懸架筒式減振器異響鑒別系統(tǒng)設計

王鈴燕，黃海波，姜　韜，劉叢志，丁渭平（西南交通大學汽車工程研究所，成都610031）

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懸架筒式減振器異響鑒別系統(tǒng)設計

王鈴燕，黃海波，姜韜，劉叢志，丁渭平
（西南交通大學汽車工程研究所，成都610031）

摘要：針對某車型懸架筒式減振器異響問題，分別進行整車路試和臺架試驗，在收集大量數(shù)據(jù)情況下，提出采用基于權重的聚類分析法鑒別減振器異響，并分析其中的原理。在此基礎上，通過LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)平臺與MATLAB信號處理工具箱相結合，設計一套用于鑒別車輛懸架筒式減振器異響的測試系統(tǒng)，并對減振器進行異響鑒別。結果表明，該測試系統(tǒng)鑒別結果與減振器整車路試主觀評價相關系數(shù)高于0.92，能夠滿足工廠企業(yè)產(chǎn)品質量控制方面檢測要求，可為今后產(chǎn)品抽樣檢測、提高異響鑒別可靠度和改進生產(chǎn)過程提供參考。

關鍵詞：振動與波；減振器；異響鑒別；虛擬儀器；聚類分析

汽車的振動和噪聲特性是影響汽車乘坐舒適性的一個重要因素。筒式液壓減振器是汽車懸架系統(tǒng)最重要結構部件之一，對汽車行駛平順性和操穩(wěn)性起到關鍵作用[1，2]。減振器結構決定了其在拉升和壓縮換向過程中必然會產(chǎn)生沖擊振動進而激發(fā)噪聲，嚴重時會導致車內聲品質變惡劣，通常稱這類噪聲為減振器異響。國外懸架減振器異響情況較國內而言要好許多，其主要原因在于國內大多減振器是通過逆向工程開發(fā)的，對減振器的性能無法全部掌握，同時產(chǎn)品加工一致性較差，因此在某些條件下會出現(xiàn)異響[3]

對于減振器異響，國內外學者進行了一定研究，但由于引起減振器噪聲問題因素多且雜，對其發(fā)生機理還沒有明確解釋。目前對于減振器異響的鑒別主要從人的主觀感覺出發(fā)，但同一支減振器是否存在異常噪聲，常常因人而異，判斷模糊。為此，結合減振器生產(chǎn)廠家的實際需求，基于Lab VIEW與Matlab平臺開發(fā)了一套汽車懸架減振器異響鑒別系統(tǒng)。Lab VIEW虛擬儀器軟件平臺采用圖形化編程語言，具有程序簡潔直觀和工業(yè)控制適用性強等諸多優(yōu)勢，但是在對各種算法的支持方面，其工具箱非常有限[4]，這制約了其在復雜算法上的開發(fā)效率。而Matlab具有強大的運算和圖形處理功能，在眾多的工程領域都提供了高效的工具箱[5]，但Matlab的界面開發(fā)及流程控制能力較差。通過Lab VIEW強大的外部接口，實現(xiàn)其與Matlab的混合編程，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，可以快速地開發(fā)功能強大的智能化虛擬儀器。

1　減振器工作原理分析

筒式液壓減振器結構原理如圖1所示。減振器處于復原行程時，復原閥和補償閥工作，活塞缸筒上腔的油液經(jīng)過復原閥流入下腔，而儲油缸的部分油液經(jīng)過補償閥流入下腔，進而產(chǎn)生復原節(jié)流壓力。當減振器運動速度低于復原行程開閥速度時，復原閥不開閥，油液僅流經(jīng)常通孔而產(chǎn)生節(jié)流壓力；當減振器速度大于復原行程開閥速度時，復原閥開閥，油液經(jīng)過常通孔及節(jié)流閥片變形所形成的節(jié)流縫隙，產(chǎn)生節(jié)流壓力。同樣的道理，減振器處于壓縮行程時，流通閥和壓縮閥工作。活塞上腔和下腔橫截面積的不同以及節(jié)流壓差的變化使減振器產(chǎn)生不同阻尼力。

圖1　減振器結構原理簡圖

2　減振器異響檢測方法及原理

2.1檢測方法

減振器噪聲作為車輛的部件噪聲，常常淹沒在發(fā)動機等較大的車輛背景噪聲源之中，因此采用普通的直接測試法很難有效地準確測量。若在室內的臺架試驗中，采用直接測試法務必需要消聲室等昂貴的投資。國內外研究[6–10]表明：減振器異響是由于其在拉升和壓縮換向過程中，內部產(chǎn)生對減振器活塞桿的沖擊振動引起的，因此只要對減振器活塞桿振動信號進行分析就可以鑒別出異響件，進而完成客觀評價。圖2是減振器異響鑒別系統(tǒng)的試驗臺結構布置簡圖。

