车辆道路模拟试验系统

车辆道路模拟试验系统随着我国汽车工业的迅猛发展，尤其是我国加入WTO后，伴随着新的《汽车产业发展政策》以及《缺陷汽车产品召回管理规定》的出台，汽车工业面临着新的机遇和挑战，努力提高汽车整车质量和加快新车型的研发速度是汽车工业的唯一出路，这不仅对汽车工业提出了更高的要求，同时也对试验设备制造业提出了新的课题，如何更加逼真的模拟道路试验并缩短试验时间以缩短新车型的研发周期成了汽车工业和试验设备制造业的共同追求。

1．道路模拟试验的发展和回顾从1886年世界第一辆真正意义的汽车诞生以来，汽车工业走过了一百多年的发展历程。

汽车的诞生彻底改变了人民的生活，同时对汽车也提出了新的要求：行驶寿命、行驶安全等等，如何更好的提高汽车的行驶寿命，同时又要降低成本成了汽车研发工程师的追求，于是提出了全历程的道路试验——试车场跑道跑车试验，通过试验为汽车研发工程师提供了宝贵的设计更改依据，但随着汽车工业的进一步发展，汽车工业的竞争日趋激烈要求汽车制造商必须更快的推出新一代的车型，才能保证在激烈的市场竞争中立于不败之地，于是到了20世纪60年代出现了室内台架模拟试验。

1.1简单路面模拟道路试验经历了漫长的发展历程，即使到了今天在汽车工业发展相对落后的中国仍在使用这种方法，这种方法存在着先天的缺点：试验结果受天气以及驾乘人员等因素的影响较大，试验结果的精度以及重复性较差，试验周期长。

到了20世纪60年代，汽车的设计和试验随着电液伺服闭环技术的日趋成熟逐渐由静态力学试验模式发展到动态特性的研究，1962年美国通用汽车公司凯迪拉克轿车部提出了委托美国MTS公司设计制造一台汽车道路模拟机的计划，经过双方密切合作于1965年制造完毕并投入使用，这就是世界上第一台汽车道路模拟机。

其输入信号是这样获得的：对安装在车身上的加速度传感器测得的加速度信号进行两次积分获得车身对路面的绝对位移，通过安装在车身两侧的测试轮测量测试轮与汽车车身的相对位移，二者的差就是路面高程在时间历程上的波形，即汽车道路模拟机的输入信号，但这种方法存在其很大的缺点：轮胎的包容性未能被模拟；存在轨迹误差。

1.2 有效路面模拟为了克服简单路面模拟技术试验技术上的缺点：汽车试验技术工程师经过分析和研究，提出了有效路面模拟技术，其原理是：将汽车看作是由轮胎包容特性的车轮悬上和悬下串联组成的二自由度系统，其运动的微分方程如下：K T（Z RE-Z W）+C T（Z RE-Z W）+M W Z W+F S=0 (1)由(1)式得：Z RE=Z W-（Z RE-Z W）C T/K T-M W Z W/K T-F S/K T (2) 式中Z RE为路面高程；K T为轮胎刚度；C T为轮胎阻尼系数；M W为悬下质量；Z W为为悬下质量的垂直位移；F S为为悬上对车轴的作用力；与简单路面模拟相同，微分方程(2)也是通过计算机求解，将输出的有效道路信号作为道路模拟机的激励信号，有效路面模拟克服了简单路面模拟技术的缺点，使汽车道路模拟技术前进了一大步，在70年代得到了广泛的应用。

但是这种技术仍然存在其缺点：不能模拟车辆在实际在实际行驶条件下的非线形；不能模拟车轴之间的耦合特性；不能模拟来自路面六自由度的受力情况。

1.3、远程参数控制技术为了进一步克服有效路面模拟技术的缺点，70年代中期美国MTS公司与美国通用汽车公司在著名数学家C.J.Dodds的指导下联合推出了著名的现代试验技术—远程参数控制技术(RPC—Remote Parameter Control),这种模拟技术不是模拟路面而是模拟在路面激励下被试验车辆上任何感兴趣点上的响应，能够模拟来自路面六自由度的受力情况，这在模拟试验技术领域是一个质的飞跃。

