（机械制造及其自动化专业论文）汽车电器系统振动可靠性试验系统的研究与开发.pdf

汽车电器系统振动可靠性试验系统的研究与开发摘要“汽车电器系统振动可靠性试验系统”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，是在试验室内借助试验设备较真实的模拟汽车电器在实际道路试验中的工况，对系统及部件的抗振性能进行考核，用于品质鉴定和设计指导，同时达到简化产品检验程序、节约试验成本的目的。本试验系统是对整车电器系统的整体移植，要求电器系统处于正常工作状态下，并按路谱信号施加一定频率和加速度的振动激励，实现工况还原。以项目需求分析及电器系统整体布局为基础，构建了试验台夹具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，通过拓扑优化、灵敏度分析、尺寸优化等方法获得了最佳的结构模型。采用l x i 总线的模块化仪器构建了基于以太网的在线监控系统，根据信号特性合理选择仪器功能模块，进行硬件及软件设计，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电器系统振动可靠性试验系统。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：汽车电器系统道路模拟试验夹具系统在线监控r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tf o rt h es y s t e mo 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 ta b s t r a c tt h e “s y s t e mo 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 ”i so n et e s ts y s t e md e s i g n e df o rt 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 ti st h a tb yu s i n go ft e s te q u i p m e n ti n d o o r st os i m u l a t ew o r k i n gc o n d i t i o no fa u t o m o t i v ee l e c t r i c si na c t u a lr o a dt e s t ，t oa s s e s sa n t i - v i b r a t i o np e r f o r m a n c eo fe l e c t r i cs y s t e ma n dc o m p o n e n t s ，f o rq u a l i t yi d e n t i f i c a t i o na n dd e s i g ng u i d e ，a n dr e a c ht h ep u r p o s eo fs i m p l i l y i n gp r o d u c tt e s tp r o c e d u r e sa n ds a v i n gc o s t i nt h i ss y s t e m ，t h ea u t o m o t i v ee l e c t r i cs y s t e ma saw h o l et r a n s p l a n t ，r e q u i r e de l e c t r i cs y s t e mi nn o r m a lw o r k i n gc o n d i t i o n ，a c c o r d i n gt os p e c t r u ms i g n a lt oe x e r tv i b r a t i o ni n c e n t i v ew i t hc e r t a i nf r e q u e n c ya n da c c e l e r a t i o n ，a c h i e v i n gt h ew o r k i n gc o n d i t i o nr e v e r t b a s e do np r o je c tn e e da n a l y s i sa n de l e c t r i cs y s t e mo v e r a l l1 a y o u t ，e s t a b l i s has t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nm o d e lw i t ha no p t i m i z a t i o nd e s i g nt a r g e to fs t r u c t u r a lw e i g h ta n df r e q u e n c yr e s p o n s e b e s ts t r u c t u r a lm o d e li so b t a i n e db yt h et o p o l o g yo p t