基于远程参数控制的DCT关键零部件道路模拟试验

邹喜红 谯 凯 石晓辉 余 勇 易 鹏

1.重庆理工大学汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室，重庆，400054

2.重庆市科学技术研究院，重庆，400054

0 引言

双离合自动变速器（DCT）整机效率高，在燃油经济性和成本之间达到了较好的平衡，因而被认为是目前国内最具发展前景的一种新型自动变速器［1］。由于路面激励和发动机振动的存在，DCT中的阀体、传感器及电子元件等关键零部件长期工作在剧烈的振动冲击之下，其疲劳可靠性是DCT各项性能中最基本和最重要的性能之一，同时也是我国自主研发DCT产业化急需解决的关键问题之一。目前，由于试验手段和试验方法的欠缺，国内外普遍采用试验场整车试验来考察DCT及其关键零部件的疲劳可靠性，试验周期长，试验结果受环境因素影响较大；部分企业采用传统手动机械变速器台架试验手段和方法，难以对DCT阀体、传感器及电子元件等关键零部件在实际行驶时的可靠性进行准确考核。

相比之下，基于远程参数控制（RPC）的道路模拟试验技术可以很好地复现车辆在实际行驶过程中所遇到的各种工况，同时可以消除外界环境对试验的影响，具有试验结果和实际接近、周期短、成本低、可重复性高等优点。基于RPC的道路模拟试验的主要步骤为：①采集道路载荷谱；②分析、编辑载荷谱得到期望响应信号；③计算系统频率响应函数；④生成道路模拟试验的初始驱动信号；⑤模拟迭代；⑥道路模拟试验。目前这种技术在汽车整车及零部件的疲劳可靠性试验中发挥着越来越重要的作用，国外主要汽车生产厂家几乎都拥有道路模拟试验手段和能力，我国许多汽车生产厂家和有关科研机构也相继引进了这种类型的试验系统，开展了很多富有成果的试验研究工作［2］。尽管道路模拟试验系统在汽车整车及零部件的疲劳可靠性试验中得到了较广泛的应用，但在汽车传动系统中的应用较少。本文提出了一种基于RPC技术的DCT道路模拟试验方法，以考核DCT阀体、传感器及电子元件等关键零部件的疲劳可靠性。

1 DCT道路冲击载荷谱采集与分析

现有的道路载荷谱测量方法一般有六分力传感器法、五轮仪法、轴头响应法等，但这些方法所使用的仪器比较昂贵，且实现方法复杂，因此使用较少［2-4］。本试验采用加速度传感器法，在理论上将整车的振动系统简化为多点激励的自由振动系统，将DCT阀体、传感器、电子元件等关键零部件的振动激励响应作为研究对象进行数据采集，并以此响应作为道路模拟的目标迭代信号［5］。

在DCT的阀体、传感器、接插件和自动变速箱控制单元（TCU）等零部件附近布置三向加速度传感器，测量其对路面激励和发动机激励综合作用下的响应；受实际安装情况影响，在箱体内部不易贴片，于是选取悬置侧板及底部、双离合器附近肋板等应力较大区域布置应变测点，部分测点布置如图1所示，其中，AC1～AC4为传感器编号，S1、S2为应变片编号。汽车装载质量、轮胎气压等严格按照《汽车道路试验方法通则》（GB／T 12534-90）执行，在数据采集过程中用GPS车速仪对车速进行实时监测［6］。试验路段选择襄阳试车场的综合路、工况路、高速环道和山区路，各种路面的分配比例和行驶车速按某企业整车可靠性试验方法设置；为验证采集载荷谱的可靠性和重复性，每种路段上采样三个循环。

图1 部分传感器安装示意图

采集的原始响应信号中可能混入了一些非真实的信号，如零点漂移、趋势项和高频噪声等，为保证载荷谱的可靠性和真实性，需要对采集到的信号进行必要的分析和处理，消除伪信号的方法通常有滤波、除均值和除偏置等［3］。图2中的曲线1表示采集到的原始应变信号，其出现了明显的零点漂移，为了消除伪信号，对采集到的原始信号进行滤波处理。实践表明，道路模拟试验机在0～50Hz频段内具有较好的动态特性，路面对车辆的垂直方向的振动频率在0.5～20Hz频段内［7-8］，因此对原始响应信号采用0～50Hz低通滤波，经过对比可以看出，滤波以后零点漂移得到了彻底的消除，而信号的幅值和趋势均没有发生变化。

图2 滤波前和滤波后信号对比

在采集到的原始响应信号中删除对疲劳损伤贡献较小的信号段及奇异信号［9］，提取每种路面的时域信号并对其进行功率谱分析，图3所示为在相同车速下共振路、坡道路、砂石路、坑洼路、砾石路阀体附近垂直方向加速度功率谱密度曲线，可以看出，路面引起的振动能量主要集中在30Hz以下的低频范围内，以12Hz附近最为集中，在5～30Hz范围内各种路面的功率谱密度从大到小依次为共振路、砂石路、砾石路、坑洼路、坡道路。

图3 典型路面功率谱密度

为选取合适的模拟目标响应信号，对同种路面上不同测点垂直方向加速度信号做功率谱密度分析，如图4所示，曲线1～7分别代表测点AC1～AC7，由路面引起的0.5～20Hz振动频段内各点功率谱密度差异不大，因而选取本试验着重关注的DCT阀体附近的AC3测点作为模拟目标响应点。为检验迭代后生成的振动载荷谱的模拟精度，选取布置在DCT接插件、TCU位置附近的AC2、AC4测点作为监控点。