圖2　試驗臺結構布置簡圖

在懸架減振器異響鑒別測試系統(tǒng)中，根據(jù)收集減振器在整車狀態(tài)下的振動信息，通過控制臺架作動頭激勵頻率來模擬激勵速度為0.15m/s、激勵頻率為16 Hz的激勵工況。試驗臺上、下工裝具有一定的預緊力并且位置可調，以保證減振器的安裝方式與整車相同。該測試系統(tǒng)的測試對象為臺架作動頭激勵信號和減振器活塞桿振動加速度信號，并且將作動頭激勵信號作為減振器拉伸和壓縮階段的判別信號。作動頭激勵信號的測試范圍為0～20 Hz，活塞桿振動加速度信號的測試范圍為0～50g。

2.2檢測原理

因減振器異響程度和活塞桿振動加速度信號關系比較復雜，所以在測試過程中首先要分析兩者的關系。通常減振器異響程度是由試驗人員經(jīng)過整車路試主觀評價得來的，主要的評價方法有等級評分法和成對比較法[11，12]。活塞桿振動信號由加速度傳感器測試獲取，并且該加速度信號和減振器異響程度有一定的關系：活塞桿加速度時域信號的波峰和波谷落差越大，減振器異響越明顯[13]。但是，收集到的加速度時域信號含有大量與異響無關的信息，并且減振器異響涉及的帶寬特殊，通常在100 Hz～1 000 Hz特定的頻段范圍內[14]，所以時域分析法并不能比較準確地鑒別出減振器異響。若將活塞桿加速度信號進行功率譜分析，并在關注的頻段范圍內對該功率譜做RMS值計算，根據(jù)RMS值的大小作為異響鑒別的指標，則得到的結果就能較準確的反映出減振器異響程度[15]。然而，減振器異響的特征信息主要出現(xiàn)在活塞桿拉升和壓縮換向沖擊瞬間（約0.01 s）[16]，所以功率譜RMS值法并沒有有效提取出異響的關鍵信息。由于小波分析具有多分辨率的特性[17]，能夠將焦點集中在信號的任意細節(jié)，用小波分析對收集的振動信號進行處理，并計算出特定頻段內的能量即特征能量作為減振器異響鑒別的指標，則得到的鑒別結果和主觀評價就具有很高的相關性。

在此，將結合以上三種方法的優(yōu)點即采用“基于權重的聚類分析法”對減振器異響進行鑒別。

2.3基于權重的聚類分析法

聚類分析又稱群分析，是研究分類問題的一種多元統(tǒng)計分析方法。聚類分析中的類，通俗的說，指的就是相似元素的集合。對于減振器樣本來說，通過聚類分析得到的分類結果在空間上表現(xiàn)為不同的異響程度區(qū)，可以作為異響鑒別的依據(jù)。采用Ward系統(tǒng)聚類法，強調同類事物內部的差異（離差平方和）應該很小，而不同類事物的內部差異應該很大，突出強調區(qū)域內部的同性質，適用于群集聚類[18]。

Ward聚類法是根據(jù)方差分析原理得到的，聚類首先使n個樣本（不同減振器信號分析結果）各自成一類，然后樣本之間離差平方和最小的兩個樣本合并成一類，類的數(shù)目減少至n-1；然后，再合并其中的兩類，使得類內離差平方和最小，直至所有同性質的樣本聚成一類為止，具體計算方法如下：

其中Dij為第i類與第j類的歐式距離；Xi，Xj為聚類樣本，包含三列向量，分別為時域峰谷差值，功率譜RMS值和特征能量；ni，nj為樣本的數(shù)目。

由于時域分析法，功率譜RMS法和基于特征能量的小波分析法對活塞桿振動信號分析得到的數(shù)據(jù)量綱不同，并且在數(shù)量級上也有差異，所以首先采用Z-score方法對分析后的數(shù)據(jù)進行標準化。其次，三種方法分析得到的客觀評價結果與主觀評價相關程度也不一樣，相關系數(shù)越大則表示該方法的鑒別準確度越高，反之則越低，將三種方法的鑒別結果與主觀評價做相關分析，得到的相關系數(shù)進行歸一化的值作為各方法的權重系數(shù)，就能準確的分配各方法在聚類分析中所占的比重。最后，將三種標準化并加權后的數(shù)據(jù)作為聚類分析的樣本進行Ward聚類分析。