i m i z a t i o n ，s e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n ds i z eo p t i m i z a t i o n t h er e a l - t i m em o n i t o r i n gi sb a s e do ne t h e r n e tb yu s i n gl x ib u sm o d u l a ri n s t r u m e n t s a c c o m p l i s ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so fs i g n a l s ，t 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 df 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 c o m p l e t et h es y s t e mi n t e g r a t i o n ，w h i c hc o u l db ea p p l i e dt od i f f e r e n tk i n d so fa 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 tt 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 fa u t o m o t i v ee l e c t r i c a lp r o d u c tt ob eac 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 cs y s t e m ；r o a ds i m u l a t i o nt e s t ；f i x t u r es y s t e m ；r e a l t i m em o n i t o r i n g ；插图清单图2 1 汽车电器系统振动可靠性试验台原理图5图2 2 道路模拟试验构建方案6图2 3 振动夹具装配系统6图3 1 道路模拟试验原理图8图3 2 实车路谱采集控制点的选择9图3 3 实车路谱采集监控点的选择9图3 4 试验场强化路面1 0图3 5 m i n e r 疲劳累积损伤示意图1 1图3 - 6 强化前的组合路谱1 2图3 7 强化后的组合路谱1 2图3 8 自适应时域复现控制方法。1 4图3 - 9 道路模拟试验结果对比1 5图4 1 振动夹具系统设计流程图1 7图4 2 夹具系统设计方案一1 8图4 3 承载平台最终设计方案1 9图4 4 承载平台静力学分析1 9图4 5 承载平台动力学分析2 0图4 6 随形夹具三维效果图2 0图4 7 随形夹具1 5 及总装后的一阶固有频率云纹图2 1图5 1 在线监测系统框图2 2图5 2 在线监测系统设计流程图2 4图5 3 在线监控系统构建方案2 6图5 - 4 阻性电器单元监控原理2 6图5 5 一般用电器测量方法2 7图5 6 动态工作用电器输入信号2 7图5 7 动态工作用电器测量方法2 8图5 8 汽车仪表监控方法2 9图5 - 9 电路瞬断测量原理2 9图5 1 0 仪表信号模拟原理图3 0图5 1 1 仪表在工况还原后的工作状态3 1图5 1 2 3 4 9 6 1 x 时序测量模块3 3图5 1 3 测试主机连接关系3 3图5 1 4 开关工作原理图3 3i i i图5 1 5 监测系统硬件构成3 4图5 1 6 测试系统应用软件开发流程3 5图5 17 软件功能模块。3 6图5 1 8 软件配置功能界面3 8图5 1 9 软件监控主界面3 8图5 2 0 软件系统故障诊断过程4 1图6 1 系统现场结构图4 3图6 2 汽车电器系统振动可靠性试验台操作流程4 3图6 3 振动控制系统显示界面4 4图6 4 在线监控系统显示界面4 4图6 5 软件故障诊断。4 5图6 6 专用测试系统开发流程4 7i v表格清单表3 1 各强化路面强化系数及等效车速1 3表4 1 试验台夹具系统各个结构的一阶频率表2 1表5 1 仪表控制原理及监控方式2 8表5 2 用电器故障判断依据4 0表6 1 汽车电器系统振动可靠性试验报表4 5表6 2 单通道测量评价数据4 6表6 38 0 通道扫描测量评价数据4 6v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注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁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。