汽车振动强度试验室设计

汽车振动强度试验室设计建筑工程所万叶青摘要地面车辆如汽车等在行驶时的振动强度问题是机械研究的基础课题，振动强度试验室的建立至关重要。本文重点介绍这类试验室的一般工艺要求，试验室的基本功能，设备配备情况，以及建筑平立剖布置，道路模拟试验机基础动力分析等内容，以供类似的振动强度试验室设计时参考。关键词振动强度试验室，道路模拟试验机，振动试验台，动力基础，信号采集，数据分析。1概述在当今的汽车制造业中，有许多各式各样先进的试验室。这些试验室为汽车新产品的开发与研制提供有效的手段，确保车辆具有良好的性能指标，并具备较高的安全性保证。振动强度试验室就是其中之一。振动强度试验室，主要是开展对汽车整车，总称，零部件，或者材料的强度，耐久性，疲劳特性，以及可靠性等问题的研究，试验，考核，或者评估。很多汽车企业在试验室中建立道路模拟试验机和一些振动试验台，专门用来研究汽车整车或部件的减振性能，以提高汽车的平顺性和舒适性，确保机械或电子部件的使用寿命。从而有效的提高产品的性能和质量。本文简单介绍一些振动强度试验室的主要功能和基本要求。2主要功能振动强度试验室主要用于室内条件下的振动模拟试验或者模拟强化试验。室内模拟试验，是根据车辆在不同工作和道路条件下作业行驶是的情况，在室内条件下再现出来，达到与实际工况相同的效果。这样的试验用来考核整机或者车辆零部件的承载能力和减振性能，评价车辆的舒适性或者叫平顺性。一般来讲，车辆减振性或者平顺性试验的时间不太长，只是要求试验信号的频率特性与实际工况基本一致，这样就可以分析车辆减振系统的传递特性，是否具有减振效果，从而可以获取真实的评价结论。而对于耐久性试验来说，则需要在车辆的实际使用工况中，提取实测信号的振幅，有时也需要了解信号的频率成分。一般车辆使用时间较长，室内模拟实验1不可能按照实际的使用年限去做，试验中必须大大压缩试验时间，要做到在几天的试验时间里获取几年，甚至十几年使用效果的数据资料。这就是疲劳强度研究中经常使用的加速试验方法。也就是根据机械疲劳损伤关系，计算出加速系数，用到室内模拟试验中，可以在强化的应力条件下，模拟实际使用的效果。为了达到上述目的，在振动强度试验室里就需要具备以下的基本功能：1、需要相关的振动和应力测试仪器或者设备，比如传感器，应变片，放大器和记录仪等；2、需要振动和应力分析系统，前期信号分析的软件和硬件；3、室内模拟试验系统，比如电液伺服试验台，电磁振动试验台，材料试验机等；4、必要的试验控制和试验后期数据分析系统；5、有时需要一些仪器的标定装置；6、相关的水、电和机械方面的附属设施。3试验室布置试验室的建筑需要根据设备的数量，大小，以及试验的要求等条件来设计。有些少量、小型试验台可以和其他试验设备一起构成一个综合试验室。比如：一汽海马汽车有限公司，把道路模拟试验机布置在质保中心内；金杯通用汽车有限公司的道路模拟试验机，布置在综合试验室里的振动实验间。对于较大型的电液伺服振动试验机设备，需要建造专门的振动强度试验室，比如，原第一汽车制造厂的道路模拟实验室，二汽的道路模拟实验室，以及机械部洛阳拖拉机强度试验室等。带有电液伺服试验机系统的振动强度试验室应该包含如下基本功能，1、布置设备用的试验间，试验控制间，液压泵站，试验机基础，冷却塔，办公室等。根据试验要求，设备及试件尺寸布置车间的尺寸，一般试验室的跨度，以18米为宜；可以根据需要布置吊车，吊车的起重量一般为5~10吨。对于试件和设备较小试验室，可以用3吨以下的吊车。而对于大型车辆，如大客车的道路模拟试验室，就需要较大的吊车，可以用到16吨吊车。吊车轨顶标高，一般为6.0米~7.5米，车间高度一般为9.0米左右。下图就是郑州宇通客车股份有限公司试验中心的建筑平、剖面图（图1、图2）。2图1试验室平面图图2试验室剖面图4测试设备道路模拟实验室的主要目的是为了在室内模拟实际使用条件下，考核车辆整机或者零部件总成的耐久性或减振性。