基于道路試驗汽車載荷譜的采集與處理

劉靈芝，張冰戰，牛占占

(1.安徽交通職業技術學院 汽車與機械工程系，安徽 合肥，230051；2.合肥工業大學 汽車與交通工程學院，安徽 合肥，230009)

0 前言

汽車的耐久性是汽車行業關注的重要領域。汽車的耐久性與汽車的可靠性和安全性有著直接的聯系[1]。這兩個評價因素影響汽車產品在市場上能否贏得消費者青睞，所以越來越多的汽車企業開始重視汽車的耐久性和可靠性研究。

從60年代開始，國內外開始根據載荷譜研究機械疲勞的問題[2]。目前，湖南大學周澤采用基于真實道路載荷譜虛擬臺架試驗的方法，對整車零部件進行疲勞壽命研究[3]。南京汽車集團使用六分力儀提取載荷譜，并對整車進行壽命分析和優化。Ramesh Edara等運用虛擬技術，根據多體動力學模型迭代出載荷譜，并對懸架進行疲勞壽命研究。Kumar P.Sathish等人根據虛擬迭代的載荷譜，聯合慣性釋放法對某客車駕駛室進行了疲勞壽命研究。

上述研究的載荷譜不是在試驗場規定的工況下采集得到，對其結構進行疲勞壽命分析時存在一定的局限性。為了能夠反映出汽車在規定工況下的載荷信息，本文在定遠試驗場，根據試驗場相關規定使用六分力儀、加速度傳感器和位移傳感器采集整車的載荷譜，對載荷譜進行數據處理，得到合理的載荷數據。得到的載荷譜可用于臺架試驗和整車疲勞壽命研究，能夠縮短產品的開發周期，降低開發成本，這對汽車整車的前期開發設計具有很好的參考價值和指導意義。

1 試驗

1.1 試驗條件

(1)裝載質量

一般情況下，裝載質量是生產企業規定的最大裝載質量或使試驗車處于生產企業規定的最大總質量狀態。當試驗車裝載時，其所裝載的東西要固定牢靠，在行駛途中不能隨便晃動，也不能掉落，從而保證在整個試驗過程中裝載的質量不變

(2)輪胎壓力

在汽車試驗過程中，輪胎的壓力應該在試驗車規定的合理范圍內，誤差不超過1.0 kPa，保證汽車能夠穩定行駛。

(3)氣象條件

在試驗時，天氣應是無雨無霧，相對濕度小于95%，天氣溫度應該在0～40℃攝氏度范圍之內，且風速不大于3 m/s。

(4)燃料及潤滑油

汽車所使用的燃料應該是車輛生產企業所規定牌號和規格的燃料，同一次的試驗所使用的燃料應該保證是同一批次，防止因燃料的不同影響試驗的結果數據。

1.2 試驗設備

車輪六分力傳感器是當前載荷譜測試的必備傳感器的之一，可以測量汽車輪心的三個垂向力和三個力矩，所以稱其為六分力傳感器，同時其也可以輸出車輪旋轉角度和角速度[4]。它是通過輪轂適配器和輪輞適配器固定在車輪上，傳感器信號通過滑環或無線方式傳遞到采集器上。安裝車輪六分力傳感器，以獲取整車激勵載荷。現有4套傳感器，同步采集4個車輪的軸頭六分力載荷，針對6×4車型六個車輪，采取分一三軸和二三軸兩次進行，該載荷可作為整車激勵載荷，如圖1所示。

圖1 六分力儀傳感器安裝位置

位移傳感器共6個，其中4個測量鋼板彈簧位移，2個測量前減震器位移。位移傳感器量程500 mm，共占用6個通道，其中減震器位移傳感器安裝位置如圖2a所示。

加速度傳感器共計18個，其中3個單向，用于測量駕駛室懸置，油箱支架，車架，懸架軸頭等位置加速度，其中駕駛室加速傳感器安裝位置如圖2b所示。

2 載荷采集

2.1 采集工況

本文中在定遠試驗場所做的試驗根據GB/T12534《汽車道路試驗方法通則》和《定遠汽車試驗場汽車產品可靠性試驗規程》標準規定進行。本文整車載荷采集實驗根據定遠試驗場地的實驗條件，共采集九中不同路面下的載荷信息。其中工況的類型和在個工況下的操作要求如表1所示。

