机监控系统的分类 由于计算机监控系统在应用上和构成上的差异，其种类繁多。- 按计算机监 控系统构成上的不同可分为三种主要类型。其中基于可编程逻辑控制器的计算 机监控系统( p l c s ) 和集散控制系统( d c s ) 具有大型、可靠、模块化、网络 化的特点，主要应用于工业、环保、楼宇等行业。系统造价较高，开放性较差。 而基于个人计算机的计算机监控系统( p c s ) 在中小型应用中占有比较大的比 例f 12 1 。 基于个人计算机的计算机监控系统的基本特点是输入输出装置制作成为板 卡的形式，并将板卡直接与个人计算机的系统总线相连，即直接插在计算机主 机的扩展槽上。这些输入输出板卡往往按照某种标准由第三方批量生产，开发 者或用户可以直接在市场上购买。 个人计算机是目前世界上数量最多、应用最广泛的机型，特别是个人计算 机结构简单，操作简便，技术开放，并且拥有较为丰富的应用软件资源，从而 深得人们的青睐。早期的p c 的最大问题就是其性能不够可靠。2 0 世纪9 0 年代 中期后，随着计算机软硬件技术的发展，p c 的可靠性已越来越高，特别是工控 机，其机箱、电源、主板等都进行了强化，可靠性也越来越高。 随着仪器仪表技术的发展，电子测量仪器不断吸取电子和计算机技术的最 新成果。使测试总线技术得到不断发展，从早期的i s a 和p c i 到g p i b 、v x i 、 p x i 、l x i ，电子测量仪器和计算机的标准接口( 仪器背板总线、通讯协议和 软件体系结构) 得到了不断的更新和升级，形成了可以实现基于p c 的自动化测 试的自动测试系统( a t s ) ，并被广泛应用到计算机测控系统的构建中。由于p c s 价格低廉等特点，使其在中小型特别是小型计算机监控系统中占有相当大的比 例。 与此相对应，自动监测系统中应用的虚拟仪器技术具有先进的理念：以计 算机为高速载体，软件就是仪器，流程图就是程序，与硬件的无缝结合，扩展 性强等，近年来在国内迅速得到了认同和应用。虚拟仪器通过软件把计算机资 源( 如微处理器、内存、显示器等) 和仪器硬件( 如a d 、d a 、数字i o 、定时计 数器、信号调理等1 有机地结合在一起，完成测量、控制、数据处理分析和图形 化显示等功能。 由模块化仪器设备组成的自动测试系统具有数据传输速率高、数据吞吐量 大、体积小、质量轻、系统组建灵活、扩展容易、资源重用性好、标准化程度 高等众多优点。p c s 是一种很有应用前景的计算机监控系统。 3 1 2 自动测试系统的一般组成 现代测量及监测系统的发展趋势是标准总线计算机平台、功能强大的软件， 以及应用总线技术的模块化仪器设备的有机结合。自动测试系统( a t s ) 一般由三 大部分，即自动测试设备( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ，a t e ) ，测试程序集( t e s t p r o g r a ms e t ，t p s ) 和t p s 软件开发上具所组成，如图3 1 所示【1 “。 图3 1 自动铡试系统的组成 自动测试设备( a t e ) 是指用来完成测试任务的全部硬件和相应的操作系统 软件。a t e 的心脏是计算机该计算机用来控制复杂的测试仪器，如数字多用 表，信号发生器及开关组件等。这些设备在测试软件的控制下工作，在不同的 引脚、端口或连接点上测量被测对象的响应，从而确定该被测对象是否具有规 范中规定的功能或性能。a t e 有者自己的操作系统，以实现对内部事务的管理 ( 如自测试，自校准等) 、跟踪维护要求及测试过程排序，并存储和检索相应的 技术手册内容。