其中ci、cj為權重系數(shù)；-Xi、Xˉj為標準化后的數(shù)據(jù)。

第k個樣本與i，j兩個樣本合并為一類之間的距離為

這使得同類樣本的離差平方和很小，不同類樣本的離差平方和很大。

3　系統(tǒng)設計

3.1系統(tǒng)的軟件設計

應用美國NI公司Lab VIEW系統(tǒng)開發(fā)平臺結合PCI數(shù)據(jù)采集卡（DAQ），對減振器活塞桿振動信號的實時采集和波形進行再現(xiàn)和分析。系統(tǒng)的軟件設計框圖如圖3所示，其中系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析部分主要是針對采集的信號進行時域分析、功率譜RMS值分析、基于特征能量的小波分析和基于權重的聚類分析，各分析方法如下：

（1）時域分析：計算出收集的活塞桿振動加速度信號波峰和波谷差值作為減振器異響鑒別指標。

（2）功率譜RMS值分析：對活塞桿振動加速度信號進行幅值譜分析，在幅值譜的基礎上再進行基于有效值的功率譜分析，并在特定的頻段范圍內計算出RMS值作為異響鑒別指標。

（3）基于特征能量的小波分析：根據(jù)收集到的臺架作動頭激勵信號作為觸發(fā)信號，將活塞桿振動加速度信號分為拉伸和壓縮兩個階段，對換向沖擊時刻信號采用dB 6小波進行5尺度的分解，并計算出特定頻段范圍內的能量值即特征能量作為異響鑒別指標。

（4）基于權重的聚類分析：根據(jù)式（1）至（3）對數(shù)據(jù)進行異響程度分類。

圖3　軟件設計結構框圖

在Lab VIEW平臺下實現(xiàn)的各種算法均采用與Matlab接口編程技術，通過在Matlab模塊中編寫分析程序并發(fā)布COM組件，再通過Lab VIEW引用其生成的COM對象[19]。其設計原理為：Lab VIEW通過數(shù)據(jù)采集得到激勵信號與活塞桿振動信號，根據(jù)激勵信號作為辨識活塞桿拉伸、壓縮階段的觸發(fā)信號，將分階段的活塞桿振動信號通過Matlab和Lab VIEW的接口傳遞給Matlab相應的功能函數(shù)，然后通過Matlab強大的工具箱實現(xiàn)各種函數(shù)功能來完成信號分析和處理。這樣使開發(fā)復雜先進算法的周期大大縮短，并且保證了系統(tǒng)信號分析準確可靠。

Lab VIEW和Matlab相結合使用是通過Lab VIEW中的Matlab Script節(jié)點來實現(xiàn)的[20]。此節(jié)點使用戶既可以將M文件導入Lab VIEW流程圖中，又可以在流程圖中根據(jù)Matlab程序的語法編輯程序。

3.2調用MATLAB的腳本節(jié)點實現(xiàn)

3.2.1調用過程實現(xiàn)的技術支持

Lab VIEW的腳本節(jié)點允許用戶執(zhí)行外部腳本。使用腳本節(jié)點即可執(zhí)行HQ腳本，也可以執(zhí)行Matlab腳本。Lab VIEW使用Active X技術來實現(xiàn)MATLAB腳本節(jié)點，Active X是Microsoft公司定義的用于Internet的一種對象鏈接與嵌入技術（OLE），它滿足了網(wǎng)絡上不同應用程序之間交換信息的需求。

3.2.2使用Matlab腳本節(jié)點的關鍵

（1）因為Lab VIEW使用Active X技術來實現(xiàn)Matlab腳本節(jié)點，所以Matlab腳本節(jié)點需在Windows軟件平臺上運行。

（2）Lab VIEW和Matlab是兩種不同的編程語言，在結合應用時首先應將Matlab腳本節(jié)點內、外數(shù)據(jù)類型進行匹配。

（3）為了便于調試，在導入腳本到Lab VIEW之前，最好先在Matlab環(huán)境內編寫并運行。

在虛擬儀器設計的Lab VIEW平臺中，通過調用Matlab節(jié)點可以方便地實現(xiàn)各種復雜的函數(shù)功能，重要的一個環(huán)節(jié)就是如何利用節(jié)點編程，并采用合適的方法對數(shù)據(jù)進行分析。減振器異響鑒別系統(tǒng)程序示意圖如圖4所示。

圖4　減振器異響鑒別系統(tǒng)程序示意圖

系統(tǒng)程序主要由圖4中各個模塊組成，并采用隊列“生產(chǎn)者-消費者”模式連接各個模塊。事件處理循環(huán)實現(xiàn)軟件界面操作動作的響應，UI消息循環(huán)將事件處理循環(huán)傳來的命令發(fā)送給對應循環(huán)模塊進行相應的動作以實現(xiàn)軟件的主要功能，數(shù)據(jù)庫查詢用于查詢歷史采集數(shù)據(jù)、分析結果、試驗信息等。

