一种正交力控制摩托车车架室内多轴疲劳度试验方法与流程

本发明涉及摩托车车架疲劳度试验方法，具体涉及一种正交力控制摩托车车架室内多轴疲劳度试验方法。

背景技术：

摩托车车架是整车最关键的承载部件，其长期工作于不平路面激励和乘员或货物联合加载所形成的多轴向扰动应力下，容易产生疲劳断裂。因此，对于摩托车新车型车架的轻量化设计而言，其疲劳可靠性考核试验必不可少。传统的道路试验和试验场试验费时费力，可重复性差，而室内台架试验能够在室内模拟再现车架实际道路行驶受载特征，周期短，可重复性好，车架疲劳考核针对性强，具有较好的应用前景。然而，由于试验装置和试验方法的欠缺，现有的车架台架疲劳试验一般采用车架考核针对性不足的摩托车整车台架试验，或者采用装夹和加载方式单一的单轴向单激励或者单轴向多激励车架疲劳试验，车架在台架上的装夹和加载方式不能够有效模拟车架实际道路行驶所受到的多轴向载荷冲击，车架台架受载特征与实际道路行驶时受载特征有较大差距，因而很难高效准确地考核车架的疲劳可靠性。

为了真实复现发动机、乘员及货物动载荷和路面激励耦合传递到车架上的动态多轴向载荷激励，可以采用多个不同轴向激振器来对车架进行联合加载，但这会面临装夹方法、激励方式和控制模式等诸多难题。

中国专利号cn102944430a的专利文献中公开了一种“摩托车车架实际行驶载荷谱疲劳再现试验方法”，所涉及的试验装置采取了保留后减震器和后平叉并后端固定的方法，会将后减震器的非线性特征引入进来，使得系统结构复杂，激励通道耦合并难于迭代收敛，且所涉及的试验方法中模拟迭代测点及期望响应信号的选择方法较为复杂；中国专利号cn103398859a的专利文献中公开了“一种力-位移混合控制摩托车车架疲劳试验方法”，所涉及的试验装置同样采取了保留后减震器和后平叉并后端固定的方法，会将后减震器的非线性特征引入进来而难于模拟，且所涉及的试验方法中模拟迭代测点的选择方法较为复杂，并且期望信号缺少迭代过程，模拟精度不高。

技术实现要素：

本发明为解决现有进行摩托车车架疲劳度试验过程存在试验系统结构复杂、激励通道耦合并难于迭代收敛等问题，提供一种正交力控制摩托车车架室内多轴疲劳度试验方法。

一种正交力控制摩托车车架室内多轴疲劳度试验方法，所述试验方法中采用一套试验系统，该试验系统包括安装基座、水平激振器后支座、水平激振器、导轨、水平激振器力传感器、前支架立管、前支架夹板、龙门架、垂直激振器、垂直激振器力传感器、连接夹具、中间轴、中间轴固定支座、发动机总成、导轨滑板和多个平面铰；

所述水平激振器后支座、导轨、龙门架、中间轴固定支座分别固定在安装基座上；所述水平激振器两端均采用平面铰分别与水平激振器后支座)和导轨滑板连接，水平激振器的前端设置水平激振器力传感器；所述垂直激振器两端均采用平面铰分别与龙门架和连接夹具连接，垂直激振器的前端设置垂直激振器力传感器；所述导轨滑板和导轨采用滑移副连接，实现水平往复运动；所述前支架立管与导轨滑板采用平面铰连接；所述前支架立管与前支架夹板采用螺钉连接；所述连接夹具还用于与车架总成连接；

该试验方法由以下步骤实现：

步骤一、对车架总成进行实际道路行驶工况受力分析，模拟获得车架总成在摩托车实际道路行驶时的应力分布集中点，并在所述应力分布集中点的相应位置布置应变传感器，并按照摩托车行驶不同路况分别进行实际车辆行驶时车架道路载荷谱采集；

步骤二、对步骤一采集的载荷谱进行处理和可靠性验证，确定车架实际路况行驶整体应力分布特征和应力集中的测点，均匀地在车架上选取其中m个应力较大测点，并对不同行驶路况下选取测点的载荷谱循环数据进行浓缩，获得该路况下试验系统内模拟试验测点的期望响应信号；

步骤三、将车架总成安装在试验系统上，在步骤二中选取的m个测点相同位置布置应变传感器，对所述m个测点施加单通道激励，进行测点应变响应灵敏度和响应线性度分析，选出一对测点作为载荷谱模拟迭代测点，构建两个输入两个输出的2×2方阵控制模拟迭代系统；

