CN103033358B - 一种汽车传动轴疲劳试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车传动轴疲劳试验方法，步骤如下：（1）在试验场采集传动轴输入转矩和输出端的振动加速度，得到期望响应信号；（2）安装传动轴，计算该试验***的频率响应函数；（3）计算直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器的初始驱动信号；（4）计算时域响应和频域响应加权误差，以及误差对应的驱动信号修正量，进行模拟迭代，当各传感器响应加权误差≤5%时，记录最终驱动信号；（5）以最终驱动信号为输入进行传动轴疲劳试验。本发明应用时域误差和频域误差加权的多参数控制方法，在室内模拟出汽车传动轴在实车行驶时的运动和受力情况，对汽车转动轴疲劳寿命进行准确高效的考核。

Description

一种汽车传动轴疲劳试验方法

技术领域

本发明涉及一种汽车传动轴性能试验方法，尤其涉及一种汽车传动轴疲劳试验方法。

背景技术

汽车传动轴担负着传递变速器(或分动器)到主减速器扭矩的作用，对整车性能影响极大，特别是汽车在起步、加速和制动时，传动轴要承受很大扭矩，是汽车传动系中关键总成之一。汽车传动轴一般由高抗扭、抗弯的空心碳钢钢管制成，轴管的两端焊接有万向节，由于挤压和焊接等工艺很难控制，因此汽车传动轴的刚度、强度和疲劳寿命必须通过试验来验证。现有汽车传动轴疲劳试验方法通常是在传动试验台上定转矩定转速进行，或者是进行等幅值扭转疲劳试验，但是传动轴在实车上运行时，不但承受动态变化的转矩，而且传动轴两端上下位置在不断变化，因此，现有试验装置和试验方法很难准确模拟传动轴的实际运行情况。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种汽车传动轴疲劳试验方法。该试验方法在室内模拟出汽车传动轴在实车行驶时的运动和受力情况，对汽车转动轴疲劳寿命进行准确高效的考核。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种汽车传动轴疲劳试验方法，在该方法中采用了一种汽车传动轴疲劳试验***，该试验***包括直线液压伺服作动器、固定支座、加速度传感器、扭转液压伺服作动器、扭矩传感器和计算机控制***；所述直线液压伺服作动器竖直设置，在直线液压伺服作动器的活塞杆上设置一支撑台，支撑台上设有一可相对该支撑台水平滑动的支撑滑台；所述固定支座竖直固定在支撑滑台上，所述加速度传感器设置在固定支座上；所述扭矩传感器与扭转液压伺服作动器连接，所述直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器由计算机控制***控制，加速度传感器和扭矩传感器采集的信号输入计算机控制***；

该方法包括如下步骤：

(1)、在变速器输出轴上安装应变式扭矩传感器，主减速器输入端安装盘上安装加速度传感器，在试验场采集传动轴输入转矩和输出端的振动加速度，得到期望响应信号为y_d(t)，为1×2矩阵；

(2)、将传动轴安装在汽车传动轴疲劳试验***上，使传动轴的一端通过万向节连接在固定支座上，传动轴的另一端通过万向节和联轴器与扭转液压伺服作动器连接；通过计算机控制***对直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器施加正弦扫频信号x_n(t)，收集加速度传感器和扭矩传感器的响应信号y_r(t)，按式(1)计算该试验***的频率响应函数H(f)；

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

式中：S_xx(f)—正弦扫频信号x_n(t)的自功率谱密度；

S_xy(f)—正弦扫频信号x_n(t)与传感器响应信号y_r(t)之间的互功率谱密度；

H(f)—加速度传感器和扭矩传感器与直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器之间的频率响应函数，为2×2矩阵；

(3)、以期望响应信号y_d(t)为模拟目标，根据式(2)和(3)计算直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器的初始驱动信号：

X₀(f)＝H^-1(f)Y_d(f)    (2)

x₀(t)＝IFFT[X₀(f)]    (3)

式中：H^-1(f)—H(f)的逆矩阵；

Y_d(f)—期望响应信号y_d(t)的傅里叶变换；

x₀(t)—直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器初始驱动信号；

X₀(f)—x₀(t)的傅里叶变换；

(4)、以初始驱动信号驱动直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器，同时采集加速度传感器和扭矩传感器的响应信号y₀(t)，用式(4)、(5)、(6)和(7)计算时域响应和频域响应加权误差，用式(8)和(9)计算误差对应的驱动信号修正量：

Δ_t(t)＝y_d(t)-y₀(t)    (4)

Δ_f(f)＝Y_d(f)-Y₀(f)    (5)