学位论文作者签名听去乞签字日期：咖年勿月声日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盒目曼王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目墨王些太堂可以将学位论文的全部或部分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)学位论文作者签名：1 蕴名，签字日舯年驷灿学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：导师签名：签字日期辨月电话：邮编：乙致谢本课题的研究工作与论文撰写均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。先生渊博的学识、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，并深深地感染了我，是一位能以人格魅力指引学生一生的导师。三年来，先生无论在学习上还是在生活上，都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。本实验室的所有成员共同营造了浓厚的学术氛围和舒适的工作环境，感谢本实验室的雷达、穆国宝、李青、汪学岭、马文明、费丽梅、俞秋惠、文智明、李继峰、段月磊、蔡克强、乌静等同学，在工作的开展过程中，相互交流给予我很大的启发。在和大家的朝夕相处中，实验室团结向上的学习氛围、相互帮助的同学关系，使我终生难忘。同样感谢房芳、修磊、江俊等师弟师妹给我的一些意见和建议。感谢我的父母及家人，正是他们的理解和支持，使我的学业得以顺利完成，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：陆兵2 0 1 0 年3 月第一章绪论1 1 本课题来源、研究目的及意义本课题来源于企业项目“汽车电器系统振动可靠性试验系统开发 ，是与某汽车公司合作完成的汽车零部件专用检测设备。现有的汽车电器标准规定的试验室试验方法都是单项试验，将单个汽车电器从系统中脱离出来，在特定的环境下对其性能指标进行考核。然而汽车电器系统是由许多用电器和导线组成，且控制关系非常复杂，这使得整车电器系统含有大量连接性部位，这些环节在实际工作状况下会对系统产生很大的冲击，因此对单个电器的性能试验不能反映其真实可靠性。在试验室内进行道路模拟状况下，对汽车电器系统进行振动激励和寿命试验，及时发现产品设计的研制阶段存在的主要问题，如汽车线束中的断路、短路、瞬断等早期失效问题，可以让这些故障消失在萌芽阶段，避免不必要的经济损失，同时可以对改进后的产品可靠性指标进行评定和验证。因此在试验室内对汽车电器系统进行道路模拟振动试验是分析汽车电器系统的可靠性、加快产品研发、提高产品性能的重要途径。1 2 国内外研究现状随着科学技术的飞速发展，设计出的产品结构越来越复杂，同时对产品的可靠性要求也越来越高，这些需求促使了可靠性技术的快速发展。产品的可靠性的定义可以概括为产品在实际工作状态下能否按照要求实现预期的效果。2 0世纪初美国开始研究可靠性问题，美国电气工程师协会于1 9 1 3 年发表了“电机和电工仪器定额中温度界限所依据的一般原理 ，以该原理为出发点，对元件基本失效原理进行了充分研究。英、法等欧洲国家对产品可靠性进行了积极的研究，在日本科技联盟的推动下，日本也于1 9 5 8 年成立了可靠性委员会，越来越多的科学家加入到可靠性研究工作，使得可靠性技术取得了飞速发展。我国也在上世纪中叶开始了可靠性研究，建立试验室对某些电子产品的可靠性、环境适应性进行试验，取得了大量宝贵的试验数据，并在此基础上对电子产品的失效机理开展了研究工作，对产品的可靠性起到了巨大的推动作用。2 0 世纪8 0 年代我国成立了电工产品可靠性研究会，对电工产品的可靠性进行了大量的研究，推动了我国低压电工产品的可靠性水平的发展。随着我国汽车保有量的迅速增多以消费者对汽车安全性能要求的提高，汽车可靠性已成为各汽车公司重点研究领域之一。汽车可靠性是指在正常使用条件下，汽车产品能否在规定里程( 时间) 内完成规定功能的能力，汽车可靠性试验方法主要分为实车行驶试验和室内道路模拟试验f 1 。2 1 。1 、实车行驶试验实车行驶试验包括室外道路试验和试验场试验两种，是指在室外特定的路面上进行的可靠性试验，其试验结果与实际使用情况比较符合。但试验的影响因素很多，如环境条件的变化、试验结果的重复性差、试验周期过长，对于零部件试验仍然存在效率低、试验投入大等缺点。2 、室内道路模拟试验室内道路模拟试验是指在试验室内对车辆零部件或者整车进行道路模拟耐久性和可靠性试验，是在试验室内模拟被试部件的真实工作状态，因此是加速产品开发、提高产品质量的有效手段。由于其具有试验周期短、试验结果重复性好、成本低廉等优点，已成为应用最多的汽车耐久性和可靠性试验方法。众所周知，只有超过疲劳极限的应力才会对结构产生破坏作用，而对于实际采集的路谱信号，只有小部分信号能对车辆产生破坏作用，因此可以去除大量对车辆没有破坏作用的路谱信号。以处理以后的路谱信号作为振动台的激励源，同时进行昼夜连续试验，这样就大大缩短了试验周期。在试验室内采用先进仪器及专业技术方法对被试件进行详细检测，这在道路行驶试验中很难实现的。室内道路模拟试验优点在于【3 】：可以采用先进仪器和试验方法来监测试件的损坏或破坏；工作环境较好，可以进行长时间不问断试验，缩短开发周期；在试验过程中减少了不可控的因素，试验载荷的输入也是可以重现的，因此提高了试验的重复性；相对实车行驶试验其经济性较好。