4　減振器樣件測試及分析

利用該測試系統(tǒng)對某型國產(chǎn)SUV車懸架減振器進行異響鑒別。測試樣件有47支，均做過整車路試試驗并且有相應的主觀評價（見表1）。對收集到的臺架試驗作動頭激勵信號和減振器活塞桿振動加速度信號經(jīng)過測試系統(tǒng)首先進行時域分析、功率譜RMS值分析和基于特征能量的小波分析，之后對分析結果經(jīng)過標準化處理并加權再進行基于權重的聚類分析，則得到的聚類分析異響區(qū)如圖5所示，表1為聚類分析鑒別結果的得分情況，不同分析方法鑒別結果與主觀評價的相關系數(shù)見表2。

圖5　聚類分析異響區(qū)

從測試結果可以看出：

（1）基于權重的聚類分析法將單指標的剛性矩形判定區(qū)域轉化成為多指標的柔性圓形判定區(qū)域，減少了評判結果因為單一指標的誤判而導致最終結果誤判的概率；

（2）表1中無異響件的鑒別結果和主觀評價結果完全吻合，嚴重異響件和輕微異響件有極個別誤差，可能是因為各異響程度之間存在一定的灰色地帶導致了理性的客觀評價與感性的主觀評價存在一定的差異[21]；

（3）基于權重的聚類分析法鑒別減振器異響程度和主觀評價結果的相關系數(shù)達到0.929，高于其它三種方法，且顯著性水平小于0.01，說明用該方法來進行減振器異響鑒別可靠度極高。

經(jīng)減振器廠家實際驗證，采用該測試系統(tǒng)對某型國產(chǎn)SUV車懸架減振器進行異響鑒別的準確率達到95 %以上，并且檢測結果與主觀評價的相關系數(shù)高于0.92。

表1　聚類分析與主觀評價得分對比

表2　不同分析方法鑒別結果與主觀評價的相關系數(shù)

5　結語

（1）首次提出并采用基于權重的聚類分析方法對車輛懸架減振器異響進行鑒別，將單指標的剛性判定區(qū)域轉化成為多指標的柔性判定區(qū)域，減少了評判結果因為單一指標的誤判而導致最終結果誤判的概率，并且以相關系數(shù)作為測試系統(tǒng)異響鑒別準確度的評價指標，揭示了減振器主觀評價和臺架試驗的內在關系。

（2）應用Matlab Script節(jié)點對信號進行處理，將信號處理工具箱和虛擬儀器二者緊密地融合在一起，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢，形成一種新型的信號分析方法。

（3）經(jīng)試驗表明，該操作系統(tǒng)界面友好，運行穩(wěn)定可靠，異響鑒別準確度高，可擴充性好。尤其對于大批量減振器異響鑒別時，在一定程度上可降低主觀評價專家因聽覺疲勞帶來的誤判率，以及消除不同評價專家的主觀差異性。同時能克服整車路試進行主觀評價時天氣等不確定因素的影響，縮短異響鑒別時間。

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Design of Abnormal Noise Identifying System for Suspension Shock Absorbers

WANG Ling-yan , HUANG Hai-bo , JIANG Tao , LIU Cong-zhi , DING Wei-ping
( Instituteof AutomotiveEngineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract:Theabnormal noiseproblem of avehicle’ssuspension shock absorber wasstudied. Theroad test and rig test of the vehicle were carried out. By collecting a large amount of research data, a method of clustering analysis based on weight coefficient was processed for identifying the abnormal noise of the suspension shock absorber. The principle of this method was analyzed. Moreover, based on the virtual instrument development system LabVIEW and the toolbox of signal processing in MATLAB, a test system for identifying the abnormal noise of the suspension shock absorber was developed and applied to the shock absorbers. The test result shows that the correlation coefficient between the identification results and the subjective evaluation in road test is higher than 0.92, which can meet the product quality control requirements of most factories and enterprises. This work has provided a reference for sample test, improving identification reliability and productionprocessmodification.

Key words:vibration and wave; suspension shock absorber; abnormal noise identification; virtual instrument; clusteringanalysis

通訊作者：丁渭平，男，碩士生導師，主要研究方向為汽車系統(tǒng)動力學、車輛噪聲、振動及舒適性。E-mail:dwpc@263.net

作者簡介：王鈴燕（1988-），女，福建三明人，碩士，主要研究方向為車輛聲振、舒適性。E-mail:719626534@qq.com

基金項目：四川省2015科技計劃資助項目（2015GZ0126）

收稿日期：2015-07-13

文章編號：1006-1355(2016)02-0092-05+100

中圖分類號：U463.1；U467.1+1

文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.020