Δ(t)＝0.7×Δ_t(t)+0.3×Δ_f(t)    (7)

X_e(f)＝H^-1(f)Δ(f)    (8)

x_e(t)＝IFFT[X_e(f)]    (9)

式中：Δ_t(t)—时域响应误差信号；

Y₀(f)—传感器响应信号y₀(t)的傅里叶变换；

Δ_f(f)—频域响应误差信号；

Δ_f(t)—频域响应误差信号Δ_f(f)的逆傅里叶变换；

Δ(t)—时域响应和频域响应加权误差；

Δ(f)—Δ(t)的傅里叶变换；

x_e(t)—误差对应驱动信号；

X_e(f)—x_e(t)的傅里叶变换；

修正驱动信号为x₁(t)＝x₀(t)+αx_e(t)；

式中α为衰减系数，初始值通常取0.5，根据迭代收敛情况适当增大或减小，但必须满足：0＜α≤1；

以修正驱动信号x₁(t)作为驱动，不断重复本步骤中前面的过程进行迭代，并以式(10)实时计算误差值Δ_n，当各传感器响应误差≤5％时，记录最终驱动信号；

${\mathrm{\Δ}}_n=(0.7\×\frac{\sqrt{\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{(y_d\left(t\right)-y_n\left(t\right))}^2}}{\sqrt{\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{y}_d^2\left(t\right)}}+0.3\×\frac{\sqrt{\underset{f}{\mathrm{\Σ}}{(Y_d\left(f\right)-Y_n\left(f\right))}^2}}{\sqrt{\underset{f}{\mathrm{\Σ}}{Y}_d^2\left(f\right)}})\×100\%---\left(10\right)$

式中：Δ_n—第n次迭代误差值；

y_n(t)—第n次迭代采集的响应信号；

Y_n(f)—y_n(t)的傅里叶变换；

(5)、以最终驱动信号为输入进行传动轴疲劳试验。

与现有技术相比，本发明的一种汽车传动轴疲劳试验方法具有如下优点：

1、本发明结合汽车传动轴在实车上的受力和运动情况，通过扭转液压伺服作动器和直线液压伺服作动器进行加载，通过多参数控制方法，准确高效的在室内再现了汽车传动轴的动态转矩及悬架变位引起变速器与驱动桥上下相对位置变化及振动，为汽车传动轴疲劳试验提供了一套新方法。

2、运用直线液压伺服作动器施加传动轴上下跳动动载荷，运用扭转液压伺服作动器施加传动轴的输入扭矩，很好的反映了传动轴在实车上的载荷输入条件。

3、应用时域误差和频域误差加权的多参数控制方法，在室内模拟出汽车传动轴在实车行驶时的运动和受力情况，对汽车转动轴疲劳寿命进行准确高效的考核。

附图说明

图1为汽车传动轴疲劳试验***的主视图。

附图中：1—安装地基；2—直线液压伺服作动器；3—支撑滑台；4—固定支座；5—加速度传感器；6—传动轴；7—联轴器；8—轴承座；9—扭矩传感器；10—扭转液压伺服作动器；11—支撑平台；12—支撑平台立柱；13—支撑台。

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。

一种汽车传动轴疲劳试验方法，在该方法中采用了一种汽车传动轴疲劳试验***。如图1所示，该汽车传动轴疲劳试验***包括安装地基1、直线液压伺服作动器2、固定支座4、加速度传感器5、联轴器7、轴承座8、扭矩传感器9、扭转液压伺服作动器10、支撑平台11、支撑平台立柱12和计算机控制***。直线液压伺服作动器2竖直设置在安装地基1上，直线液压伺服作动器2用来模拟传动轴上下跳动。在直线液压伺服作动器2的活塞杆上设置一支撑台13，支撑台13上设有一可相对该支撑台13水平滑动的支撑滑台3，该支撑滑台3用来支撑固定支座4，同时可相对支撑台13沿水平方向滑动，以补偿传动轴两端上下跳动时距离的变化。固定支座4竖直固定在支撑滑台3上，加速度传感器5设置在固定支座4上。支撑平台11通过三根支撑平台立柱12水平设置在安装地基1上，轴承座8、扭矩传感器9和扭转液压伺服作动器10设置在支撑平台11上，扭转液压伺服作动器10的动力输出轴支撑在轴承座8上，扭矩传感器9安装在扭转液压伺服作动器10的动力输出轴上，扭转液压伺服作动器10的动力输出轴的端部连接联轴器7。加速度传感器5和扭矩传感器9用来测量和模拟传动轴的扭矩和两端的上下振动。直线液压伺服作动器2和扭转液压伺服作动器10由计算机控制***控制，加速度传感器5和扭矩传感器9采集的信号输入计算机控制***。