由于道路模拟试验比实车行驶试验存在较多优点【4 】，上世纪七十年代一汽和二汽开始引进道路模拟试验系统，对汽车产品进行了大量的试验。重汽技术中心于上世纪9 0 年代从德国申克公司引进道路模拟试验系统，对汽车零部件进行可靠性试验，对提高产品性能和缩短开发周期起到巨大作用。正是在这种背景下，国内许多汽车公司选择与高校及科研机构合作，共同完成道路模拟试验系统的研制，已经开发出可以对汽车电器进行自动检测的试验系统，但是这些系统往往是对单个电器在某一特定工作环境下的性能检测，缺少对系统整体性的考核，因此系统功能存在很大局限性。1 3 论文的主要内容和结构安排本文概括性的介绍了汽车电器系统可靠性试验台，着重阐述了试验台的工作原理、道路模拟试验方法及试验台的开发流程，并对开发过程中涉及的理论知识进行了详细的说明。本文各章的主要内容安排如下：2第一章：介绍了本课题的来源、研究目的及意义，并对道路模拟试验的国内外发展现状进行了叙述。第二章：对汽车电器系统振动可靠性试验系统进行了简要的介绍，主要叙述了系统的工作原理和各构成部分。第三章：介绍了道路模拟试验的实现方法，包括试验原理、路谱信号的采集与处理等问题，也阐述了路谱强化的理论及应用。第四章：概括性的介绍了试验台夹具系统的设计流程，包括结构的选型、静力学及动力学计算、尺寸的优化等。第五章：介绍了在线监测系统的总体设计，着重阐述了总体设计思想、硬件的设计与选型、软件设计、系统集成等。第六章：总结综合性试验系统的系统构建、开发、集成的理论方法及其工程实施方法的研究，并对系统的功能进行了验证。第七章：对全文工作进行了总结，提出目前存在的不足和困难，并对下一步能够开展的工作进行了展望。第二章汽车电器系统振动可靠性试验系统工作原理2 1 汽车电器系统振动可靠性试验系统的概述汽车电器系统一般是由上百个元件及数百根导线连接而成，并且存在复杂的控制关系，使得系统中存在大量的串、并连等连接性环节，现有标准规定的试验方法主要有以下特点：1 ) 将单个部件从系统中脱离出来，在特定的环境下对单个指标( 如温度、盐雾、振动等) 进行考核，因此只能得到此因素对被试件的某一特定关系。2 ) 现有的汽车电器振动试验多为部件处于非工作状态下的试验。其本质是以部件在非工作状态下的机械振动性能代替其工作状态下的机械振动性能。试验数据需使用合适的修正方法处理后方能反应部件的真实性能。3 ) 现有的试验方法是先对部件作一定时间的振动试验，试验完成后再对其各方面的性能进行人工离线测定。若在试验过程中出现部件损坏，就无法得知其损坏发生的具体时间和过程。根据以上三点定位可以知道，本试验系统的开发目的是在试验室内模拟汽车电器系统的正常工作状态一道路模拟试验，借助专用检测设备对电器系统可靠性( 抗振性、带电工作能力) 进行综合考核，从系统层面上去评价被试对象的可靠性指标，这与传统试验方法有较大区别，其结果更具有说服力，同时可以大大缩短产品开发周期，节约开发成本开。汽车电器系统可靠性试验系统是一套用于研究汽车整车电器系统在实际工况下可靠性的试验系统，它具有以下特征：1 ) 以整车电器系统作为研究对象该试验系统的被试对象为整车电器系统，检测电器系统在综合因素下的工作状况，从系统层面上对被试对象进行评价，其试验结果更符合实际使用情况，对新产品开发更有指导意义。2 1 以电器系统振动响应信号作为道路模拟试验的激励源振动台的激励信号是通过采集实车在试验场特殊里面上正常行驶时电器系统的振动响应( 加速度信号) ，在试验室内借助试验进行道路模拟试验，实现电器系统的振动工况还原。3 ) 加速寿命试验和可靠性评价以试验场采集的路面激励作为原始的路谱信号，对其进行幅值的缩放，并利用疲劳损伤理论估算变化前后路谱信号的强化系数，达到加速试验的目的。以试验结果数据为基础，对整车电器系统进行可靠性评价。4 ) 试验条件为带电工作加上振动激励4传统试验方法要求单个电器承受振动激励，不要求被试对象在正常工作状卷下，而本试验系统通过各种工况还原系统( 如电工况、振动工况等) 使得被试对象处于完全工作状态下，比传统试验的要求更加苛刻，避免了传统可靠性试验只对单一因素进行考核这一弊端。5 1 计算机实时监控及故障报警电器系缆在辅助试验设备的支持下，在试验台上正常工作时，其各节点的物理参数被自动测试系统实时测量，故障诊断程序调用各节点数据进行故障诊断，如发现汽车电器系统出现故障会实时报警并判断故障类型，为故障的定位提供了依据，这样太大减轻了试验人员的工作负担。2 2 汽车电器系统振动可靠性试验系统的原理厦构成汽车电器系统振动可靠性试验系统主要由以下几部分组成：道路模拟系统、央具系统、自动测试系统。整车电器系统从实车脱离后，通过试验夹具系统按照电器部件实际连接方式固定在试验台上；以采集实车在行驶试验中电器上的响应信号作为振动控制嚣的输入信号，控制振动台的工作；计算机监控系统对处在工况条件下的电器系统各节点进行实时监控，获取节点物理参数，并通过故障诊断程序对节点数据进行诊断，实现故障的自动报警。汽车电器系统振动可靠性试验台原理图如图2 一l 所示。o l _ m * tj _图2 - 1 汽车电器系统扳动可靠性试验台原理髑221 振动台与振动控制系统汽车道路攘拟试验硬件系统主要包括扳动台和振动控制系统【5 】，其构建方案如图2 - 2 所示。