道路譜在車輛耐久性臺架試驗(yàn)中的應(yīng)用

向華榮,謝 飛,王萬英

(1.重慶西部汽車試驗(yàn)場管理有限公司, 重慶 408300; 2.中國汽車工程研究院股份有限公司, 重慶 401122;3.重慶長安汽車股份有限公司, 重慶 401120)

道路譜主要用路面不平度進(jìn)行表征，通常用來描述路面的起伏程度，是汽車行駛過程中受到的主要激勵，它使車輛在行駛中產(chǎn)生行駛阻力和振動，影響車輛行駛的平順性、操縱穩(wěn)定性、零部件疲勞壽命等。因此，獲取準(zhǔn)確的道路譜信息是對車輛受激振動特性進(jìn)行分析和評價(jià)的關(guān)鍵[1]。

本文試驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證道路譜作為驅(qū)動信號輸入四立柱道路模擬機(jī)臺架進(jìn)行汽車耐久性試驗(yàn)的可行性。分別分析了道路譜作為驅(qū)動信號和載荷譜作為驅(qū)動信號的特點(diǎn)[2-4]。本次試驗(yàn)從兩方面進(jìn)行：① 讓四立柱道路模擬機(jī)再現(xiàn)路面高程；② 路面載荷譜輸入四立柱道路模擬機(jī)臺架進(jìn)行試驗(yàn)，模擬汽車道路行駛效果。

1 道路譜的測量

1.1 道路譜的測量

道路譜即路面不平度的測量方法和儀器有很多，這些儀器大致分為斷面類和響應(yīng)類兩種。斷面類儀器通常有靜態(tài)縱斷面測量和動態(tài)縱斷面測量兩類[5-8]。

本次試驗(yàn)采用某國家課題中開發(fā)的道路譜綜合測試系統(tǒng)[9-12]。 該系統(tǒng)主要通過激光位移傳感器和加速度傳感器等配合測量得到道路路面的不平度曲線信號。該系統(tǒng)主要由激光斷面儀(內(nèi)置激光位移傳感器、高頻和低頻加速度傳感器)，精密陀螺儀(測量車身姿態(tài)變化信息參數(shù))，GPS測量設(shè)備(實(shí)時(shí)測量道路的經(jīng)緯海拔高等信息)，高速攝像機(jī)(測量試驗(yàn)路段的視頻信息)，車速及距離傳感器(測量試驗(yàn)路段的距離脈沖信息)以及一些輔助的測量設(shè)備(采集控制箱、工控機(jī)、UPS電源、磁盤陣列)組成，如圖1所示。該系統(tǒng)采用激光傳感器和垂直加速度傳感器、GPS以及姿態(tài)儀等組合實(shí)時(shí)測量得到道路路面的不平度曲線信號，其中短波長信號用激光位移傳感器與加速度傳感器信號聯(lián)合計(jì)算獲得，大波長信號使用GPS與姿態(tài)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)融合獲得。該系統(tǒng)可在正常車速的條件下對路面進(jìn)行長距離快速自動檢測和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析與評價(jià)。

圖1 道路譜測量系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)樣車

本次試驗(yàn)采用某小型普通客車作為試驗(yàn)采集樣車，樣車主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 某小型普通客車的主要技術(shù)參數(shù)

1.3 道路譜的采集

本次試驗(yàn)的采集線路結(jié)合樣車的用戶使用狀態(tài)、行駛路線及重慶周邊的地形地貌等特點(diǎn)進(jìn)行選取，采集了重慶附近的渝鄰高速、渝遂高速的部分路段的數(shù)據(jù)作為高速公路的代表；采集了210 國道海爾路、城市道路的數(shù)據(jù)作為一般路的代表；采集了歌樂山、鐵山坪附近道路的數(shù)據(jù)作為山路的代表；采集了東陽至三匯道路的數(shù)據(jù)作為鄉(xiāng)村路的代表；采集了永川地區(qū)黃瓜山山路的數(shù)據(jù)作為山區(qū)壞路的代表。試驗(yàn)道路采集線路如圖2所示,其中鄉(xiāng)村壞路采集情況如圖3所示。