主要由三个部分组成：1、数据采集系统，主要用于采集实际使用中，车辆某些部位的振动和应力数据；2、试验机系统，用于室内模拟试验；3、数据分析系统，用于信号分析和对结果的评价。在开始道路模拟试验之前，先要有试验的目标信号，这些用于室内模拟的目标信号是需要通过实测获取。因此实际工况的振动测试是不可缺少的一个环节。振动实测应该根据车辆行驶的路况和工作条件，挑选出比较典型的几种工况来做测试。测量的结果需要经过统计分析，筛选出有用的信息和有效的信号，以利于更加准确的模拟真实工况的振动。这就需要一个信号采集系统。数据采集系统主要包括：传感器、放大器、模数转换器、记录仪和分析仪等。3对于振动信号的测量常用的传感器是加速度计。常见的加速度传感器有应变式、电阻式和压电式。而对于应力测量可用应变片。放大器主要是指电荷放大器和应变仪。主要的传感器生产厂家有许多，其中包括：丹麦的必凯公司（B&K），美国的压电公司（PCB公司），日本的共和电业（kyowa）和富士陶瓷公司，以及我国的秦皇岛信恒电子科技有限公司和华东电子仪器厂等。其中，丹麦必凯公司（B&K）于1999年与美国恩德福克公司（ENDEVCO）合并，使两家公司成为世界上独一无二的声学，冲击和振动测量设备及传感器的最大制造商。而美国的压电公司（PCB公司）以压电技术著称的PCB公司是研究、开发、和制造冲击、振动、力、压力、应变、转速、扭矩、载荷力、声学传感器及测量仪器的高科技公司。日本共和电业（kyowa）应变式和磁电式加速度传感器，而富士陶瓷公司是以电荷加速度传感器为主。在国产传感器中以秦皇岛信恒电子科技有限公司（原北戴河电子仪器厂）和上海华东电子仪器厂为代表。其中秦皇岛信恒电子科技有限公司的主导产品：静态应变仪、动态应变仪、电荷放大器、测振仪、测力仪、实验室力学实验装置、人体计、峰值电压表、滤波器、传感器、静态、动态数据采集分析系统等高性能精密仪器。数据分析系统也是试验室不可或缺的一部分。数据分析有专门的分析仪器，也有利用配备相应分析软硬件的计算机系统。一般认为专用分析操作简单，速度快。而计算机分析系统的通用性强，适应性广。对于振动信号的分析包括快速富里叶变换（FFT），频谱分析，凝聚分析，相关分析等。而对于应力信号主要是分析应力循环，为室内模拟试验提供载荷谱编制一般使用的方法是雨流法，用雨流法提取信号中的应力循环次数和幅值，再根据概率统计分析出应力循环幅值的概率分布曲线，由此就可以得到各种分级的载荷谱。而记录仪和分析仪可以直接使用专门的记录分析设备，也可以采用计算机系统。专用频谱分析仪以美国HP公司的产品为代表。专用分析仪具有速度快，操作简单等优点。除了可以做频谱分析外，许多设备还可以做模态分析，是振动系统动力分析的强有力助手。随着计算机技术的发展，采用计算机来做频谱分析的越来越多，现在有许多计算机软件都带有FFT程序，特别是matlab软件具有许多4的频谱分析函数。由于计算机的运算速度不断加快，磁盘的存储容量不断加大，现在越来越多的试验室里都是直接利用计算机来记录信号、实时分析，以及发生信号，控制试验。5试验机系统振动试验系统是实验室的核心部分，其类别常见的有：电动式振动试验台，机械式试验台，电液伺服试验机系统。这里主要介绍电液伺服试验机系统。电液伺服道路模拟试验机系统主要由电控装置，机械作动器，动力液压源，以及信号发生器等等几个部分组成。后续的还有计算机和一些随机数据分析软件系统。整个试验机系统是以液压油作为动力，亦即需要一个液压源和供油泵提供动力。电控装置提供试验动作的电信号，调节作动器上的伺服阀滑移，从而控制液压油流动的方向，也就使得振动台按照事先设定好的要求运动，最终达到在室内条件下，模拟真实环境振动试验的目的。电液伺服振动试验台的原理框图见图三所示。图3试验机系统原理图道路模拟试验台需要根据试验车辆的有关参数来选择规格。车辆参数包括：1、车辆弹性悬架以上的整车质量；2、非弹性部分质量；3、弹性悬架特性；4、轴距和轮距；5、车轮盘尺寸；5等等。