首先将路谱信号从路谱数据库中调出输入给振动控制器；其次振动控制系统通过计算得出驱动信号，驱动振动台工作；最后安装在振动台t 的加速度传感器将振动台的实际振动信号反馈给振动控制器，振动控制器通过对输出信号和反馈信号的比较做出及时的调整，使得振动台的振动与汽车电器在实车上的振动达到一致。振动控制系统对能否实现道路模拟起到决定性作用，它主要包括控制方法和激励信号两部分，它通过控制振动台可在试验室内重现汽车被试部件在实车道路行驶时的振动情况图2 - 2 道路模拟试验构建方案振动控制系统采用l d sd a c t r o n 的l t h ( l o n gt i m eh i s t o r y ) 振动控制模块，聚用白校正控制技术5 “，输入信号为时域信号，可以省去大量的数掘处理工作。l t h 的运算法则是一个闭环控制运算法则，通过预试验获得系统传递函数t 并在试验过程中不断更新，系统的运行速度和精度都较高。222 振动夹具系统振动夹具的功能主要包括以下两个方面：一是对被试对象具有良好的装夹能力；二是把振动台的振动传递给被试对象，且应有良好的动态性能，减少失真；三是要避开试验频率范围。扳动夹具系统的结构设计应以所要实现的功能及动态性能为出发点，其重量和频率响应两个方面将是设计和优化的核心内容。以系统设计要求、电器系统位置关系及现有试验设备为设计出发点，采用了底部承载平台和随形夹具两级结构设计。底部承载平台用于随形夹具和振动台的过渡连接，随形夹具用于固定汽车电器。振动夹具系统设计流程为：其一构建初始模型，确定优化目标 其二采用拓扑优化、灵敏度分析、尺寸优化等有限元方法获得比较理想的结构模型：其三生成工程图样进行加工制造；最后对实际产品进行试验验证( 模态试验法) ，确保设计的产品能够较好的完成预期的功能。图2 - 3 某一款车型的夹具装配系统。图2 - 3 振动夹具装配系统2 2 3 计算机实时监控系统对于汽车电器产品，国标中规定是在不带电的状况下，按照一定的振动量级对汽车产品展开可靠性试验，试验要求连续振动3 0 个小时r 7 1 。为了得出故障时间就必须采用人工值守的办法，且对试验数据的分析和处理都必须在试验结束之后。这种方式存在试验环境恶劣、试验时间长、被试对象数据采集的不完整、故障现象的不可溯性等问题。随着计算机自动测试技术的发展，越来越多的被应用于试验系统中。计算机监控系统可以对被试对象的数据实时采集、保存、分析、显示等，还可以对被试对象进行控制，根据采集到的物理参量的大小和变化情况进行判断，推动执行机构动作从而自动完成相应的控制任务。汽车电器系统振动可靠性试验台在线监控系统正是利用了计算机自动测试系统的各种优点，它能够完成对汽车电器系统各节点数据实时采集、处理、储存，并对数据进行诊断，自动判别被试对象是否发生故障，记录下故障产生的时间和原因，为后续的可靠性评价及整车电器系统的优化设计提供了很好的参考依据。2 3 本章小结本章主要阐述了汽车电器系统可靠性试验台的工作原理及构成，对系统的三个组成部分：振动台与振动控制系统、试验装夹系统、在线监控系统，做了简要的叙述，为后续章节的展开作了铺垫。7第三章室内道路模拟试验实现方法汽车可靠性试验方法主要有实车行驶试验和室内道路模拟试验，道路模拟试验由于其自身的优越性，受到越来越多的汽车企业重视，它缩短了汽车产品的研发周期，同时也得到了迅速的发展。道路模拟试验其原理就是在试验室内再现整车或零部件在实车行驶时的工作情况，包括对地面不平度的响应、温度等j ，因此其关键技术在于两个方面：一是获取被试对象的响应信号；二是如何在试验室内再现，也就是硬件设备和控制方法的问题。3 1 道路模拟试验原理道路模拟试验是指在试验室内再现车辆在正常行驶时的工况状态，主要指的是振动方面，常用的方法是首先用加速度传感器记录被试部件在正常工作状态下的振动加速度信号，对该加速度信号进行分析与处理，作为振动台的激励信号，再把振动台的实际响应信号通过传感器反馈给振动控制器，通过比较输出信号与反馈信号，不断修正输出信号，最终使得被试对象在振动台上可以再现实车行驶时的工况。其道路模拟试验原理【9 蜘图3 1 所示。图3 1 道路模拟试验原理图3 2 实车路谱的实时采集与分析处理3 2 1 实车路谱的采集与处理l 、采集点位置的选取路谱信号的采集是道路模拟试验两个关键技术之一，采集点位置的选取对获取路谱信号起着决定性作用。本试验系统的被试对象为汽车电器系统，而汽车电器系统是由许多电器和线速连接而成，这就使得选择采集点的位置成为路谱信号采集的难点所在。再考虑本试验系统的需求分析及其它因素基础上，采集点位置的选取遵循以下几点：1 ) 选用合适的采集方法进行路谱采集试验；82 ) 采集对象应有一定的安装空间，便于传感器的固定；3 ) 采集电器系统中重要元器件的振动响应信号；4 ) 参照国标及相关行业标准选择路谱采集点位置。基于以上几点要求，本次试验采用加速度传感器法【i ”进行路谱信号的采集，将加速度传感器固定于被试对象上方，采集竖直方向加速度信号的时间历程。本次试验的试验对象分别为左前照灯、右前照灯、右后照灯、仪表盘，采用多通道并行采集各试验对象的振动响应信号。图3 - 2 和图3 3 分别为某种车型的控制点1 和采集点位置。