圖2 道路譜采集線路

圖3 鄉(xiāng)村壞路采集

本次在道路譜數(shù)據(jù)采集的同時(shí)采集載荷譜數(shù)據(jù)，為達(dá)到道路譜數(shù)據(jù)和載荷譜數(shù)據(jù)的同步性，兩套采集系統(tǒng)同時(shí)采集同一路信號。本文采集車輛前后輪附近軸頭的垂直加速度，為在室內(nèi)臺架上進(jìn)行載荷譜數(shù)據(jù)的驗(yàn)證做準(zhǔn)備。其中，車輛前輪軸頭加速度采集裝置的布置如圖4所示。

圖4 車輛前輪附近軸頭的加速度采集裝置的布置

2 道路譜臺架試驗(yàn)

2.1 臺架信號迭代方法

在進(jìn)行道路譜和載荷譜臺架試驗(yàn)時(shí)，首先對采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和處理，獲得期望響應(yīng)信號。其次，用白噪聲信號通過電液伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動機(jī)械液壓裝置，對試驗(yàn)系統(tǒng)加載，據(jù)此計(jì)算輸入譜、輸出譜和互譜，求得試驗(yàn)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。根據(jù)頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣的逆與期望響應(yīng)，計(jì)算生成出事道路模擬試驗(yàn)的初始驅(qū)動信號。最后，利用初始驅(qū)動進(jìn)行臺架加載。由于整個(gè)被試驗(yàn)系統(tǒng)是非線性的，而頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣的測定是基于線性系統(tǒng)的，因此需要反復(fù)迭代修正初始驅(qū)動信號，從而得到模擬路面行駛所需要的最終驅(qū)動信號。道路模擬試驗(yàn)臺迭代流程見圖5。

2.2 道路譜數(shù)據(jù)的濾波

在進(jìn)行臺架迭代時(shí)，試驗(yàn)樣車的裝載質(zhì)量、輪胎氣壓等影響樣車動態(tài)特性的參數(shù)要與道路數(shù)據(jù)采集時(shí)保持一致。由于造成疲勞損傷的路面載荷一般在40 Hz以內(nèi)，因此在迭代前先將道路譜迭代目標(biāo)信號進(jìn)行40 Hz的低通濾波，濾波前后道路譜的頻譜對比如圖6所示。

圖5 道路模擬試驗(yàn)臺迭代流程

圖6 濾波前后道路譜頻譜對比

2.3 后輪道路譜期望信號的生成

道路譜驅(qū)動試驗(yàn)要求試驗(yàn)車車輪垂向位移按照試驗(yàn)車道路行駛時(shí)左右車輪輪跡處路面的高程變化運(yùn)動，即把測試的道路譜信號作為道路模擬機(jī)兩個(gè)前輪作動器的試驗(yàn)期望響應(yīng)信號。兩個(gè)后輪作動器試驗(yàn)的期望響應(yīng)信號根據(jù)測試的道路譜信號、試驗(yàn)車速和試驗(yàn)車軸距按式(1)生成。

xr(t)=xf(t-B/V)

(1)

式中：xf(t)、xr(t)分別為前后輪作動器試驗(yàn)驅(qū)動期望信號；V為試驗(yàn)車速；B為樣車軸距。

本次試驗(yàn)路面采集的數(shù)據(jù)量較大，考慮車速的變化對道路譜采集的影響，臺架試驗(yàn)選取48 s非勻速工況的鄉(xiāng)村壞路數(shù)據(jù)作為輸入。以所選取路段采集的軸頭加速度為期望信號，同時(shí)測試的該段路段的道路譜信號經(jīng)過處理后作為期望信號。期望信號如圖7所示。

圖7 鄉(xiāng)村壞路非勻速工況期望信號

3 道路譜臺架試驗(yàn)

以所選取路段采集的軸頭加速度為期望信號，迭代出四通道臺架的載荷譜驅(qū)動信號。同時(shí)測試的該段路段的道路譜信號經(jīng)過處理后作為期望信號，迭代出四通道臺架的道路譜驅(qū)動信號。分別使用兩種驅(qū)動信號作為輸入進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)，同時(shí)測量試驗(yàn)車輛響應(yīng)信號，并進(jìn)行比較。在臺架上分別進(jìn)行道路譜與載荷譜對比測試，并實(shí)時(shí)采集車輛上相同測點(diǎn)的加速度。臺架試驗(yàn)的照片如圖8所示。

