汽车排气系统道路模拟试验方法研究

孙旭，于志勇

（1.上汽通用汽车有限公司广德分公司，安徽 广德 242200；2.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

前言

随着汽车行业技术发展提速，汽车品牌增多，汽车行业的市场竞争越来越大。市场对产品更新换代速率的要求也越来越高，因此如何缩减整车开发时间是车企着力突破的问题。试验认证是整车开发的重要环节，也是整车开发过程中占用时间较多的一个环节，在产品开发初期同步进行子系统及零部件的试验认证，能大大压缩整车试验的时间，而从加快整车研发的速度。在试验室中通过台架搭建完成各种子系统/零部件的试验验证成为各汽车厂商都在积极进行的探索[1]。

国内排气系统相关方面研究较少，与国外同期研究水平差距较大，弗吉亚北美试验室建造了由MAST 及垂直液压缸组合的模拟试验台架。通用汽车公司北美试验室也开发了多种不同的排气系统模拟试验台架。国内相关的试验资源极度紧缺，因此，研究汽车排气系统模拟试验方法意义重大。

本文阐述了从夹具设计到台架搭建以及试验迭代的所有方法，仅仅通过垂直液压缸的组合以及夹具系统的设计建成了国内首个排气系统道路模拟试验台架，并通过最终与道路试验的比对验证了该试验方法的有效性，很好地实现了前置试验的目的。

1 信号采集

排气系统道路信号采集主要通道包含：排气系统吊钩应变、悬置加速度、吊钩加速度信号，通过对这些通道的迭代控制，能较好地复现出排气系统在实际道路行驶过程中的运动姿态[2]。

排气系统的失效模式主要包含排气管吊耳焊点开裂、波纹管网丝断裂、橡胶吊耳老化损坏。因此在每个吊钩与排气管的焊接处布置应变传感器，在每个独立的挂钩端头处布置加速度计。排气系统的运动激励一方面来自于道路激励通过车身传递，一方面来自于动力总成运动通过排气歧管以及波纹管传递。因此还要在动力总成悬置位置布置加速度计采集此处的加速度信号。传感器的布置图请见图1。

图1 排气系统传感器布置图

2 台架搭建

排气系统道路模拟台架是以垂直液压缸为基础，通过动力总成模拟夹具的设计安装并将液压缸进行组合控制搭建而成的。在台架的前端接入燃烧器系统达到为样件提供热载荷环境的作用。

因为排气系统的运动激励分别来自于动力总成运动及道路不平度。所以使用1，2，3 号缸的组合来模拟动力总成在整车垂直方向，绕X 轴转动方向，绕Y 轴转动方向上的运动。使用4，5，6，7，8 号缸模拟排气系统吊耳挂钩在垂直方向上的运动。

图2 液压缸布置图

台架共有8 个驱动，具体可见下表1 所示。

表1 排气系统道路模拟试验台架控制通道

其中动力总成垂向运动计算公式：

动力总成侧倾运动计算公式：

动力总成俯仰运动计算公式：

式中：Vert1，Vert2，Vert3 分别为1，2，3 号作动缸垂向位移。Y12 为1，2 号作动缸沿Y 方向的距离，Y13 为1，3 号作动缸沿Y 方向的距离；X123 为3 号缸与1，2 号缸的中点沿X 方向的距离，PS Vertical为动力总成垂向运动位移，PS Roll为动力总成侧倾运动角度，PS Pitch为动力总成俯仰运动角度。

试验夹具包含发动机模拟装置及各吊耳挂钩装置。发动机夹具如图3 所示。

图3 发动机模拟夹具图

发动机模拟装置要求排气系统能按照整车布置安装在台架上,核心控制点位为3个与作动缸连接点及三元催化模拟管路与前排气管的连接点；夹具质量不超过所用液压缸工作能力；夹具设计过程中保持质心位置与实车发动机位置一致；所有组合件的连接点满焊，加强夹具刚度；支撑杆之间设置万向球铰将侧向剪切力卸除，达到满足多个样件，多倍寿命的试验需求；包含连接管提供热气通道承受600-800℃的高温气体，模拟实车运行过程中的发动机高温气体对排气系统的热疲劳载荷。