图3 - 2 实车路谱采集控制点的选择图3 - 3 实车路谱采集监控点的选择2 、试验路面的选取试验路面的选取也是路谱信号采集的重要组成部分，在进行道路模拟试验时往往会进行路谱的强化，阻达到缩短试验时间的目的。汽车试验场的路面有高速环道、普通路面与综合路面，且试验场各种路面的强化系数均不相同，考虑到应使实车经历各种复杂的路况，以获得状态信息非常丰富的路谱信号，决定选取试验场综合路面。汽车试验场综合路面主要由八种特殊路面组成，图3 4为特殊路面之一。综合路面强化系数为4 ，即综合路面行驶1 k i n 相当于普通路面行驶4 k i n ，试验条件如各特殊路段行驶速度、试验圈数等由试验场试验标准决定图34 试验场强化路面3 、路谱采集试验设备本次试验所使用的仪器设备主要有：加速度传感器、测试信号线、a r t i m i s信号采集分析软件、数据采集设备等。数据的后期处理主要利用信号采集分析软件d a s p 、w a v e f o r me d i t o r 对采集的路谱信号进行编辑【i ”删去各种特殊路面之间的过渡路段的信息，去除加速度信号大于1 0 9 的采样点，并对删除的采样点两端信号进行修补，使得整个加速度时问历程具有连续性。322 实车路谱的强化1 、强化系数的研究方法强化系数【l ”是指车辆在实际行驶时的有效时间与强化试验时的有效时间之比，所谓有效时间是指车辆从开始试验到破坏时的时间历程，因此在计算强化系数时可以与疲劳寿命联系在一起。在路谱信号采集与处理完成后，为了缩短试验时间，必须对实车路谱进行强化，目前主要有三种方法：一是通过增加应力的方法使其每个路谱循环的损伤分量增加；二是通过简化路谱的方法，把一些对于被试对象没有破坏作用的信号去除，缩短路谱循环的周期；三是压缩路谱信号，使得路谱信号在更短的时间内完成一次循环。本试验系统选用第一种方法对路谱信号进行强化，达到缩短试验周期的目的。具体方法是通过载荷谱计算应力谱并用m i n e r 线性累积损伤理论进行了可靠性疲劳寿命估算”，最终通过计算激励谱强化前后各自所对应的疲劳寿命，计算出强化系数。就本试验系统而言计算强化系数主要有以下几个难点：1 ) 由于汽车电器系统大多为塑料件，在进行结构危险点处的应力一时间历程时难度较大；2 ) 线性累积损伤理论的误差较大，强化系数计算的准确性难以保障：3 ) 线性累积损伤理论的计算依据是零件的s n 曲线，本系统试验对象为汽车电器系统，其s n 曲线难以获得，只有通过大量试验才可以推到出来，试验投入将会很大。2 、m i n e r 线性累积损伤理论m i n e r 线性累积损伤理论的思想为通过应力一时间历程、零件s n 曲线、一定的计数方法等计算出结构危险点的疲劳寿命。由于其理论方法较为简单，计算结果也有一定的准确性，所以越来越多的被应用于设计计算中。m i n e r 理论在推到过程中对条件有所简化，主要体现在以下几点【1 5 】：1 ) 被试对象的损坏都是疲劳累计的过程，在进行多循环的试验中，每个应力循环都会对被试对象造成一定的损伤；2 ) 被试对象在试验过程中吸收的能量与损伤是成比例关系的，也与有效循环次数成比例关系；3 ) 计数法会改变载荷的作用顺序，为了简化计算，m i n e r 理论不考虑载荷顺序对疲劳寿命的影响；4 ) 每个载荷循环都会产生损伤，当这些损伤之和为l 时，被试对象便发生破坏，此时的时间即为试件的疲劳寿命。零件的s n 曲线反应的是应力与寿命的关系，其中s 表示结构所受的应力水平，n 表示每个应力水平下结构所能承受的应力循环次数。通过雨流计数法统计出各个应力水平下的循环次数，用这个循环次数除以试件在该应力下的循环次数，就得到在该应力水平下的损伤分量，把这些损伤分量加起来就可以得到一个载荷循环的损伤分量，这个损伤分量的倒数即为试件达到破坏时需要的载荷循环数，从而得出试验所需时间，即为试件在该载荷下的寿命。详细计算过程如图3 5 所示。若试件受到q ，仃：，盯。各个不同应力水平的作用，试件在各级应力水平下的寿命分别是n l ，n 2 ，n n ，而各级应力水平下的实际循环数为n ，甩：，门。，则应力等级q 的损伤分量为：d ，= 刀，i v , ，由此可得每个循环该试件的总损伤d ：罗盔：亨聆；i v , ，则试件可以承受的总周期数为旯：1 d = 1 窆熹，试件的疲劳寿命为：旯窆：杰”，窆鲁。乞n i惫l急l 镭n |屉0 t l j 应力镭环次敦彻o - i v 曲线图3 5 m i n e r 疲劳累积损伤示意图3 、强化系数的计算室内道路模拟试验使用的激励信号为原始道路谱，对于质保几万公里的汽车而言仍然存在试验时间过长的问题，因此对原始的路谱信号进行进一步的强化，就可咀显著的缩短试验时间。本试验系统采用的是1 2 种路面的组合路谱，对1 2 种路面的信号进行单独的幅值缩放，如图3 6 、3 - 7 所示：图3 - 7 强化后的组台路谱其训算过程如下：i ) 对轻卡左前大灯进行有限元建模，分析出结构最危险的部位，分别以强化前后的1 2 种路谱作为激励，计算出各自的应力功率谱：2 ) 通过雨流计数法对应力功率谱进行简化处理分析出各个应力幅值等级所对应的峰值频次：3 ) 利用m i n e r 线性累积损伤理论计算强化前后1 2 种路港的寿命，最终计算出各种强化路面的强化系数。