CN102944430B - 摩托车车架实际行驶载荷谱疲劳再现试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明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，步骤为：（1）采集摩托车车架实际行驶时的载荷谱；（2）将车架安装在试验系统中；（3）计算各响应点与各激励点之间的频率响应函数；（4）选取期望响应信号和模拟迭代频率响应函数；（5）计算各激振器初始驱动信号；（6）以作为激振器的驱动信号，收集期望响应点的响应信号，并与期望响应信号比较，修正，使得响应信号与期望响应信号一致，记录最终，（7）以最终为输入对车架进行疲劳试验。结合车架实际行驶受力情况，通过运动分析和解耦分析，选取多点加载和力控制方式，准确高效的在室内再现摩托车车架实际行驶时的载荷谱和疲劳情况。

Description

摩托车车架实际行驶载荷谱疲劳再现试验方法

技术领域

本发明涉及一种摩托车车架性能试验方法，尤其涉及一种摩托车车架实际行驶载荷谱疲劳再现试验方法。

背景技术

摩托车车架是摩托车最关键的承载部件，车架本身的刚度、强度、质量等因素对整车的疲劳可靠性、操纵稳定性、乘员舒适性起着决定性作用。因此在车架新产品投入市场之前，必须要通过疲劳可靠性试验验证。摩托车车架的疲劳可靠性试验主要有道路试验、试验场试验和室内台架试验。其中道路试验和试验场试验，所需周期长、耗费大、危险性高。室内台架试验因具有周期短、重复性好、安全可靠等特点，在摩托车车架疲劳可靠性试验中具有很强的应用前景。目前摩托车车架室内台架试验，采用单点激励加载方式，加载信号往往是正弦、阶跃等标准简单信号或程序载荷谱，与摩托车实际行驶受力情况相差较大，很容易出现过试验和欠试验情况。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种准确高效的在室内再现摩托车车架实际行驶时的载荷谱和疲劳情况的摩托车车架实际行驶载荷谱疲劳再现试验方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

摩托车车架实际行驶载荷谱疲劳再现试验方法，在该方法中采用了一种试验系统，该试验系统包括直线导轨、驱动直线导轨水平移动的水平激振器、前支架、后支座、垂直激振器、应力应变传感器、数据采集器、控制器和计算机；所述应力应变传感器连接数据采集器，所述数据采集器连接控制器，控制器控制水平激振器和垂直激振器，计算机与控制器连接；

该方法包括如下步骤：

(1)、分析车架受力情况，在车架关键点和薄弱点粘贴3至30个应力应变传感器测点，在试验场或用户路面采集摩托车车架实际行驶载荷谱，采集的各响应信号为y_i(t),i∈[1,2...k],k＝3,4...30；

(2)、将待试验的摩托车车架安装在该试验系统中，摩托车车架前立管安装在前支架上，前支架的下端与直线导轨铰接，通过水平激振器对前支架下端施加力，以模拟前轮路面激励；将摩托车后平叉车轮处与后支座相连，垂直激振器垂直施压在摩托车车架上，以模拟发动机、前后乘员的动载荷和后轮路面激励；在摩托车车架实际行驶载荷谱采集时的相同测点粘贴应力应变传感器；

(3)、通过控制器对水平激振器和垂直激振器分别施加正弦扫频力信号x_s(t)，通过数据采集器采集各个应力应变传感器测点的响应信号y_ri(t),n∈[1,2...l],l＝3,4...30，通过如下公式计算各应力应变传感器测点与各激励点之间的频率响应函数：

$H\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{S_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{jw}\right)}{S_{\mathrm{xx}}\left(\mathrm{jw}\right)}---\left(1\right)$

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}^2\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{{\left|S_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{jw}\right)\right|}^2}{S_{\mathrm{xx}}\left(\mathrm{jw}\right)S_{\mathrm{yy}}\left(\mathrm{jw}\right)}---(2)$

式中：H(jw)—各响应点与各激励点之间的频率响应函数，为3×30的矩阵；

—响应信号y_ri(t)与激励信号x_s(t)之间的相干函数，为3×30的矩阵；

S_xy(jw)—响应信号y_ri(t)与各激励信号x_s(t)之间的互功率谱密度，为3×30的矩阵；

S_xx(jw)—激励信号x_s(t)的自功率谱密度，为3×3的对角阵；

S_yy(jw)—响应信号y_ri(t)的自功率谱密度，为30×30的对角阵；

(4)、选取期望响应信号和模拟迭代频率响应函数：根据摩托车实际行驶时数据采集器采集的各响应信号y_i(t)、频率响应函数矩阵H(jw)和相干函数矩阵选出3～8路摩托车实际行驶时采集的响应信号；在选取的3～8路响应信号中，选出最关注的两路信号作为期望响应信号，剩余各路响应信号通过式(3)加权系数加权得到1路期望响应信号，从而得到3路期望响应信号，用y_d(t)表示，其中y_d(t)为1×3矩阵；