选择道路模拟试验机规格时，主要考虑的因素是：1、激振器，也就是作动起的最大推力。可以根据上部试件质量推算；2、位移，速度，加速度和加速度频响曲线；3、频率范围和行程要求；4、激振通道数和激振方向；5、数字控制方式和计算机分析及数据处理方法；6、试验台的控制精度要求。至于轮距和轴距问题，可以在试验机布置和基础设计时考虑的问题。目前制做道路模拟试验机的厂商比较多，例如，美国的MTS公司、美国的英斯特朗集团(INSTRONCORPORATION)、德国申克公司（schenck），以及日本鹭宫制作所（SAGLNOMIYA）等。其中要数MTS的产品最有代表性。MTS的全称是力学测试与模拟。MTS系统公司是全球最大的力学性能测试与模拟系统供应商，是该领域的先驱和领导者。MTS主要产品包括：汽车性能、整车及零部件测试系统，动静态材料试验系统，飞机零部件及整机结构试验系统，纳米硬度表面分析系统，生物结构测试及模拟系统，建筑结构测试及地震模拟系统，地质及土壤测试系统，各类载荷、位移及应变传感器，线性伺服马达，液压做动缸，各类伺服控制系统。美国英斯特朗集团(INSTRONCORPORATION)，自1946年英斯特朗公司研制了第一台闭环控制的电子万能材料试验机和第一个应变片式载荷传感器。自七十年代中期，开始将全数字化控制技术应用于材料试验机的控制系统6系统特性电液伺服振动试验台具有良好的低频激励特性，并且可以产生较大的激振力。可以满足较大的试件，例如整车和建筑物模型试验。电液伺服振动试验台的激振频率区间一般为0~100Hz，振动位移幅值一般为±100mm（作动器行程为200mm），有些试验台可以达到±200mm（行程为400mm）。激振加速度一般在10g以内，有些可以达到25g甚至更大。激振力可以达到300kN，甚至更大。图四~图七为几种有代表性电液伺服试验机系统的图片。6图4材料疲劳试验机图5轴耦合模拟实验系统图6轮胎耦合道路模拟试验机图7六自由度MAST振动试验台电液伺服试验机系统具有良好的低频特性和较大的激振力。图八描述的是一个较为典型的振动台幅频曲线，这样的幅频曲线图可以把振动位移幅值，速度幅7值和加速度幅值三条曲线描绘在一个图上，简洁、明了。图例说明：A：振动位移幅值，mm；V：振动速度幅值，m/s；A：震动加速度幅值，m/s2。图中实线为空载时试验台的振动特性曲线，虚线为有载荷时的振动特性曲线图8振动试验台特性曲线7振动基础设计道路模拟试验机系统主要功用，以及对基础振动的要求。1）性能试验。测试车辆或者零部件系统的减振，耐振性能。性能试验由于试验时间较短，其振动对基础的多用时间也短一些，对环境的影响也会相对小一些。而性能试验激振频率的范围较宽，对试验的振幅精度要求较高，需要控制基础的振幅。2）耐久试验。考核车辆和零部件的强度、抗疲劳特性和可靠性指标。耐久性试验一般需要对荷载做强化处理，如时间压缩，振幅加大以及频率控制等。这8就对基础的抗震能力有较高要求，如果基础处理不好，对环境振动的影响也会较大。振动设备基础设计的主要内容：1）避免基础台面振动过大，确保试验精度，以实现预期的模拟效果；2）防止危及周围厂房和建筑物的安全或正常使用。可能引起地基沉降或墙体开裂等问题，设计应控制地基的动应变；3）防止影响周围办公和居住环境；4）满足设备的布置安装条件。电液伺服试验机基础振动的对环境的影响见下图所示。一般振动传递与隔振方式示意，见图九所示。道路模拟试验机基础设计和振动试验台基础设计属于主动隔振的范畴。图9试验机基础振动示意图图10传递与隔振方式示意图道路模拟试验机系统基础设计需要考虑与上部设备的关系，其基础工程是以作动器的运动作为激励振源，具体示意见下图。9图11道路模拟振动试验台示意图对于道路模拟试验机系统的基础而言，需要考虑激振的形式，方向，频率区间等因素。由于道路模拟试验机基础属于小振动的情形，可以看作振动过程以及动力学体系属于线形范畴。基础快为振动为六自由度刚体。其简化力学模型见图四所示。图12简化力学模型对于电液