a t e 的典型特征是它在功能上的灵活性。 测试程序集( t p s ) 是与被测对象及其测试要求密切相关的。典型测试程 2 序集由三个部分组成，即： ( 1 ) 测试程序软件。 ( 2 ) 测试接口适配器，包括接口装置、保持紧固件及线缆。 ( 3 ) 被测对象测试所需的各种文件。 a t e 中的计算机运行测试软件，控制a t e 中的激励设备、测量仪器、电源 及开关组件等，将激励信号加到待测系统中，测量被测对象在相应信测点的信 号，然后再由测试软件来分析测量结果并确定可能是故障的事件，进而对系统 或部件的状态做出判断。 参量1 参量1 参量1 传感器 -信号调理- 数 据 绘图 传感器 信号调理 采 爿计算机r 显示 集记录 设故障诊断 传感器 - 信号调理 备 图3 - 2 计算机监测系统的基本形式框图 图3 2 所示为计算机控制现代测试系统的基本形式【l4 1 。它能完成对多点、 多种随时间变化参量的快速、实时测量，并能排除噪声干扰，进行数据处理、 信号分析，由测得的信号求出与研究对象有关信息的量值或给出其状态的判别。 系统各组成部分的功能如下： ( 1 ) 传感器 完成信号的获取，它将被测参量转换成相应的可用输出信号，被测参量可 以是各种非电气参量，也可以是电气参量。如电力输电线路高电压电网，可通 过电压互感器将高电压变为1 0 0 v 电压，通过电流互感器将电网大电流变为5 a 后仍需采用电压、电流传感器或变送器再将1 0 0 v 电压及5 a 电流分别转换成 5 v 低电压后送入数据采集卡( 板) 中的a d 转换器。 ( 2 ) 信号调理 来自传感器的输出信号通常是含于干扰噪声中的微弱信号。因此，后面配 接的信号调理电路的基本作用有两个j 其一是放大，将信号放大到与数据采集 卡( 板) 中的a d 转换器相适配；其二是预滤波，抑制干扰噪声信号的高频分 量，将频带压缩以降低采样频率，避免产生混淆。如果信号调理电路输出的是 规范化的标准信号，即4 2 0 m a 电流信号，则称这种信号调理电路为变送器。 此外，根据需要还可进行信号隔离与变换等。 ( 3 ) 数据采集设备 主要功能有三：其一是由衰减器和增益可控放大器进行量程自动改换；其 二是由多路切换开关完成对多点多通道信号的分时采样，时间连续信号x ( t ) 1 3 经过采样后变为离散时间序列x ( n ) ，n = 0 ，1 ，2 ，；其三是将信号的采样值 由a d 转换器转换为幅值离散化的数字量，或由v f 转换器转换为脉冲频率以 适应计算机工作。 ( 4 ) 计算机 是系统的神经中枢，它使整个测量系统成为一个智能化的有机整体，在软 件导引下按预定的程序自动进行信号采集与存贮，自动进行数据的运算分析与 处理，指令以适当形式输出、显示或记录测量结果。 图3 。2 所示的基本型现代测量系统是目前以计算机为中心的现代测量系统 的主要形式。随着微电子技术的发展，将传感器与信号调理电路集成为一体化 的芯片已经实现，甚至将传感器、信号调理电路、数据采集以及微计算机或微 处理器全部系统集成在一块芯片的产品也己面世，因此，传感器与仪器的界线 正在消失，系统结构更趋于简单化。 3 2 试验台在线监测系统的总体设计 电气设备的在线监测是预先在设备的关键部件、敏感区域、重要参数环节 处安装传感装置作为监测节点，将监控对象中的物理参量( 如温度、压力、流量、 液位、速度) 转换为电量( 如电压、电流) ，将各种强、弱、大、小规格不一的信 号进行调理放大、规格化，变成自动化检测仪器及计算机能够接纳的模拟或数 字量信号送入监测仪表及计算机系统的输入单元。自动化仪表及计算机智能系 统连续不断地获取或周期性采样获得各种参数信号，并通过显示装