$W_j=\frac{\stackrel{\‾}{y_j\left(t\right)}}{\underset{n=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{y_n\left(t\right)}}---\left(3\right)$

式中：W_j—剩余信号中第j路响应信号的加权系数；—剩余信号中第j路响应信号的均值；r—剩余响应信号的个数；—剩余期望响应信号均值之和，n为整数，1≤n≤r；

用同样的加权系数对频率响应函数H(jw)中对应响应点与激励点之间的频率响应函数加权，并提取最关注的两路响应点与激励点之间的频率响应函数，从而组成模拟迭代频率响应函数H_d(jw)，为3×3矩阵；

(5)、根据公式(4)和(5)计算各激振器初始驱动信号x_d(t)：

$X_d\left(\mathrm{jw}\right)=H_d^{-1}\left(\mathrm{jw}\right)Y_d\left(\mathrm{jw}\right)---\left(4\right)$

x_d(t)＝IFFT[X_d(jw)]；     (5)

式中：—模拟迭代频率响应函数H_d(jw)的逆矩阵；

x_d(t)—激振器初始驱动信号，为1×3矩阵；

X_d(jw)—x_d(t)的傅里叶变换；

(6)、以x_d(t)作为激振器的驱动信号，收集期望响应点的响应信号，并与期望响应信号进行比较，不断修正x_d(t)，使得收集的响应信号与期望响应信号一致，记录最终x_d(t)；

(7)、以最终x_d(t)为输入对车架进行疲劳试验。

本发明的有益效果是：结合摩托车车架实际行驶受力情况，通过运动分析和解耦分析，选取多点加载和力控制方式，准确高效的在室内再现摩托车车架实际行驶时的载荷谱和疲劳情况。

附图说明

图1为试验系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

摩托车车架实际行驶载荷谱疲劳再现试验方法，在该方法中采用了一种试验系统。该试验系统的结构示意图如图1所示，包括直线导轨2、驱动直线导轨水平移动的水平激振器1、前支架3、后支座4、垂直激振器(本实施例中，该试验系统设置两个垂直激振器，即垂直激振器7和垂直激振器8)、应力应变传感器(附图中仅画出了两个应力应变传感器，即应力应变传感器5和应力应变传感器9)、数据采集器11、控制器12和计算机13。应力应变传感器连接数据采集器11，数据采集器11连接控制器12，控制器12控制水平激振器1和垂直激振器7、8的激振器伺服阀6，计算机13与控制器12连接。

前支架3的上端与摩托车车架前立管相连，前支架3的下端与直线导轨2通过铰接的方式转动连接，水平激振器1沿水平方向对直线导轨2施加力，进而对前支架3施加力，摩托车实际行驶时可以模拟前轮路面激励。后支座4主要起支撑作用，模拟后轮路面激励。为适应车架的变形和运动解耦，水平激振器1、垂直激振器、后支座4及与被试件(即带发动机、减震器和后平叉的车架10)连接处均采用旋转铰。在已有摩托车车架实际行驶载荷谱基础上，该系统通过计算机软件给控制器12发命令，控制水平激振器1和垂直激振器输出的噪声信号激励系统，通过数据采集器11采集应力应变传感器5和应力应变传感器9处响应信号，计算各应力应变传感器点与激振器加载点之间的频率响应函数，结合采集的摩托车车架实际行驶载荷谱，计算激振器的输入信号，通过不断模拟迭代，使应力应变传感器处响应信号与采集的摩托车车架实际行驶载荷谱一致，在此基础上，对车架进行疲劳耐久性试验，从而再现摩托车车架实际行驶载荷谱疲劳情况。

摩托车车架实际行驶载荷谱疲劳再现试验方法，该方法包括如下步骤：

(1)、分析车架受力情况，在车架关键点和薄弱点粘贴3至30个应力应变传感器测点，在试验场或用户路面采集摩托车车架实际行驶载荷谱，采集的各响应信号为y_i(t),i∈[1,2...k],k＝3,4...30；

(2)、将待试验的摩托车车架安装在该试验系统中，摩托车车架前立管安装在前支架上，前支架的下端与直线导轨铰接，通过水平激振器对前支架下端施加力，以模拟前轮路面激励；将摩托车后平叉车轮处与后支座相连，垂直激振器垂直施压在摩托车车架上，以模拟发动机、前后乘员的动载荷和后轮路面激励；在摩托车车架实际行驶载荷谱采集时的相同测点粘贴应力应变传感器；