所述步骤三中选取一对载荷谱模拟迭代测点的具体方法为：

步骤三一、对水平激振器单独施加三组频率不变幅值依次增倍的水平正弦力驱动信号，测量车架上相应测点应变响应信号，按照公式一、公式二求取车架相应测点应变响应对水平激振器力驱动信号的响应灵敏度δh和响应线性度γh；

对垂直激振器单独施加三组频率不变幅值依次增倍的垂直正弦力驱动信号，测量车架上相应测点应变响应信号对垂直激振器力驱动信号的响应灵敏度δv和响应线性度γv；

步骤三二、将车架上相应测点响应灵敏度值和响应线性度值分别按大小进行排序，选取对水平激振器力驱动信号响应灵敏度高且响应线性度好而对垂直激振器力驱动信号响应灵敏度低的测点1作为水平激振器力驱动模拟迭代测点；

再选取对水平激振器力驱动信号响应灵敏度低而对垂直激振器力驱动信号响应灵敏度高且响应线性度好的测点2作为垂直激振器力驱动模拟迭代测点；其它测点作为模拟迭代监控测点；

公式一、

公式二、

式中：xa(t),xb(t)为前、后两次力驱动信号，ya(t),yb(t)分别对应前、后两次力驱动信号激励下同一测点应变响应信号；δ1为第二组激励相对第一组激励计算所得响应灵敏度；δ2为第三组激励相对第二组激励计算所得响应灵敏度；

步骤四、采用步骤三构建的控制模拟迭代系统进行测点载荷谱模拟迭代，并记录迭代误差≤10％的最后一次激振器激励谱，作为该路况疲劳度试验激励谱；

所述步骤四中进行测点载荷谱模拟迭代的具体方法为：

步骤四一、生成宽带数字白噪声力驱动信号a1(t)和a2(t)分别作为水平激振器和垂直激振器的输入信号，同时采集回收模拟迭代测点1和测点2响应信号b1(t)和b2(t)，根据公式三、公式四求解系统的频响函数h(f)；然后选取步骤二中某一种路况浓缩得到的迭代测点1和迭代测点2载荷谱，按公式五反求激振器初始激励信号。

公式三、a(f)＝[a1(f),a2(f)]^t，b(f)＝[b1(f),b2(f)]^t

公式四、

公式五、a⁽⁰⁾(t)＝ifft[h^-1(f)b^(d)(f)]

式中：a1(f),a2(f),b1(f),b2(f)分别为a1(t)，a2(t)，b1(t)，b2(t)的傅里叶变换；a(f)为输入激励矩阵；b(f)为输出响应矩阵；sab(f)为输入与输出的互功率谱；saa(f)为输入的自功率谱；h(f)为试验系统频率响应函数，h^-1(f)为h(f)的逆矩阵。

步骤四二、用求取的初始信号激励各激振器，同时采集两个模拟迭代测点的输出响应信号，按公式六求取时频域加权平均误差e(t)，最后按公式七反求平均误差e(t)对应的输入信号修正量ae(t)；

公式六、e(t)＝0.5[b^(d)(t)-b⁽⁰⁾(t)]+0.5*ifft[b^(d)(f)-b⁽⁰⁾(f)]

公式七、ae(t)＝ifft[h^-1(f)e(f)]

式中：h^-1(f)为试验系统频率响应函数h(f)的逆矩阵，a⁽⁰⁾(t)为初始驱动信号；b^(d)(t)，b^(d)(f)为迭代测点期望响应信号及其傅里叶变换；b⁽⁰⁾(t)，b⁽⁰⁾(f)为初始驱动信号输入下迭代测点输出响应及其傅里叶变换；e(t)，e(f)为时域和频域加权误差响应信号及其傅里叶变换；ae(t)为误差修正输入信号；

步骤四三、根据步骤四二获得的误差对应的输入信号修正量对系统输入进行修正，获得修正输入信号，用公式八表示为：

公式八、a⁽¹⁾(t)＝a⁽⁰⁾(t)+ξ*ae(t)

式中：a⁽¹⁾(t)为修正输入信号；ξ为衰减系数；

步骤四四、采用步骤四三获得的修正输入信号a⁽¹⁾(t)作为输入，不断重复步骤四二至步骤四三之间的过程进行模拟迭代，并以公式九计算每次迭代后实际响应信号与期望响应信号时域和频域的误差平均值en，当en≤10％时，记录最后一次迭代水平激振器力激励信号a1*(t)和垂直激振器力激励信号a2*(t)，按公式十建立载荷谱矩阵a*，即为本路况疲劳度试验激励谱；