该汽车传动轴疲劳试验***的基本原理是：用直线液压伺服作动器2和扭转液压伺服作动器10分别施加正弦扫频信号，采集加速度传感器5和扭矩传感器9输出，计算该试验***的频率响应函数，根据实车行驶时采集的传动轴两端上下跳动和传动轴转矩，计算直线液压伺服作动器2和扭转液压伺服作动器10的输入信号，并不断进行迭代，在加速度传感器5和扭矩传感器9上模拟出实车行驶时采集的传动轴两端上下跳动和传动轴转矩，使得传动轴的运动和受力情况在该装置上得到很好的重现，在真实载荷条件下进行疲劳试验。

该一种汽车传动轴疲劳试验方法包括如下步骤：

(1)、在变速器输出轴上安装应变式扭矩传感器，主减速器输入端安装盘上安装加速度传感器，在试验场采集传动轴输入转矩和输出端的振动加速度，得到期望响应信号为y_d(t)，为1×2矩阵。

(2)、将传动轴6安装在汽车传动轴疲劳试验***上，使传动轴6的一端通过万向节连接在固定支座4上，传动轴6的另一端通过万向节与联轴器7连接。通过计算机控制***对直线液压伺服作动器2和扭转液压伺服作动器10施加正弦扫频信号x_n(t)，收集加速度传感器和扭矩传感器的响应信号y_r(t)，按式(1)计算该试验***的频率响应函数H(f)；

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

式中：S_xx(f)—正弦扫频信号x_n(t)的自功率谱密度；

S_xy(f)—正弦扫频信号x_n(t)与传感器响应信号y_r(t)之间的互功率谱密度；

H(f)—加速度传感器和扭矩传感器与直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器之间的频率响应函数，为2×2矩阵。

(3)、以期望响应信号y_d(t)为模拟目标，根据式(2)和(3)计算直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器的初始驱动信号：

X₀(f)＝H^-1(f)Y_d(f)    (2)

x₀(t)＝IFFT[X₀(f)]    (3)

式中：H^-1(f)—H(f)的逆矩阵；

Y_d(f)—期望响应信号y_d(t)的傅里叶变换；

x₀(t)—直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器初始驱动信号；

X₀(f)—x₀(t)的傅里叶变换。

(4)、以初始驱动信号驱动直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器，同时采集加速度传感器和扭矩传感器的响应信号y₀(t)，用式(4)、(5)、(6)和(7)计算时域响应和频域响应加权误差，用式(8)和(9)计算误差对应的驱动信号修正量：

Δ_t(t)＝y_d(t)-y₀(t)    (4)

Δ_f(f)＝Y_d(f)-Y₀(f)    (5)

Δ(t)＝0.7×Δ_t(t)+0.3×Δ_f(t)    (7)

X_e(f)＝H^-1(f)Δ(f)    (8)

x_e(t)＝IFFT[X_e(f)]    (9)

式中：Δ_t(t)—时域响应误差信号；

Y₀(f)—传感器响应信号y₀(t)的傅里叶变换；

Δ_f(f)—频域响应误差信号；

Δ_f(t)—频域响应误差信号Δ_f(f)的逆傅里叶变换；

Δ(t)—时域响应和频域响应加权误差；

Δ(f)—Δ(t)的傅里叶变换；

x_e(t)—误差对应驱动信号；

X_e(f)—x_e(t)的傅里叶变换；

修正驱动信号为x₁(t)＝x₀(t)+αx_e(t)；

式中α为衰减系数，初始值通常取0.5，根据迭代收敛情况适当增大或减小，但必须满足：0＜α≤1；

以修正驱动信号x₁(t)作为驱动，不断重复本步骤中前面的过程进行迭代，并以式(10)实时计算误差值Δ_n，当各传感器响应误差≤5％时，记录最终驱动信号；

${\mathrm{\Δ}}_n=(0.7\×\frac{\sqrt{\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{(y_d\left(t\right)-y_n\left(t\right))}^2}}{\sqrt{\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{y}_d^2\left(t\right)}}+0.3\×\frac{\sqrt{\underset{f}{\mathrm{\Σ}}{(Y_d\left(f\right)-Y_n\left(f\right))}^2}}{\sqrt{\underset{f}{\mathrm{\Σ}}{Y}_d^2\left(f\right)}})\×100\%---\left(10\right)$

式中：Δ_n—第n次迭代误差值；

y_n(t)—第n次迭代采集的响应信号；

Y_n(f)—y_n(t)的傅里叶变换。

(5)、以最终驱动信号为输入进行传动轴疲劳试验。

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)