4 ) 按照式( 1 ) 计算出一个循环内车辆行驶的实际里程，再除以一个循环的时间，就可以得到强化后的车速，如表3 1 所示。式( 1 )式中：厶路谱一个循环内第i 种强化路面的行驶里程；k 第i 种路面的最终强化系数；t i 路谱一个循环内第i 种路面的行驶时间；h 第i 种路面的试验行驶速度；i ，- 一路谱一个循环的行驶里程。表3 1 各强化路面强化系数及等效车速瑞鹰强化路面k i形厶仿井盖路7 5 64 6 0 82 06 9 6 7 2 9 6减速砍91 1 2 6 455 0 6 8 8过铁道2 6 92 5 62 01 3 7 7 2 8病害路1 7 0 42 2 0 1 66 02 2 5 0 9 1 6仿路沿凸起9 9 66 1 4 41 59 1 7 9 1 3 6仿路沿坑凹1 8 8 43 0 7 24 02 31 5 0 5 9鱼鳞路1 7 6 86 6 5 65 05 8 8 3 9 0 4石块路1 8 8 41 7 1 5 25 01 6 1 5 7 1 8卵石路2 3 41 5 8 7 26 02 2 2 8 4 2 9山路1 3 7 23 2 2 5 65 02 2 1 2 7 6 2扭曲路6 7 23 4 8 1 637 0 1 8 9 0 6搓板路1 7 2 39 7 2 89 01 5 0 8 5 2 l合计6 2 5 1 5 22 5 4 7 38 2强化后等效车速为2 5 4 7 3 8 2 3 2 0 512 = 7 9 5 k m h3 3 室内道路模拟试验的实现与应用道路模拟试验方法，按其确定载荷谱的方式，可以分为四大类【l6 】：基于功率谱的频域模拟、基于统计计数的幅值域模拟、时间历程再现及混合模拟。每种方法都有其自身的优点和缺点，由于采集的路谱信号为加速度时间历程，这就决定了本试验系统采用时间历程再现技术实现道路模拟试验。时间历程再现技术的工作原理为：控制系统产生一个模拟信号去使振动台正常工作，通过比较输入信号与反馈信号，测得整个系统的传递函数，然后控制系统记下这个传递k- 吖k佗耐=乙屹瑚=乙，吖眨汹，乙=矿函数，用于计算输出信号的大小，当第一帧信号输出以后控制系统会继续比较第一帧输出信号与振动台的响应信号，重新计算整个系统的传递函数，再保存新的传递函数用于下一帧的输出信号的大小，如此往复下去，直到试验结束。由以上原理可知，系统传递函数是在不断更新之中，且在试验过程中不需要进行多次迭代，可以节省很多数据处理时间，使得系统运行速度大大增加，精度也有很大的提高，这些都有效弥补了传统时域复现控制方法的不足之处，该方法的实现过程如图3 8 所示。图3 - 8 自适应时域复现控制方法时间历程再现技术对控制器的性能要求很高，本试验系统采用目前较先进的l d s 振动控制器，采用自适应时域复现控制方法，通过l d sd a c t r o n 的l t h( l o n gt i m eh i s t o r y ) 振动控制模块实现了基于时域目标谱的自适应控制。将编辑处理好的载荷谱信号通过计算机输入给l d s 振动控制器，控制器产生驱动信号驱动振动台，同时在振动台夹具底座的对角线处布置两个加速度传感器，用于拾取相应位置的加速度响应信号，最终通过实车道路谱的采集、多点控制方式以及自适应控制方法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。通过实际试验进行对比可以发现整个模拟试验的精度非常高，但也同时存在不足之处。在路谱采集过程中采集位置选择在主要电器件上，而在进行道路模拟时反馈信号是从夹具底座上获取，而夹具底座与电器件的振动传递过程中会产生衰减，这时电器件的试验室模拟振动与实车行驶时的响应信号会有一定的偏差。同时在对路谱信号进行编辑处理的过程中，会产生很大的漂移现象，数据有时会发生突变等问题，为后续的数路谱强化处理与振动控制系统的调试带来麻烦，这些问题需要不断的研究中得以完善。图3 - 9 为s r v 左前灯某路段道路模拟与实际测量结果对比。1 4图3 - 9 道路模拟试验结果对比3 4 本章小结本章以室内道路模拟试验的两个关键技术；路谱信号的采集及振动控制技术为主线，介绍了道路模拟试验方法，重点介绍了基于l t h 的自适应控制技术，并以实车为例说明了路谱信号的采集和处理方法，最后利用l d s 振动控制器及振动台实现了对电器系统在行驶试验时振动工况的再现。通过对模拟振动信号与实际振动信号的比较可以看出，两者的误差较小，精度完全满足试验要求。可以采用道路模拟试验方法对汽车电器系统进行可靠性试验。第四章振动夹具系统的总体设计4 1 振动夹具设计要求及设计流程4 1 1 振动夹具设计的概述振动夹具最主要的功能是从振动台通过机械连接把振动能量传递给试件，在传递能量过程中不能失真。振动夹具不仅要考虑结构的静态性能还要考虑结构的动态性能，因此设计方法与普通夹具有所不同，在可靠性试验中，夹具系统是其中一个非常重要的组成部分，其设计方法主要有经验法、邓柯莱( d u n k e r l e y )法、模态分析法：l 、经验法经验法是指设计人员通过掌握的理论知识与实践经验去进行结构设计，设计方法较为灵活，效率也很高。