公式九、

公式十、a*＝[a1*(t),a2*(t)]^t

式中：b⁽ⁿ⁾(t)，b⁽ⁿ⁾(f)为第n次迭代测点输出响应信号及其傅里叶变换，a1*(t)为最后一次迭代水平激振器力激励谱；a2*(t)为最后一次迭代垂直激振器力激励谱；

步骤五、对车架不同路况测点载荷谱分别进行模拟迭代，获取各自路况疲劳度试验激励谱，按照车架寿命周期内通常的骑行路况比例构成，将获得的各路况疲劳度激励谱进行拼接合成，获得最终用于车架疲劳度试验的合成激励谱；采用所述合成激励谱来分别驱动对应激振器，对车架总成进行多轴向加载，实现车架室内多轴疲劳度检测。

本发明的有益效果：本发明所述的针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种正交力控制摩托车车架室内多轴疲劳度试验方法，该方法能够模拟摩托车在实际道路行驶时车架所受到的多轴向冲击载荷，能够在室内逼真再现车架实际受载特征，因而能够更加高效准确的考核车架的疲劳性能。具体存在以下优点：

一、本发明提出的车架疲劳度试验系统是一个多轴向多激励的载荷谱模拟迭代系统，它能够模拟车架实际道路行驶所受到的多轴向冲击载荷，其装夹和加载方式与车架实际道路行驶受载特征更趋一致，因而能够更加高效准确考核车架的疲劳性能。

二、本发明的试验方法在车架的多轴向加载中，采用了正交力控制模式，即水平激振器与垂直激振器均采用力激励和控制模式，它既可以很好地满足了系统的结构自由度和运动解耦，又能得到较高的模拟精度。

三、本发明的试验方法在车架载荷谱模拟迭代测点的选择上，采用了响应灵敏度和响应线性度分析来选择2个载荷谱模拟迭代测点来组建一个2×2方阵控制系统，这样很好地解决了激振器激励耦合造成的载荷谱模拟迭代收敛性问题，模拟迭代精度更高。

四、本发明的试验方法在载荷谱模拟迭代中采用了时、频域误差加权(加权系数均为0.5)的载荷谱模拟迭代算法，这样比单一的时域迭代算法具有更好的收敛速度和收敛精度。

五、本发明的试验方法提出了一种基于路况构成比例的合成疲劳激励谱构造方式，它既很好地契合了车架实际道路行驶受载特征，又大大缩短了试验周期。

附图说明

图1为本发明所述的一种正交力控制摩托车车架室内多轴疲劳度试验系统的正等测图；

图2为本发明所述的一种正交力控制摩托车车架室内多轴疲劳度试验系统的侧视图；

图3为图1的局部放大图；

图4为本发明所述的一种正交力控制摩托车车架室内多轴疲劳度试验系统控制原理图；

图5为本发明所述的一种正交力控制摩托车车架室内多轴疲劳度试验系统连接示意图；

图6为本发明所述的一种正交力控制摩托车车架室内多轴疲劳度试验方法的流程图。

图中：1、安装基座，2、水平激振器后支座，3、水平激振器，4、导轨，5、水平激振器力传感器，6、平面铰ⅰ，7、前支架立管，8、前支架夹板，9、车架总成，10、龙门架，11、垂直激振器，12、配重块，13、垂直激振器力传感器，14、平面铰ⅱ，15、连接夹具，16、中间轴，17、中间轴固定支座，18、发动机总成，19、平面铰ⅲ，20、导轨滑板，21、平面铰ⅳ，22、平面铰ⅴ。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图6说明本实施方式。一种正交力控制摩托车车架多轴疲劳试验方法，在该方法中采用一套试验系统，该试验系统包括安装基座1、水平激振器后支座2、水平激振器3、导轨4、水平激振器力传感器5、平面铰ⅰ6、前支架立管7、前支架夹板8、龙门架10、垂直激振器11、垂直激振器力传感器13、平面铰ⅱ14、连接夹具15、中间轴16、中间轴固定支座17、发动机总成18、平面铰ⅲ19、导轨滑板20、平面铰ⅳ21和平面铰ⅴ22；

所述水平激振器后支座2、导轨4、龙门架10、中间轴固定支座17分别固定在安装基座1上；所述水平激振器3两端分别采用平面铰ⅴ22和平面铰ⅰ6与水平激振器后支座2和导轨滑板20连接，水平激振器3的前端设置水平激振器力传感器5；所述垂直激振器11两端分别采用平面铰ⅳ21和平面铰ⅱ14与龙门架10和连接夹具15连接，垂直激振器11的前端设置垂直激振器力传感器13；所述导轨滑板20和导轨4采用滑移副连接，实现水平往复运动；所述前支架立管7与导轨滑板20采用平面铰ⅲ19连接；所述前支架立管7与前支架夹板8采用螺钉连接；所述连接夹具15还用于与车架总成9连接。