1.一种汽车传动轴疲劳试验方法，其特征在于，在该方法中采用了一种汽车传动轴疲劳试验***，该试验***包括直线液压伺服作动器、固定支座、加速度传感器、扭转液压伺服作动器、扭矩传感器和计算机控制***；所述直线液压伺服作动器竖直设置，在直线液压伺服作动器的活塞杆上设置一支撑台，支撑台上设有一可相对该支撑台水平滑动的支撑滑台；所述固定支座竖直固定在支撑滑台上，所述加速度传感器设置在固定支座上；所述扭矩传感器与扭转液压伺服作动器连接，所述直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器由计算机控制***控制，加速度传感器和扭矩传感器采集的信号输入计算机控制***；

该方法包括如下步骤：

(1)、在变速器输出轴上安装应变式扭矩传感器，主减速器输入端安装盘上安装加速度传感器，在试验场采集传动轴输入转矩和输出端的振动加速度，得到期望响应信号为y_d(t)，为1×2矩阵；

(2)、将传动轴安装在汽车传动轴疲劳试验***上，使传动轴的一端通过万向节连接在固定支座上，传动轴的另一端通过万向节和联轴器与扭转液压伺服作动器连接；通过计算机控制***对直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器施加正弦扫频信号x_n(t)，收集加速度传感器和扭矩传感器的响应信号y_r(t)，按式(1)计算该试验***的频率响应函数H(f)；

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

式中：S_xx(f)—正弦扫频信号x_n(t)的自功率谱密度；

S_xy(f)—正弦扫频信号x_n(t)与传感器响应信号y_r(t)之间的互功率谱密度；

H(f)—加速度传感器和扭矩传感器与直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器之间的频率响应函数，为2×2矩阵；

(3)、以期望响应信号y_d(t)为模拟目标，根据式(2)和(3)计算直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器的初始驱动信号：

X₀(f)＝H^-1(f)Y_d(f)    (2)

x₀(t)＝IFFT[X₀(f)]    (3)

式中：H^-1(f)—H(f)的逆矩阵；

Y_d(f)—期望响应信号y_d(t)的傅里叶变换；

x₀(t)—直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器初始驱动信号；

X₀(f)—x₀(t)的傅里叶变换；

(4)、以初始驱动信号驱动直线液压伺服作动器和扭转液压伺服作动器，同时采集加速度传感器和扭矩传感器的响应信号y₀(t)，用式(4)、(5)、(6)和(7)计算时域响应和频域响应加权误差，用式(8)和(9)计算误差对应的驱动信号修正量：

Δ_t(t)＝y_d(t)-y₀(t)    (4)

Δ_f(f)＝Y_d(f)-Y₀(f)    (5)

Δ(t)＝0.7×Δ_t(t)+0.3×Δ_f(t)    (7)

X_e(f)＝H^-1(f)Δ(f)    (8)

x_e(t)＝IFFT[X_e(f)]    (9)

式中：Δ_t(t)—时域响应误差信号；

Y₀(f)—传感器响应信号y₀(t)的傅里叶变换；

Δ_f(f)—频域响应误差信号；

Δ_f(t)—频域响应误差信号Δ_f(f)的逆傅里叶变换；

Δ(t)—时域响应和频域响应加权误差；

Δ(f)—Δ(t)的傅里叶变换；

x_e(t)—误差对应驱动信号；

X_e(f)—x_e(t)的傅里叶变换；

修正驱动信号为x₁(t)＝x₀(t)+αx_e(t)；

式中α为衰减系数，初始值通常取0.5，根据迭代收敛情况适当增大或减小，但必须满足：0＜α≤1；

以修正驱动信号x₁(t)作为驱动，不断重复本步骤中前面的过程进行迭代，并以式(10)实时计算误差值Δ_n，当各传感器响应误差≤5％时，记录最终驱动信号；

${\mathrm{\Δ}}_n=(0.7\×\frac{\sqrt{\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{(y_d\left(t\right)-y_n\left(t\right))}^2}}{\sqrt{\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{y}_d^2\left(t\right)}}+0.3\×\frac{\sqrt{\underset{f}{\mathrm{\Σ}}{(Y_d\left(f\right)-Y_n\left(f\right))}^2}}{\sqrt{\underset{f}{\mathrm{\Σ}}{Y}_d^2\left(f\right)}})\×100\%---\left(10\right)$

式中：Δ_n—第n次迭代误差值；

y_n(t)—第n次迭代采集的响应信号；

Y_n(f)—y_n(t)的傅里叶变换；

(5)、以最终驱动信号为输入进行传动轴疲劳试验。