专利名称：商用车催化器转化器总成加速耐久试验方法
技术领域：
本发明涉及一种试验方法，特别涉及一种商用车催化器转化器总成加速耐久试验方法。
背景技术：
选择性催化转化器SCR (Selective Catalytic Reduction)技术具有可以降低NOx、改善燃油消耗、抗硫中毒能力强等优点，所以安装SCR后处理系统是大功率柴油机达到国IV和国V标准中的NOx排放要求较理想的途径。但是，催化转化器总成(SCR box)体积大、质量大、价格昂贵，在汽车使用过程中，受到发动机的振动、路面的振动和高温，使用环境十分恶劣，所以对耐久性设计要求很高。为了提高产品耐久性、缩短产品开发周期和降低成本,通常需要进行台架加速耐久试验。工程上的传统的加速耐久试验方法是将试验载荷谱加以浓缩或强化，以达到缩短试验时间的目的，其中存在很多不定因素，比如浓缩导致部分载荷损伤的丢失，强化可能导致异常大的信号、失效模式的改变以及试验时间无法与试车场关联。传统的方法都很难做到确定损伤的量化对比。因此，误差大和不确定性是传统加速耐久试验方法的明显不足。如果实现台架加速耐久试验与试车场道路耐久试验准确关联，就可通过台架加速试验更加准确地评价催化转化器总成的耐久性。更重要的是，商用车催化转化器总成由载体、衬垫、消音结构和内部辅助支架等部件组成，所以现有的通常对单一部件进行耐久试验方法显然难以准确评价其耐久性能。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种商用车催化器转化器总成加速耐久试验方法，该方法是一种基于失效模式相同和损伤等效的原则，利用试车场道路采集时域加速度信号合成、加速计算得到加速度功率谱密度(Power Spectral Density,简称PSD),来指导电磁振动台对催化转化器总成进行随机振动的频域加速试验方法。本发明的目的是这样实现的一种商用车催化器转化器总成加速耐久试验方法，包括以下步骤(i)根据商用车催化转化器总成在汽车底盘的安装位置和受力状态，建立该催化转化器总成的单自由度系统振动模型，在单自由度系统的振动输入位置粘贴三轴加速度传感器，然后在汽车试验场按照客户的要求采集各种耐久试验路面的加速度信号；(ii)计算冲击响应谱，基于催化转化器总成在汽车底盘上属于单自由度系统的假设，将该单自由度系统在道路载荷激励下的每个频率都作为其固有频率，将该单自由度系统的振动输入位置在道路载荷下每个频率的响应载荷作为整个系统的激励载荷，计算该单自由度系统在不同固有频率下受到同一激励载荷的响应结果，将这些响应曲线的最大值做个包络线，即得到该单自由度系统的冲击响应谱；(iii)计算频域疲劳损伤谱，首先对采集的道路加速度谱进行损伤计算，计算出所采集信号的频域疲劳损伤谱，然后将各种工况的道路信号的频域疲劳损伤谱进行累积，得到该单自由度系统在客户路面的总的频域疲劳损伤谱；(iv)在计算出单自由度系统在客户路面的总的频域疲劳损伤谱后，基于损伤等效原则和频域加速理论,进行试验室振动台架试验加速度功率谱密度的合成和试验加速计算；为了避免过度加速，必须对合成和加速后的振动台架试验加速度功率谱密度进行检验，即将振动台架试验加速度功率谱密度进行最大响应谱计算，原则上该值应不大于冲击响应谱，否则说明振动台架试验加速度功率谱密度加速过大，这将造成试验中产生不切实际的过载现象，可能改变产品的失效模式；(V)将加速后的振动台架试验加速度功率谱密度输入振动台，按照加速的试验时间进行商用车催化转化器总成的振动耐久试验，快速评价整个部件的耐久性能。其中的步骤(i)包括子步骤将汽车试验场采集的加速度信号进行预处理，去除毛刺、零漂和其它异常信号。