各吊耳挂钩装置要求能在X、Y、Z 三个方向上调节。

样件安装要求每个吊耳的倾斜角度及拉伸长度与实际数采一致，要求波纹管的拉伸长度与实际数采一致。

3 信号处理

数采得到的原始信号并不能直接用于迭代，需要经过图4 所示的信号处理。

图4 信号处理流程

原始信号是车辆在标准试车场特征路面行驶过程中从排气系统传感器上采集得到的信号。通过频谱分析，结合道路模拟试验经验，确定排气系统道路模拟试验关心频段为0.5～40HZ，对于其他频段的信号，通过滤波去除[3]。由于夹具形状及整车空间影响，悬置处实际数采位置与迭代过程中的加速度计布置位置无法统一，因此需要通过加速度坐标转化将数采信号转化为基准信号。

基准信号包含较多的低幅值激励，为了尽量压缩试验周期，使用应变信号的统计特性值作为阈值，剪切去除损伤较小的部分，得到编辑信号。对编辑信号进行伪损伤计算并与原始信号进行伪损伤值对比，若损伤保留达到90%以上则将此信号作为迭代信号，若未达到则返回至阈值剪切步骤直至损伤保留达到90%以上。

4 信号迭代

信号迭代主要包括传递函数计算、迭代及评价2 个部分。

4.1 传递函数计算

迭代是为了得到能使排气系统各通道响应与道路数采目标信号尽可能接近的液压缸驱动，使排气系统的运动与数采时一致。

在迭代前，首先需要得到系统的传递关系，整个系统由排气系统、夹具、液压缸、传感器等部分组成[4]。通过式（4）可以求出系统的传递函数。

式中：H（f）为系统传递函数；Gyx（f）为系统响应信号和液压缸激励信号的互功率谱，Gxx（f）为液压缸激励信号的自功率谱。

4.2 迭代及评价

因为整个系统的传递关系不是完全线性的，因此需要通过逐步迭代的方法对驱动信号进行修正[5]。迭代流程如图5所示。

图5 迭代流程图

迭代的效果评价可通过以下几种方式进行。

选取图6-图7 两个具有代表性的迭代通道，对比响应信号与目标信号的功率谱。可见，无论是加速度还是应变通道，其迭代响应信号和目标信号的功率谱都拟合较好。

图6 吊勾应变功率谱密度对比

图7 吊勾加速度功率谱对比

均方根误差可作为迭代时的误差收敛曲线，其计算方法为：

式中：ε为均方根误差，RMS（yt（t））为响应信号均方根值，RMS（yd））为目标信号均方根值。

下图8 为迭代过程中的均方根误差收敛曲线，经过多次迭代，各通道的误差都低于20%，满足迭代要求。

图8 各通道均方根值误差收敛曲线

伪损伤的计算，通过对每个应变通道采集信号的收集，利用miner 线性损伤累积法则及Goodman 疲劳经验公式，计算出系统响应信号伪损伤与目标信号伪损伤的比值，从而判断伪损伤的保留率[6]。实际的损伤计算结果可见下表2，各通道伪损伤保留比值均位于50%～200%之间，迭代效果满足要求。

表2 信号伪损伤对比表

Miner 线性损伤累积法则：

总损伤量：

式中：Ni为σ-N曲线上相应的应力幅σi对应的疲劳循环次数；ni为应力幅σi作用下的实际循环次数。

Goodman 疲劳经验公式：

式中：σi为等效零均值应力；σai为第i个应力幅值；σmi为第i个应力均值；σb抗拉强度（根据材料类型可查的）。

相对能量计算，对于加速度信号使用式（8）计算出响应信号及目标信号的能量，并求出其相对能量比值，通过其比值大小可以判断加速度通道的能量保留效果。

式中：E是相对能量，a（t）为加速度信号。

表3 为各垂向通道最终响应加速度能量与目标信号能量的比值。相对能量比值均位于80%～120%之间，迭代效果满足要求。

表3 信号能量对比表

由以上评价结果可知迭代效果较好，满足耐久试验的要求。

4.3 耐久试验

根据实际道路试验规范，编辑路面循环次数，进行试验。耐久试验后，发现排气管吊耳挂钩焊点开裂，波纹管网面金属丝断裂，与道路试验排气系统的失效情况相同，从而验证了该试验方法的有效性。

5 结论

本文从信号采集、夹具设计制作、台架搭建到迭代试验完整的论述了排气系统道路模拟试验的试验方法，与国外需要使用成本巨大的MAST 台架相比，本试验方法仅仅使用垂直液压缸的组合，即完成了排气系统道路模拟试验的目的，大大降低了试验成本，具有开创性意义。对很多汽车厂商及零部件企业具有参考指导意义。