(3)、通过控制器对水平激振器和垂直激振器分别施加正弦扫频力信号x_s(t)，通过数据采集器采集各个应力应变传感器测点的响应信号y_ri(t),n∈[1,2...l],l＝3,4...30，通过如下公式计算各应力应变传感器测点与各激励点之间的频率响应函数：

$H\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{S_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{jw}\right)}{S_{\mathrm{xx}}\left(\mathrm{jw}\right)}---\left(1\right)$

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}^2\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{{\left|S_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{jw}\right)\right|}^2}{S_{\mathrm{xx}}\left(\mathrm{jw}\right)S_{\mathrm{yy}}\left(\mathrm{jw}\right)}---(2)$

式中：H(jw)—各响应点与各激励点之间的频率响应函数，为3×30的矩阵；

—响应信号y_ri(t)与激励信号x_s(t)之间的相干函数，为3×30的矩阵；

S_xy(jw)—响应信号y_ri(t)与各激励信号x_s(t)之间的互功率谱密度，为3×30的矩阵；

S_xx(jw)—激励信号x_s(t)的自功率谱密度，为3×3的对角阵；

S_yy(jw)—响应信号y_ri(t)的自功率谱密度，为30×30的对角阵；

(4)、选取期望响应信号和模拟迭代频率响应函数：根据摩托车实际行驶时数据采集器采集的各响应信号y_i(t)、频率响应函数矩阵H(jw)和相干函数矩阵选出3～8路摩托车实际行驶时采集的响应信号；期望响应信号的选取原则是：尽量靠近试验关注部位；尽量在车架上全局分布；采集的响应信号、频率响应函数和相干函数幅值均较大；在选取的3～8路响应信号中，选出最关注(即典型反映摩托车车架受力)的两路信号作为期望响应信号，剩余各路响应信号通过式(3)加权系数加权得到1路期望响应信号，从而得到3路期望响应信号，用y_d(t)表示，其中y_d(t)为1×3矩阵；

$W_j=\frac{\stackrel{\‾}{y_j\left(t\right)}}{\underset{n=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{y_n\left(t\right)}}---\left(3\right)$

式中：W_j—剩余信号中第j路响应信号的加权系数；—剩余信号中第j路响应信号的均值；r—剩余响应信号的个数；—剩余期望响应信号均值之和，n为整数，1≤n≤r；

用同样的加权系数对频率响应函数H(jw)中对应响应点与激励点之间的频率响应函数加权，并提取最关注的两路响应点与激励点之间的频率响应函数，从而组成模拟迭代频率响应函数H_d(jw)，为3×3矩阵；

(5)、根据公式(4)和(5)计算各激振器初始驱动信号x_d(t)：

$X_d\left(\mathrm{jw}\right)=H_d^{-1}\left(\mathrm{jw}\right)Y_d\left(\mathrm{jw}\right)---\left(4\right)$

x_d(t)＝IFFT[X_d(jw)]；     (5)

式中：—模拟迭代频率响应函数H_d(jw)的逆矩阵；

x_d(t)—激振器初始驱动信号，为1×3矩阵；

X_d(jw)—x_d(t)的傅里叶变换；

(6)、以x_d(t)作为激振器的驱动信号，收集期望响应点的响应信号，并与期望响应信号进行比较，不断修正x_d(t)，使得收集的响应信号与期望响应信号一致，记录最终x_d(t)；

(7)、以最终x_d(t)为输入对车架进行疲劳试验。

该摩托车车架实际行驶载荷谱疲劳再现试验方法具有如下特点：

1、车架装夹和加载与摩托车车架实际行驶情况一致：摩托车实际行驶时，传到车架的载荷主要包括前后轮路面激励，发动机和前后乘员的动载荷，这些载荷主要是水平方向和垂直方向。为使车架行驶载荷得到很好的再现，车架带原车发动机、后减震器和后平叉，在前轮轴心用水平激振器加载模拟前轮路面激励，垂直方向两个激振器模拟后轮路面激励以及发动机、前后乘员的动载荷。