但也有自身难以克服的缺点，如缺少系统的理论知识，没有规范的设计流程等。2 、模态分析法振动夹具的设计方法与普通夹具有所不同，它不仅要考虑结构的静态问题( 如刚度、强度等) ，还要对结构的动态性能( 如固有频率、应力等) 进行研究。随着有限元技术、振动理论等相关领域的发展，模态分析在结构设计中受到越来越多的重视，特别是在振动工程领域得到广泛应用。将有限元模态分析( f e m )与试验模态分析( e m a ) 结合起来将对整个系统设计起到显著的推动作用，为结构动态设计提供了一条最重要的解决途径【1 7 l 。4 1 2 振动夹具的设计要求及设计流程1 、振动夹具的设计要求设计振动夹具最理想的状况是质量最小、刚度最大、不发生共振，在实际设计中往往很难达到这一点，这就必须要权衡多种因素，找到合理的平衡点。设计较好的夹具系统还应满足【l8 】：1 ) 考虑到夹具系统应有较好的动态性能，其一阶固有频率是被试对象固有频率的3 5 倍，且避开试验频率范围：2 ) 夹具的阻尼要大；3 ) 夹具的横向运动要小；4 ) 波形失真小。2 、振动夹具的设计流程由于被试对象的结构千差万别，导致了夹具的形状、尺寸也不尽相同，但是设计流程基本相似，如图4 1 所示。在夹具设计过程中，要始终考虑到质量、1 6刚度和固有频率这三个基本参数【1 9 】，对于振动夹具不仅要考虑静态性能，还要考虑动态性能。有时夹具的动态性能和静态性能是一对矛盾的问题，所以需要找出这两个性能的平衡点。l 夹具设计的理论计算( 刚度、阻尼、固有频率)i材料的选择( 钢、铝、镁等)l加工工艺的选择( 铸造、焊接、螺接等)ii结构的选型( 转接板型、t 型、立方体型等)j夹具系统边界条件的工程实现i夹具系统的基频与预期响应预估图4 1 振动夹具系统设计流程图4 2 汽车电器系统振动可靠性试验台夹具系统的总体设计4 2 1 夹具系统的需求分析夹具系统是汽车电器可靠性试验台的重要组成部分，它是将振动台的振动能量传递给汽车电器及线束，使试验台上的汽车电器系统在试验过程中能够模拟实车行驶试验的实际工况。根据系统设计需要，此振动夹具系统应该满足以下几点：1 ) 装夹能力汽车电器是与线束连接在一起的，具有一定的摆放顺序，因此在设计夹具系统时要尽量按照汽车电器在实车上的安装位置进行装夹，且固定方式要与实车上的相同。2 ) 通用性要求夹具系统应该满足至少五种车型的汽车电器的装夹，由于各种车型电器的外观形状是不相同的，要进行单独设计夹具，但振动台台面的安装尺寸及方式是固定的，因此夹具系统应该满足通用性要求，使五种车型夹具都能合理的安装在振动台台面上。3 ) 具有良好的振动动态性能工装夹具系统是将振动台的振动能量传递给汽车电器及线束，使汽车电器系统在试验过程中能够模拟汽车道路试验的实际工况。因此夹具系统应有良好的振动动态特性，使振动的传递不失真。4 ) 紧凑型要求由于振动台台面的面积有限，若在这么小的面积里放置整个汽车电器系统，1 7需要在夹具的设计过程中考虑紧凑性，要把几个相邻的电器固定在同一个夹具上。5 ) 轻量化要求由于振动台的推力是一定的，而每种车型的电器及线束质量都较大，因此整个夹具系统不能太重，以使振动台有足够的推力。4 2 2 夹具系统的方案设计考虑到振动台的安装尺寸、固定方式、台面面积及各车型电器系统的差异性，本夹具系统采用主从两级夹具设计，分为底部承载平台和随形夹具。随形夹具用于固定不同外形的汽车电器，承载平台是随形夹具与振动台的过渡连接，这样就可以保证夹具系统具有通用性的要求。汽车电器是与线束连接在一起的，其摆放位置受线束位置的约束，且固定方式也要尽量与实车上保持一致。因此随形夹具应该满足以下两个方面：其一，将距离较近的电器固定在同一个夹具上；其二，电器与夹具是通过电器本身的安装孔及在实车上的安装方式进行固定。在以上两方面的基础上对夹具系统进行优化处理，使其动态性能较好，并降低整个夹具系统的重量。其设计方案如图4 2 所示。图4 - 2 夹具系统设计方案4 3 夹具系统的设计及有限元分析4 3 1 承载平台的设计及有限元分析4 3 1 1 承载平台的设计承载平台是随形夹具和振动台的过渡连接，承载平台的动态性能对振动台激励的传递起着至关重要的作用，应满足以下要求：1 ) 承载平台、随形夹具、电器系统三者的重量应满足振动台的额定载荷；2 ) 具有通用性，便于随形夹具和电器的安装；3 ) 加工工艺性能好；4 ) 动态性能较好，可以长时间无故障工作。在充分考虑项目需求分析的基础上，最终选择栅格状结构，其重量大大降1 8照隧晤礴t 泰i 瞎罨謦譬霉、，_图4 - 5 承载平台动力学分析432 随形夹具的设计及有限元分析432 1 随形夹具的设计随形夹具系统用于固定汽车电器，且与承载平台相连接，它的设计必须充分考虑以下几点：1 ) 汽车电器与线束的连接位置是固定的，应使电器安装比较方便：2 ) 要有良好的动态性能，避开试验频率范围；3 ) 具有一定的强度，能满足长时间无故障工作。每个车型电器的形状几乎都不一样，随形央具要进行单独设计，考虑到底部承载平台的面积。需要几个电器同时固定在同一个夹具上。考虑到制造成本、加工工艺等因素，选择q 2 3 5 作为随形夹具的材料，通过焊接方法实现特殊的结构，图4 - 6 为某一车型电器系统的随形夹具