结合图4和图5说明本实施方式，所述试验系统控制原理如下：

所述水平激振器3上安装有液压伺服阀和水平激振器力传感器5，并通过分油器与液压泵站相连；所述垂直激振器11上安装有液压伺服阀和垂直激振器力传感器13，并通过分油器与液压泵站相连；实验人员通过计算机与控制器相连，控制器控制两个激振器伺服阀动作，并同时控制液压泵站经由分油器对激振器进行供油和回油，进而完成激振器的拉伸和压缩加载；水平激振器3和垂直激振器11联合对车架进行加载，并通过布置在车架上的迭代测点1(应变传感器)和迭代测点2(应变传感器)回收车架实时受载信号，返回控制器完成闭环控制。

该试验方法包括如下步骤：

a、对车架实际道路行驶时的几种典型受载工况(最大前载、最大后载、最大乘员以及常规骑行)进行有限元分析，获取车架薄弱环节和应力集中点，在相应位置布置应变传感器(假设为s个)。按照摩托车典型行驶路况(假设路况类型为r)进行实车行驶车架道路载荷谱采集(假设采集车辆数为v，驾驶员数为d，每种路况采集循环数为c)。

b、按路况r—采集车辆v—驾驶员d—采集循环c的多层级横向比对方式截取载荷谱循环进行前处理、重复性分析和可靠性验证。之后，截取同路况、同采集车辆、同驾驶员及同采集循环下不同采集测点载荷谱信号进行均方根值统计分析和功率谱密度分析，以确定车架实际行驶整体应力分布特征和应力水平较高的危险测点。选取其中应力水平较高、较为均匀地分布于车架上的测点若干个(假设为m个)，截取测点某个采集循环数据按最大幅值5％作为阀值进行小幅值剔除，按保留95％的损伤量编辑信号得到浓缩的载荷谱，作为后续台架模拟试验测点期望响应信号。采用相同方法获取该部分测点不同路况浓缩载荷谱，作为后续室内台架模拟试验测点期望响应信号。

c、将车架总成9安装于试验台架上，车架前部通过前支架立管7和前支架夹板8进行安装固定，车架总成中部采用中间固定轴16和中间轴固定支座17将车架固定在原有车架与后平叉连接中轴处。在水平轴向上，前支架立管7底部通过双排布置的平面铰ⅲ19与可往复水平移动导轨滑板20相连，导轨滑板20通过平面铰ⅰ6与水平激振器3相连。水平激振器3通过前端安装的水平激振器力传感器5来实时控制运动和加载。该部分结构可以模拟路面—轮胎—减震器—车架的空间拓扑连接及载荷传递关系，用以模拟实际行驶车架前端所受水平轴向和垂直轴向载荷冲击。在垂直轴向上，垂直激振器11上端通过平面铰ⅳ21安装固定在高度可调的龙门架10上，其下端采用平面铰ⅱ14与连接夹具15进行铰接，连接夹具15采用螺栓和连接板结构与车架尾部进行连接固定。垂直激振器11通过前端布置的垂直激振器力传感器13来实时控制运动和加载，结合布置在车架尾部用以惯性加载的配重块12，来模拟车架实际行驶所受到的来自路面、乘员或者货物所带来的垂直轴向载荷冲击。

d、在步骤b中选取的m个应力水平较高的道路载荷谱采集测点相同位置布置应变传感器。考虑构建一个两输入两输出(2×2)的方阵正交力控制系统，用于测点载荷谱模拟迭代，具体选择方法如下：首先仅对对水平激振器单独施加三组频率不变幅值依次增倍的水平正弦力驱动信号，测量车架上相应测点应变响应信号，按照公式一、公式二求取车架相应测点应变响应对水平激振器力驱动信号的响应灵敏度δh和响应线性度γh；同理，再仅对对垂直激振器单独施加三组频率不变幅值依次增倍的垂直正弦力驱动信号，测量车架上相应测点应变响应信号对垂直激振器力驱动信号的响应灵敏度δv和响应线性度γv；然后，将车架上相应测点响应灵敏度值和响应线性度值分别按大小进行排序，选取对水平激振器力驱动信号响应灵敏度高(δh越大，灵敏度越高)且响应线性度好(γh越接近1，线性度越好)，而对垂直激振器力驱动信号响应灵敏度低(δv越小，灵敏度越低)的测点1个(记为测点1)作为水平激振器力驱动模拟迭代测点；同理，再选取对水平激振器力驱动信号响应灵敏度低(δh越小，灵敏度越低)，而对垂直激振器力驱动信号响应灵敏度高(δv越大，灵敏度越高)且响应线性度好(γv越接近1，线性度越好)的1个测点(记为测点2)，作为垂直激振器力驱动模拟迭代测点；余下测点可作为模拟迭代监控测点；