在MTS公司推出这一技术的不久，世界著名试验机公司SCHENCK 公司和日本鹭宫公司分别推出了类似这一技术的ITFC和RFC，INSTRON公司也推出了类似的技术。

RPC技术包括以下六个步骤：（1）道路数据的采集和保存：在车辆的期望部位安装相应的应变片和加速度传感器，由驾驶人员驾乘车辆在规定的试车场跑道或自然路面上行驶，数据采集系统采集应变片和加速度传感器发出的信号并保存。

（2）数据的评价和编辑：将在不同编号的跑道上采集的数据下载到RPC中的不同文件夹中，然后对数据进行评价和编辑，即借助复杂的统计理论和疲劳分析工具剔除对疲劳贡献不大的时间历程，保留有意义的原始数据，获得期望信号Y(f)。

通常在数据的评价和编辑结束后，保留下来的有意义的时间历程不到20%的总历程，而保留下来的原始数据却超过总数据的90%，这就意味着台架试验所用的时间将小于跑道时间的25%，大大缩短了试验周期，加快了车辆的研发速度。

（3）求解包括被试件在内的整个试验系统的频响函数（FRF—Frequency Reponse Function）：即传递函数矩阵。

将控制器、伺服阀、作动器、试样（被试车辆或零部件）、传感器等定义为一个统一系统，求解这一系统的频响函数。

将被试车辆或零部件安装到试验台架上，RPC产生一个宽频带的数字白噪声信号X(f)输入到系统中，由安装在车辆上的应变片和加速度传感器回收输出信号Y(f)，根据公式(4)求解系频响函数H(f)。

系统输入输出信号传递示意图如图1所示。

图1 系统输入输出信号传递示意图Y(f)=X(f)H(f) (3) 式中Y(f)为回收信号函数矩阵；X(f)为驱动信号函数矩阵；H(f)为系统频响函数矩阵；由公式(3)得：H(f)=X-1(f)Y(f) (4) 式中X-1(f)为驱动信号传递函数矩阵的逆矩阵；X(f)=Y(f)H-1(f) (5) 式中H-1(f)为系统频响函数矩阵的逆矩阵；(4)评价驱动信号：根据公式(4)求得的系统的逆函数矩阵如下：H-1(f)=X（f）Y-1(f) (6) 式中Y-1(f)为回收信号函数矩阵的逆矩阵如果系统是一个完美的线性系统，那么根据公式(6)求得的系统的逆函数矩阵就可以直接利用了，但完美的线性系统是不存在的，因此必须校正计算模型和实际系统的差异。

（5）计算误差和迭代：用编辑好的跑道回收信号（期望信号）Y(f)和求得的系统逆函数矩阵H-1(f)根据公式(5)计算首次驱动信号X1(f)，用X1(f)激励系统，通过传感器回收信号Y1(f)，将Y1(f)与Y(f)比较获得误差信号。

将误差信号与系统逆函数矩阵H-1(f)进行迭代获得校正信号，校正信号与驱动信号X1(f)相加得到第二次驱动信号X2(f)，再重复上面步骤，如此反复，直到回收信号Y n(f)与期望信号Y(f)的误差小到可以接受为止，通常需要迭代5到10次，这取决于系统的线性程度。