圖8 臺架試驗(yàn)照片

圖9表示鄉(xiāng)村壞路道路譜期望信號與響應(yīng)信號經(jīng)7次迭代后的時(shí)域和頻域?qū)Ρ取?/p>

圖10表示鄉(xiāng)村壞路載荷譜期望信號與響應(yīng)信號經(jīng)11次迭代后的時(shí)域和頻域?qū)Ρ取?/p>

從圖9可以看出，各道路譜的期望信號與響應(yīng)信號在時(shí)域及頻域中均高度擬合，說明利用臺架能復(fù)現(xiàn)道路譜，且復(fù)現(xiàn)的精度較高。同時(shí)迭代次數(shù)少，可以利用道路譜作為迭代期望信號進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

通過迭代獲得驅(qū)動信號后開始進(jìn)行道路臺架模擬試驗(yàn)。圖11為鄉(xiāng)村壞路道路譜驅(qū)動信號和載荷譜驅(qū)動信號的頻譜圖(深色曲線為道路譜，淺色曲線為載荷譜)。從圖中可以看出：低頻時(shí)(一般在6 Hz以下，不同工況有所差別)載荷譜驅(qū)動信號的能量高于道路譜，高頻時(shí)(一般在10 Hz以上)道路譜驅(qū)動信號的能量高于載荷譜。

圖9 鄉(xiāng)村壞路非勻速道路譜期望信號與響應(yīng)信號對比(7次迭代)

圖10 鄉(xiāng)村壞路非勻速載荷譜期望信號與響應(yīng)信號對比(11次迭代)

圖11 鄉(xiāng)村壞路非勻速工況臺架驅(qū)動信號頻譜

本文分別采用頻譜分析和雨流計(jì)數(shù)對道路譜與載荷譜用于臺架耐久性試驗(yàn)響應(yīng)進(jìn)行比較。圖12、13為臺架測試與道路測試鄉(xiāng)村壞路各響應(yīng)點(diǎn)的頻譜圖和雨流圖。圖12、13中：紅色表示實(shí)際道路響應(yīng)信號，藍(lán)色表示用路面譜進(jìn)行臺架試驗(yàn)的響應(yīng)信號，綠色表示用載荷譜進(jìn)行臺架試驗(yàn)的響應(yīng)信號。

從圖12、13中可以看出：用道路譜進(jìn)行臺架試驗(yàn)的加速度響應(yīng)信號在低頻范圍內(nèi)(6 ～10 Hz)能量低于道路實(shí)測信號，而在高頻范圍內(nèi)(10 Hz以上)又高于道路實(shí)測信號。用載荷譜進(jìn)行臺架試驗(yàn)的加速度響應(yīng)信號的頻譜與道路實(shí)測信號一致，其雨流信息也一致。

圖12 鄉(xiāng)村壞路非勻速工況軸頭加速度頻譜圖

圖13 鄉(xiāng)村壞路非勻速工況軸頭加速度雨流圖

5 結(jié)束語

本次試驗(yàn)研究結(jié)果表明，道路模擬試驗(yàn)臺能良好地再現(xiàn)道路譜和載荷譜，可以用道路譜(托盤位移信號)作為迭代目標(biāo)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，且其迭代次數(shù)比載荷譜少，收斂速度比載荷譜快?？梢岳玫缆纷V作為迭代期望信號進(jìn)行道路模擬汽車耐久性試驗(yàn)。同時(shí)也可以看出，用道路譜進(jìn)行臺架試驗(yàn)的加速度響應(yīng)信號與道路實(shí)測型號有差異，可能的原因有：

1) 由于直接用道路譜進(jìn)行臺架試驗(yàn)時(shí)只保留了激光測得的高程信號，并沒有考慮路型的趨勢變化，這可能會造成低頻部分的缺失，從而導(dǎo)致低頻部分能量的不足。

2) 對于高頻部分來說，道路譜直接加載，雖然采用低通濾波濾掉了40 Hz以上的高頻信號，但是對于40 Hz以下的信號，并沒有考慮輪胎的包容特性和懸架的非線性，所以造成能量偏高。

3) 未考慮車輛在行駛過程中的橫向和縱向的沖擊以及懸架特性的影響。

未來的研究中要將上述因素的影響作為考慮的重點(diǎn)。