其中砂石路和比利時路的實際路況，如圖3所示。

2.2 采集結果

根據上述的9個工況，把9個工況組成一個循環，并且在其相應的操作要求下采集了整車的載荷譜，使用N-code軟件處理載荷數據，其中左后輪、鋼板彈簧、駕駛室、右后輪的加速度信號如圖4所示。

圖2 位移傳感器安裝位置

表1 各工況下的操作說明

3 載荷的處理與檢驗

3.1 載荷處理

在整車載荷譜采集時存在外界干擾，所采集的數據存在著誤差。為了得到合理可靠的載荷數據，需要把采集得到的載荷譜用濾波器的方法進行去毛刺、去噪聲、濾波等處理[5]。處理后的載荷譜如圖5所示。與信號數據處理之前相比，其中鋼板彈簧圖譜中毛刺部分處理的較為明顯，其他信號無明顯差異。

圖3 實際路況

圖4 采集得到的載荷譜

3.2 數據分析

在試驗場地整車載荷的采集是一個復雜的工程，采集得到的數據受到很多因素的影響，例如：傳感器的工作狀態、駕駛員的操作習慣、氣候環境、采集設備等。這些因素的存在會干擾采集得到數據的準確性，所以對試驗數據進行必要的檢查[6]。本文采用三種方法對整車載荷譜的有效性進行檢查。

圖5 處理后的載荷譜

第一種：在同一個部位，左右對稱的位置信號是否一致，以及信號是否完整。

每輪試驗后及時檢查問題信號來源，發現問題后立即檢修排查原因，保證測試信號的可靠性。試驗車左右輪心Z向加速度信號在同一個循環下的對比，上下兩個載荷曲線在相同的時間上幾乎保持一致，可以看出信號采集結果合理，如圖6所示。

圖6 石塊路前軸左右輪心Z向加速度對比

第二種：信號的幅值譜分析及頻譜分析是否合理。

車在一般路面情況下行駛時，產生的振動信號幅值大小與高斯正態分布具有較高的相似度。定遠試驗場的路面激振頻率小于80 Hz，所以試驗車上信號響應頻率應該與其一致。選擇石塊路段工況下采集得到的車架上的數據信號進行分析，其中幅值分布和頻譜分布分別如圖7a和圖7b所示。根據圖可以看出幅值分布及頻譜合理有效。

第三種：通過同一工況下三圈數據進行雨流對比是否合理。

圖7 車架加速度信號幅值分布和頻率譜圖

為保證試驗測試所得信號的有效性，每種路況循環三次測量，并將每個循環所的信號進行分析對比。由于每次循環時間長度略有不同，因此從雨流計數統計和信號頻域分析結果進行對比。以石塊路工況下三次循環中左側前輪Z向加速度信號進行雨流計數統計分析及頻譜分析，雨流計數統計分析結果如圖8所示

由雨流計數統計分析可以看出，第1、2、3次循環所得信號幅值及循環次數高度一致，驗證了測試數據的有效性。經過三種方法對所采集載荷譜數的有效性據進行了檢查，結果說明所采集的載荷譜是可靠有效的。

4 結論

以某商用車為研究為試驗車，在定遠試驗場使用六分力儀、加速度傳感器和位移傳感器采集了整車的載荷譜。對載荷譜進行處理得到合理的載荷數據。根據三種方式對得到的載荷譜的合理性進行判斷，得出載荷譜數據的有效性。得到的載荷譜用于整車結構的疲勞仿真研究，也可以為整車臺架試驗的載荷數據提供參考依據。

圖8 三次循環的雨流計數結果圖