路譜迭代精度影響因素分析

關波，郝方楠，黃森，張教超

(陜西法士特齒輪有限責任公司,陜西西安 710077)

路譜迭代精度影響因素分析

關波，郝方楠，黃森，張教超

(陜西法士特齒輪有限責任公司,陜西西安 710077)

路譜迭代精度直接影響室內道路模擬試驗的模擬精度。如何提高迭代精度是現今相關實驗室最關心的問題之一。通過實際試驗總結驗證，得到傳遞函數和傳感器量程是影響路譜迭代精度的關鍵因素，對提高路譜迭代精度具有重要指導意義。

路譜；振動臺；迭代精度

0 引言

六自由度振動臺(Multi-Axial Simulation Table)能夠模擬實際道路振動激勵，試件放置在振動臺上所受到的振動激勵等同于實車工況[1-2]，從而實現在實驗室內驗證車輛行駛過程中道路因素造成的振動對汽車相關部件可靠性的影響。在將道路采集信息實現復現的過程中，由于系統的非線性以及各種傳遞誤差，導致模擬的振動響應與道路實況目標振動信號之間存在誤差。因此，降低目標信號與響應信號之間的誤差、提高迭代精度對振動測試項目有十分重要的意義。

路譜復現的基本過程分為振動系統識別和推算系統驅動信號兩部分，實踐發現：這個過程中，系統傳遞函數和所選傳感器量程對迭代誤差影響較大，選擇合適的傳遞函數和傳感器可以有效提高迭代的精度。

1 振動系統識別

在振動臺上，用白噪聲作為驅動信號識別整個系統(變速器+振動臺+所有支撐變速器用的夾具)的傳遞函數[3]。系統識別過程如圖1所示。

即Y=H×X

其中：X為白噪聲驅動信號，Y為響應信號(數采測量得到)，H即為傳遞函數。由此可推算得到傳遞函數

H=Y×X-1

(1)

2 驅動信號推算

在室內道路模擬試驗的系統辨識過程中，假設整個系統是線性不變系統，獲取該系統的傳遞函數矩陣H作為對該系統特性的描述，這樣就可以根據系統的輸入、輸出和系統傳遞函數矩陣之間的關系，由實測的期望目標信號反推得到所需的激勵信號，即X=Y×H-1。但實際上，由于整個試驗系統的各個環節，包括變速器、液壓作動器、測量系統等都存在一定程度的非線性，使得根據線性系統假設計算得到的激勵信號去激勵系統時，得到的響應和期望目標響應之間存在很大的誤差。為了消除非線性的影響，需要通過迭代的計算方法逐步修正激勵信號，使系統的響應信號最終趨近于目標信號。迭代原理如圖2所示。

初始驅動信號X0的生成方法為:

X0=α·β·Y×H-1

(2)

式中:Y 為目標信號;α為目標信號的增益系數;β為初始驅動信號的增益系數。

用X0激勵試驗系統得到各測點的響應,計算響應信號與目標信號之間的誤差ΔY,并乘以誤差增益系數γ(取值為0～1)，然后與驅動信號迭加，得到新的驅動信號X1：

X1=X0+γ·ΔY×H-1

(3)

用X1再激勵系統,如此循環,直至誤差低于設定限值時停止迭代，得到最終的驅動信號X。對于重型汽車,當迭代誤差小于15%時即可終止迭代。該試驗用RMS ERROR(時域內目標信號與響應信號之差的均方根與目標信號均方根的比值)作為迭代誤差評價指標,精度較高時限值為10%的RMS誤差。

3 迭代精度影響因素

3.1 傳遞函數

室內道路路譜模擬試驗發現，系統傳遞函數H對迭代精度具有非常大的影響。傳遞函數較好時迭代40步左右即可達到要求的精度，且驅動平穩，與實際路面激勵重合度較高。而傳遞函數較差時迭代步數增大，且驅動信號位移和扭轉角度均會有嚴重的偏移，與實際路面有一定差距。

在具體試驗中,公式(1)中的響應信號Y由加速度傳感器直接測量得到，驅動信號X采用shape法生成，如圖3所示。

圖中，Lower Cut Off頻率表示驅動中不包含低于此頻率的能量；Upper Cut Off頻率表示驅動中不包含高于此頻率的能量；Break頻率表示能量從此處開始衰減；1/fn為能量衰減指數函數，n決定了驅動能量衰減的速度。改變這4個量即可定義包含不同能量的驅動信號X，然后即可推算出不同的傳遞函數。

在進行方坑路迭代的過程中，分別使用了兩種傳遞函數H1和H2。驅動和迭代過程如圖4—7所示，其中圖4和圖6為H1，圖5和圖7為H2。

從圖4可以看出：采用遞函數H1迭代后的驅動信號位移

和扭轉角度偏離零位現象嚴重，與實際方坑路面激勵出入較大。

從圖5可以看出:采用H2之后，驅動信號基本在零位置上下振動。由此可看出傳遞函數對驅動信號的影響是很顯著的。

從圖6、圖7可以清楚地看到：較好的傳遞函數會大大提高迭代精度，減少迭代步數。

3.2 傳感器量程

實車采集的道路路譜信號振動量級在3g以內。在迭代過程中，數采系統采集的響應信號量級也只有0.5g～3g。在選擇測量用加速度傳感器時，10g和50g量程的傳感器對迭代精度的影響是不一樣的，量程50g的傳感器提供的振動信號對于迭代過程來說，信噪比會很差。

如圖8、圖9所示，圖中紅色曲線為目標信號，藍色曲線為響應信號。圖8采用10g量程的加速度傳感器，目標信號與響應信號基本重疊，迭代精度較高；圖9為采用50g量程的加速度傳感器進行迭代的結果，顯然其迭代誤差較大。

圖9 連續凹坑路信號4 小結

從文中所述實際案例中可以看到：傳遞函數與信號信噪比對迭代精度的影響是非常明顯的。為了提高迭代精度，需要在進行實車數據采集時，選擇合適的測量傳感器，提高振動信號的信噪比；在進行路譜迭代過程中，應選擇恰當的傳遞函數。

【1】 彭為，靳曉雄，孫士煒.道路模擬試驗中道路載荷譜的選擇方法[J].上海工程技術大學學報，2004，18(1):6-9.

【2】 杜永昌,管迪華.汽車道路動態試驗模擬控制系統的研究與開發[J].汽車技術,1999(3)：16-18.

【3】 杜永昌.車輛道路模擬試驗迭代算法研究[J].農業機械學報，2002，33(2):5-7.

Analysis of Influence Factors for Iteration Precision of Road Signal

GUAN Bo，HAO Fangnan，HUANG Sen，ZHANG Jiaochao

(Shaanxi Fast Gear Co.,Ltd.,Xi’an Shaanxi 710077,China)

The iteration precision of road signals has a great significance to the indoor road simulation test.How to improve the iteration precision has attracted more and more engineers’ attention.Through simulation tests,it was found that the frequency response function and the chosen sensors range were the main influence elements to the iteration precision.It provides guidance for improving iteration precision of road signal.

Road signal;Vibration table;Iteration precision

2014-11-25

關波(1982—)，學士，助理工程師，研究方向為振動噪聲測量與控制。E-mail：dosios@126.com。