其中的步骤(ii)包括子步骤振动频率范围的选择。其中的步骤(iii)包括子步骤依据客户关于该车型的试车场耐久试验规范，损伤计算S-N曲线的斜率，计算出各种路况的配比，再按照Minor法则将各种路况的疲劳损伤谱按配比比例累加，得到与试车场耐久试验规范相匹配的总的加速度功率谱密度，并得到总的试验时间。其中的步骤(V)包括子步骤振动夹具设计，试验方向选择和合成计算，试验温度确定。本发明的商用车催化器转化器总成加速耐久试验方法与现有试验方法相比，具有以下优点和特点(a)关联性、准确性好该方法实现了试验室振动台架试验与试车场道路试验准确关联，提闻了加速耐久试验的关联性和准确性。(b)实用性强试验步骤清晰明了，简单易操作，利用试车场道路数据、主流的数据处理软件和电磁振动台即可完成，目前主机厂和具备研发能力的汽车排气系统公司都具备这些基本能力。此方法解决了一直困扰工程师的商用车催化转化器总成(SCR Box)耐久性开发难题，为系统结构设计提供了可靠的验证方法，保证了产品质量。(c)经济性突出利用该方法进行台架试验，试验过程大大加速，缩短了产品开发周期，降低了开发成本。
图I是催化转化器总成的单自由度系统模型；图2为催化转化器总成在汽车底盘上的安装位置；图3是催化转化器总成台架加速试验PSD计算流程；图4为时域加速度信号；图5为冲击响应谱；图6为疲劳损伤谱；图7为疲劳总损伤谱；图8为加速前后的台架试验加速度功率谱密度对比；图9为台架试验加速度功率谱密度的最大响应谱与路谱冲击响应谱最大值包络线的对比；图10为台架试验装夹图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实例，对本发明作进一步说明。参见图I和图2，由于催化转化器总成SCR Box是由绑带及支架直接悬挂在车底盘上，将SCR Box看作一个整体,符合单自由度系统(Single Degree of Freedom,简称SDOF)假设的条件，适用频域加速理论。结合图3给出的应用频域加速理论计算SCR box台架试验加速度功率谱密度(Power Spectral Density,简称PSD)的计算流程,评价SCR box耐久性能的频域加速试验方法具体可分为以下几个步骤第一步，将汽车试验场采集的加速度信号进行预处理，去除毛刺、零漂和其它异常信号，图4给出了处理后的时域加速度信号。第二步，根据SDOF振动模型，计算试车场各种路况的冲击响应谱(SRS)和疲劳损伤谱(Fatigue Damage Spectrum,简称 FDS),参见图 5 和图 6。第三步，依据客户关于该车型的试车场耐久试验规范，计算出各种路况的配比，再按照Minor法则将各种路况的FDS谱按配比比例累加，得到与试车场耐久试验规范相匹配的总的FDS谱，并得到总的试验时间。图7给出FDS累加结果。第四步，将总的FDS谱合成计算，获得台架试验PSD谱，并进行加速，缩短试验时间。图8给出台架试验PSD谱，下面线是未加速的台架试验PSD谱，试验时间是25000小时左右，上线是加速后的台架试验PSD谱，试验时间是50小时，试验时间缩短500倍，大大缩短了 SCR产品开发周期，从而节约了开发费用。第五步，检验加速后的台架试验PSD谱，避免过分加速而出现不切实际的异常PSD信号。检验过程是将各种路况的SRS做最大值的包络计算，得到最大值的SRS，同时将合成的台架PSD谱进行ERS计算，得到台架PSD谱在SDOF系统中最大响应加速度谱，将此ERS谱与最大值包络的SRS谱作比较。合理的加速过程台架试验PSD谱的ERS不应大于最大值包络的SRS的I. 5倍，否则应认为试验加速太过。图9中上方线是台架试验PSD谱的ERS，下方线是最大值包络的SRS，读图可知，上线没有超出下线的I. 5倍，说明试验加速合理，力口速的台架试验PSD谱可以应用。第六步，将台架试验三个方向的PSD谱分别导入振动台，按照加速的试验时间进行SCR Box耐久试验，检测整个部件的耐久性能。图10给出台架试验装夹图。采用本发明评价SCR Box耐久性能的频域加速试验方法进行SCR box耐久试验，大大缩短了试验时间，降低了试验成本，并且实现了台架试验与试车场道路试验准确的关联，保证了样件失效模式相同和损伤等效，该试验方法具有经济型、实用性和准确性三个显著优点。