图4 各测点功率谱密度

2 道路模拟试验驱动信号的生成

为反映DCT在实际车辆上的安装情况，本文设计了DCT道路模拟试验安装系统（图5），并对整套系统进行了模态分析，保证系统在0～50Hz范围内没有共振点。安装系统主要包括支撑夹具、悬置、驱动电机、角形支架和支撑平板等，驱动电机与变速器通过角形支架与DCT变速器连成一体，驱动电机输出轴通过联轴器与DCT输入轴相连，模拟发动机转速输入，以便DCT能够进行正常换挡；变速器和驱动电机通过原车上的4套悬置安装在支撑夹具上，4套支撑夹具安装在液压作动器支撑的平板上，较好地反映了DCT在实车上的安装情况。

图5 试验台安装示意

按图5所示安装好DCT后，在试车场采集载荷谱测点的相同位置布置加速度和应变传感器，用选取的目标响应信号进行模拟迭代。首先通过RPC产生宽带数字白噪声信号X（f）作为液压作动器的输入，同时采集目标响应点的输出Y（f），根据下式求解系统的频响函数H（f）（图6）：

式中，Sxy（f）为输入与输出的互功率谱；Sxx（f）为输入的自功率谱。

图6 系统频响函数

由图6可以看出，系统频率响应函数幅频特性在0～50Hz范围内有两个峰值，第一个峰值出现在12Hz附近，第二个峰值出现在39Hz附近。仔细观察图6和图3可以发现，频率响应函数幅频特性的第一个峰值点正好是图3中载荷谱能量最大的频率点，说明图3中载荷谱的主要峰值在一定程度上由系统本身的频率响应特性引起，因此可以通过调整各点悬置参数来改善12Hz附近的频率响应特性，从而改善DCT的振动情况。

用编辑的目标响应信号和测量的系统频响函数逆矩阵 H-1（f），按公式X（f）＝ H-1（f）Y（f）计算初始激励驱动信号X1（f）；用X1（f）驱动系统，通过传感器回收响应信号Y1（f），将Y1（f）与目标响应信号Y（f）进行比较获得信号ΔY，通过误差信号与系统频响函数逆矩阵计算校正信号ΔX（f）＝H-1（f）ΔY（f）。校正信号 ΔX（f）乘上衰减系数与驱动信号X1（f）相加得到第二次驱动信号X2（f），重复以上步骤，直到响应信号Yn（f）与目标响应信号Y（f）的误差在可以接受的范围内为止［2］。用最后一次迭代的驱动信号建立驱动信号文件，图7所示为试车场工况路和综合路迭代后的最终驱动信号。

图7 迭代后的驱动信号

采用图7所示驱动信号作为激励信号进行激振，在控制测点重新拾取响应信号，将拾取响应信号与目标响应信号进行时域、频域的比较［10-11］。图8为工况路和综合路模拟响应信号与实际道路行驶信号对比图，其中，曲线1为采集的实际道路行驶信号，曲线2为模拟响应信号。可以看出，模拟响应信号逼近实际道路采集的目标响应信号，在0～30Hz频段内两者幅值及变化趋势基本一致。尽管模拟信号丢失了部分高频信息，但由图3可知，DCT振动载荷谱能量主要集中在0～30Hz的低频部分，因此DCT振动载荷谱得到了很好的再现。

图8 模拟响应信号与控制响应信号对比

3 模拟试验

室内模拟试验以襄阳试车场实车耐久试验4万千米的路面比例和不同挡位换挡次数的试验数据为依据，对室内道路模拟耐久试验的路面信息和挡位信息进行分配，将不同路面的驱动信号加载到道路模拟试验机中进行DCT道路模拟试验，同时收集监测点信号（图9）和DCT换挡信号。图9中，曲线1为试车场采集监测点加速度信号，曲线2为模拟试验采集相同监测点加速度信号，可以看出，监测点处模拟响应信号与实际响应信号的变化趋势和幅值在0～30Hz的低频段吻合很好，只是在高频部分有一些差异，但高频部分本身幅值很小，对试验基本不产生影响。根据在线实时监测道路模拟试验时DCT换挡的双离合器压力、换挡位置等信息，可以方便地分析DCT是否出现换挡故障。整个试验过程中DCT双离合器压力及主压力都比较稳定，但出现了2次2挡降1挡失败的现象，通过分析和排查，排除了液压系统本身故障的因素，确定换挡失败是由于TCU电源搭铁接触不良。

图9 监测点加速度功率谱密度比较

4 结论

（1）试车场实际行驶信号和室内模拟响应信号对比结果表明，试车场实际行驶信号在室内得到了很好的模拟和再现，本文所建立的试验系统和试验方法完全正确，远程参数控制道路模拟试验技术可以应用于DCT等自动变速器关键零部件室内可靠性试验中。

（2）分析采集的道路载荷谱和系统频率响应函数发现，在12Hz附近均出现较大峰值，因此可以通过调整各悬置匹配参数来改善12Hz附近的频率响应特性，从而改善DCT的振动情况。

（3）本文采用单通道道路模拟试验系统对DCT关键零部件道路模拟试验方法进行了探索性研究，但为获得更高的模拟迭代精度，需建立多通道道路模拟试验系统进行进一步研究。

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