2、机械解耦与控制解耦相结合解决运动干涉：通过直线导轨和旋转铰实现一定程度上的运动解耦，同时通过对激振器的协调控制和力控制彻底解决运动干涉问题。

3、能够在室内准确再现摩托车车架实际行驶载荷谱及疲劳情况：通过计算机软件和控制器，采用多参数控制方法，能够模拟摩托车车架实际行驶载荷谱，在室内再现摩托车车架实际行驶载荷疲劳情况。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.摩托车车架实际行驶载荷谱疲劳再现试验方法，其特征在于，在该方法中采用了一种试验系统，该试验系统包括直线导轨、驱动直线导轨水平移动的水平激振器、前支架、后支座、垂直激振器、应力应变传感器、数据采集器、控制器和计算机；所述应力应变传感器连接数据采集器，所述数据采集器连接控制器，控制器控制水平激振器和垂直激振器，计算机与控制器连接；

该方法包括如下步骤：

(1)、分析车架受力情况，在车架关键点和薄弱点粘贴3至30个应力应变传感器测点，在试验场或用户路面采集摩托车车架实际行驶载荷谱，采集的各响应信号为y_i(t),i∈[1,2...k],k＝3,4...30；

(2)、将待试验的摩托车车架安装在该试验系统中，摩托车车架前立管安装在前支架上，前支架的下端与直线导轨铰接，通过水平激振器对前支架下端施加力，以模拟前轮路面激励；将摩托车后平叉车轮处与后支座相连，垂直激振器垂直施压在摩托车车架上，以模拟发动机、前后乘员的动载荷和后轮路面激励；在摩托车车架实际行驶载荷谱采集时的相同测点粘贴应力应变传感器；

(3)、通过控制器对水平激振器和垂直激振器分别施加正弦扫频力信号x_s(t)，通过数据采集器采集各个应力应变传感器测点的响应信号y_ri(t),n∈[1,2...l],l＝3,4...30，通过如下公式计算各应力应变传感器测点与各激励点之间的频率响应函数：

$H\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{S_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{jw}\right)}{S_{\mathrm{xx}}\left(\mathrm{jw}\right)}---\left(1\right)$

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}^2\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{{\left|S_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{jw}\right)\right|}^2}{S_{\mathrm{xx}}\left(\mathrm{jw}\right)S_{\mathrm{yy}}\left(\mathrm{jw}\right)}---(2)$

式中：H(jw)—各响应点与各激励点之间的频率响应函数，为3×30的矩阵；

—响应信号y_ri(t)与激励信号x_s(t)之间的相干函数，为3×30的矩阵；

S_xy(jw)—响应信号y_ri(t)与各激励信号x_s(t)之间的互功率谱密度，为3×30的矩阵；

S_xx(jw)—激励信号x_s(t)的自功率谱密度，为3×3的对角阵；

S_yy(jw)—响应信号y_ri(t)的自功率谱密度，为30×30的对角阵；

(4)、选取期望响应信号和模拟迭代频率响应函数：根据摩托车实际行驶时数据采集器采集的各响应信号y_i(t)、频率响应函数矩阵H(jw)和相干函数矩阵选出3～8路摩托车实际行驶时采集的响应信号；在选取的3～8路响应信号中，选出最关注的两路信号作为期望响应信号，剩余各路响应信号通过式(3)加权系数加权得到1路期望响应信号，从而得到3路期望响应信号，用y_d(t)表示，其中y_d(t)为1×3矩阵；

$W_j=\frac{\stackrel{\‾}{y_j\left(t\right)}}{\underset{n=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{y_n\left(t\right)}}---\left(3\right)$

式中：W_j—剩余信号中第j路响应信号的加权系数；—剩余信号中第j路响应信号的均值；r—剩余响应信号的个数；—剩余期望响应信号均值之和，n为整数，1≤n≤r；

用同样的加权系数对频率响应函数H(jw)中对应响应点与激励点之间的频率响应函数加权，并提取最关注的两路响应点与激励点之间的频率响应函数，从而组成模拟迭代频率响应函数H_d(jw)，为3×3矩阵；

(5)、根据公式(4)和(5)计算各激振器初始驱动信号x_d(t)：

$X_d\left(\mathrm{jw}\right)=H_d^{-1}\left(\mathrm{jw}\right)Y_d\left(\mathrm{jw}\right)---\left(4\right)$

x_d(t)＝IFFT[X_d(jw)]；    (5)

式中：—模拟迭代频率响应函数H_d(jw)的逆矩阵；

x_d(t)—激振器初始驱动信号，为1×3矩阵；

X_d(jw)—x_d(t)的傅里叶变换；

(6)、以x_d(t)作为激振器的驱动信号，收集期望响应点的响应信号，并与期望响应信号进行比较，不断修正x_d(t)，使得收集的响应信号与期望响应信号一致，记录最终x_d(t)；

(7)、以最终x_d(t)为输入对车架进行疲劳试验。