式中：xa(t),xb(t)—前后两次力驱动信号，ya(t),yb(t)—分别对应前后两次力驱动信号激励下同一测点应变响应信号；δ1—第二组激励相对第一组激励计算所得响应灵敏度；δ2—第三组激励相对第二组激励计算所得响应灵敏度。

e、生成宽带数字白噪声力驱动信号a1(t)和a2(t)分别作为水平激振器和垂直激振器的输入，同时采集回收模拟迭代测点1和测点2响应信号b1(t)和b2(t)，根据式(3)、(4)求解系统的频响函数h(f)。然后选取步骤2中某一种路况浓缩得到的迭代测点1和迭代测点2载荷谱，按公式(5)反求激振器初始激励信号。

a(f)＝[a1(f),a2(f)]^t，b(f)＝[b1(f),b2(f)]^t(3)

a⁽⁰⁾(t)＝ifft[h^-1(f)b^(d)(f)](5)

式中：a1(f),a2(f),b1(f),b2(f)—分别为a1(t)，a2(t)，b1(t)，b2(t)的傅里叶变换；a(f)—输入激励矩阵，为2×1矩阵；b(f)—输出响应矩阵，为2×1矩阵；sab(f)—输入与输出的互功率谱，为2×2矩阵；saa(f)—输入的自功率谱；为2×2矩阵；h(f)—试验系统频率响应函数，为2×2矩阵；

f、用求取的初始信号激励各激振器，同时采集两个模拟迭代测点的输出响应信号，按公式(6)求取时—频域加权平均误差e(t)，最后按式(7)反求误差对应的输入信号修正量ae(t)。

e(t)＝0.5[b^(d)(t)-b⁽⁰⁾(t)]+0.5*ifft[b^(d)(f)-b⁽⁰⁾(f)](6)

ae(t)＝ifft[h^-1(f)e(f)](7)

式中：h^-1(f)—试验系统频率响应函数h(f)的逆矩阵，为2×2矩阵；a⁽⁰⁾(t)—初始驱动信号，为2×1矩阵；b^(d)(t)，b^(d)(f)—迭代测点期望响应信号及其傅里叶变换，为2×1矩阵；b⁽⁰⁾(t)，b⁽⁰⁾(f)—初始驱动信号输入下迭代测点输出响应及其傅里叶变换，为2×1矩阵；e(t)，e(f)—时域和频域加权误差响应信号及其傅里叶变换，为2×1矩阵；ae(t)—误差修正输入信号，为2×1矩阵；

g、根据得到的误差修正输入信号对系统输入进行修正，得到的修正输入信号为：

a⁽¹⁾(t)＝a⁽⁰⁾(t)+ξ*ae(t)(8)

式中：a⁽¹⁾(t)-修正输入信号，为2×1矩阵；ξ—衰减系数。

h、以修正输入信号a⁽¹⁾(t)作为输入，不断重复前面的过程进行模拟迭代，并以式(9)计算每次迭代后实际响应信号与期望响应信号时域和频域的误差平均值en，当en≤10％时，记录最后一次迭代水平激振器力激励信号a1*(t)和垂直激振器力激励信号a2*(t)，按式(10)建立驱动信号文件a*，该文件为一个2×1载荷谱矩阵，即为本工况疲劳试验激励谱。

a*＝[a1*(t),a2*(t)]^t(10)

式中：b⁽ⁿ⁾(t)，b⁽ⁿ⁾(f)—第n次迭代测点输出响应信号及其傅里叶变换，为2×1矩阵；a1*(t)—最后一次迭代水平激振器力激励谱；a2*(t)—最后一次迭代垂直激振器力激励谱；

i、采用相同的载荷谱模拟迭代方法，选取不同路况浓缩得到的目标载荷谱，在车架多轴疲劳试验系统上通过大量模拟迭代，分别获取各自路况的道路模拟激励谱。最后，按照摩托车通常骑行的路面比例构成，按照式(11)将各路况分别模拟迭代获取的分段疲劳激励谱按相同比例在时域上进行拼接合成，得到一段最终用于疲劳耐久试验的激励谱。以此激励谱作为对应激振器驱动信号，对摩托车车架进行疲劳耐久性试验。

式中：r—路况种类总数；ki—第i种路况占通常路况比例系数，其中

ai*—第i种路况疲劳激励谱。