值得注意的是并不是迭代次数越多，误差越小，如果系统的非线性较高，可能会出现迭代结果发散。

（6）建立驱动信号文件夹：将最后一次迭代的驱动信号建立一个模拟驱动信号文件夹，周而复始地驱动系统，进行耐久试验直到完成规定的试验历程。

1.４、模拟精度评价由RPC技术获得的回收信号并不能百分之百的与驱动信号等同，一般离激励点越远系统的非线性越大，模拟精度越底。

模拟精度的评价通常采用期望信号与模拟信号均方根的相对误差进行评价。

2．国内使用现状在一九七五年以前，我国室内汽车道路模拟试验几乎是个空白。

一九七五年北京自动化研究所和北京汽车制造厂自行设计和制造了一套四通道液压疲劳试验系统，可以输出周期性信号进行整车试验。

一九七八年长春汽车研究所和第二汽车制造厂分别从MTS系统公司引进了5通道垂直加载的道路模拟试验机，同时引进了RPC一I道路模拟软件。

一九八五年，南京汽车制造厂从德国SCHENCK引进了四通道道路模拟机。

随后，洛阳拖拉机研究所、吉林工业大学、重型汽车工业总公司技术中心，北京吉普车有限公司，上海大众汽车有限公司，北方车辆研究所，交通科学研究所等单位分别从美国、德国、日本引进了各种道路模拟试验系统。

我国汽车行业的科研工作者和工程技术人员利用这些设备进行了大量的有意义的研究工作。

在“八五”规划中，中国汽车工业总公司将电液伺服道路模拟试验台的国产化研究列入重点攻关项目，该项目包括液压作动器部分硬件的国产化和计算机控制软件的国产化两部分。

一九九一年三月中国汽车工业总公司下达“三维电液伺服系统研制”课题，由中国汽车技术中心和长春汽车研究所负责，航空工业总公司609所合作进行。

该项工作自一九九一年三月开始至一九九六年十一月结束。

共完成了如下工作。

研制了具有大推力(150千牛)、长行程(250毫米)、快速反应性能(频率50赫兹)的电液伺服系统:开发了模拟试验技术软件，用于进行数据的采集、分析、编辑、计算频率响应函数和相干函数，以及各种数据文件管理。

同时较好地解决了多通道电液伺服系统的解耦问题。

该项课题的着眼点是引进技术和设备的国产化。

一九九七年，该项课题以“三维动态模拟试验系统与试验技术”申报中国汽车工业科学技术进步奖，获二等奖.3．生产企业生产轮耦合式四通道道路模拟试验机的企业主要有：美国的MTS系统公司和美国的英斯特朗公司〔INSTRON CORPORA TION，一九九八年该公司收购了德国SCHENCK的电液伺服材料试验机部成为世界知名的大型结构及汽车道路模拟系统的生产企业)。

3.1 MTS系统公司MTS的全称Mechanical Testing & Simulation（即力学测试与模拟）。

MTS系统公司是全球最大的力学性能测试及模拟系统供应商，是该领域的先驱和领导者。

它的总部位于美国明尼苏达州的省府明尼阿波利斯市。

MTS在全世界，包括中国，分布有制造厂或代表机构。

年销售额达4亿美元左右。

MTS系统公司是以高技术的基础的跨国企业。

它为科研、产品开发、质量控制等领域的用户提供广泛的产品及服务，诸如试验设备、分析软件和工程咨询等。

期产品主要包括：动静态材料试验系统，汽车零部件及整车台架试验系统、飞机零部件及整机结构试验系统、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、纳米硬度表面分析系统、各种类型载荷、位移及应变传感器、线性伺服马达、液压作动缸、各类伺服控制设备。

MTS在世界上首创把液压伺服闭环控制概念引入力学测试系统。

它的成功经验已使各个领域的研究者缩短了研发进程。

国内使用最多的就是MTS系统公司试验台，包括了天津市汽车研究所、上海汽车工业技术中心、泛亚汽车技术中心有限公司、中国北方车辆研究所等。

MTS 二通道道路模拟试验机MTS 329 6自由度模拟系统乘座质量很容易用MTS 320 4立柱来评估，不用再驾驶几辆车通过试车场的同一路面来评估，4立柱就可以精确重复同样路面，同时可将多辆车驶上驶下以进行定量检测。

工程师可在车辆下方来观察悬挂，评估各种组件的有效性。