权利要求
1.一种商用车催化器转化器总成加速耐久试验方法，其特征在于，包括以下步骤 (i)根据商用车催化转化器总成在汽车底盘的安装位置和受力状态，建立该催化转化器总成的单自由度系统振动模型，在单自由度系统的振动输入位置粘贴三轴加速度传感器，然后在汽车试验场按照客户的要求采集各种耐久试验路面的加速度信号； (ii)计算冲击响应谱，基于催化转化器总成在汽车底盘上属于单自由度系统的假设，将该单自由度系统在道路载荷激励下的每个频率都作为其固有频率，将该单自由度系统的振动输入位置在道路载荷下每个频率的响应载荷作为整个系统的激励载荷，计算该单自由度系统在不同固有频率下受到同一激励载荷的响应结果，将这些响应曲线的最大值做个包络线，即得到该单自由度系统的冲击响应谱； (iii)计算频域疲劳损伤谱，首先对采集的道路加速度谱进行损伤计算，计算出所采集信号的频域疲劳损伤谱，然后将各种工况的道路信号的频域疲劳损伤谱进行累积，得到该单自由度系统在客户路面的总的频域疲劳损伤谱； (iv)在计算出单自由度系统在客户路面的总的频域疲劳损伤谱后，基于损伤等效原则和频域加速理论，进行试验室振动台架试验加速度功率谱密度的合成和试验加速计算；为了避免过度加速，必须对合成和加速后的振动台架试验加速度功率谱密度进行检验，即将振动台架试验加速度功率谱密度进行最大响应谱计算，原则上该值应不大于冲击响应谱，否则说明振动台架试验加速度功率谱密度加速过大，这将造成试验中产生不切实际的过载现象，可能改变产品的失效模式； (v)将加速后的振动台架试验加速度功率谱密度输入振动台，按照加速的试验时间进行商用车催化转化器总成的振动耐久试验，快速评价整个部件的耐久性能。
2.根据权利要求I所述的商用车催化器转化器总成加速耐久试验方法，其特征在于，其中的步骤(i)包括子步骤将汽车试验场采集的加速度信号进行预处理，去除毛刺、零漂和其它异常信号。
3.根据权利要求I所述的商用车催化器转化器总成加速耐久试验方法，其特征在于，其中的步骤(ii)包括子步骤振动频率范围的选择。
4.根据权利要求I所述的商用车催化器转化器总成加速耐久试验方法，其特征在于，其中的步骤(iii)包括子步骤依据客户关于该车型的试车场耐久试验规范，损伤计算S-N曲线的斜率，计算出各种路况的配比，再按照Minor法则将各种路况的疲劳损伤谱按配比比例累加，得到与试车场耐久试验规范相匹配的总的加速度功率谱密度，并得到总的试验时间。
5.根据权利要求I所述的商用车催化器转化器总成加速耐久试验方法，其特征在于， 其中的步骤(V)包括子步骤振动夹具设计，试验方向选择和合成计算，试验温度确定。
全文摘要
本发明公开了一种商用车催化器转化器总成加速耐久试验方法，该方法是一种基于失效模式相同和损伤等效的原则，利用试车场道路采集时域加速度信号合成、加速计算得到加速度功率谱密度(Power Spectral Density，简称PSD)，来指导电磁振动台对催化转化器总成进行随机振动的频域加速试验方法。该方法实现了振动台架试验与试车场道路试验的相关联，以及失效模式相同和损伤等效，并且大大缩短了试验时间，降低了产品耐久开发周期和试验成本，本发明具有经济型、实用性和准确性三个显著优点。
文档编号G01M7/02GK102798508SQ201110141949
公开日2012年11月28日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年5月27日
发明者严家武, 崔京宝, 包友霞, 樊坚强 申请人:上海天纳克排气系统有限公司