新能源汽車動力總成輕量化懸置路譜采集及處理

張秉虎 王勇 梁天也

摘 要：主要介紹新能源汽車動力總成輕量化懸置路譜載荷采集過程，及動力總成懸置路譜載荷時域信號處理和縮減分析;研究懸置路譜載荷縮減對橡膠損傷和試驗成本的價值，為后續新能源動力總成懸置系統選型和平臺化提供參考依據。

關鍵詞：新能源汽車 懸置系統 路譜載荷 損傷分析 路譜縮減

1 引言

隨著新一輪科技革命和產業變革孕育興起，新能源汽車產業正進入加速發展的新階段，不僅為各國經濟增長注入強勁新動力，也有助于減少溫室氣體排放，應對氣候變化挑戰，改善全球生態環境。新能源汽車電機和減速器系統激勵和傳統燃油車相比呈現明顯的不同，其激勵源主要有電機轉子的旋轉運動加上磁力線切割作用，以及減速器齒輪旋轉受力，此外新能源動力總成振動具有頻率范圍寬，階次激勵源多等特點;從機械動力學角度來看，懸置系統即是激勵源也是受隔振對象，因此設計一套良好新能源動力總成懸置系統，既要滿足懸置系統輕量化要求、動力總成支撐限位和整車NVH，又要滿足產品耐久[1];新能源動力總成懸置受力復雜，其載荷受到電機、減速器及傳動軸重量、扭轉、階次激勵及車輛速度和不同路況等多因素影響，通過動力學軟件不足以精確模擬載荷，因此新能源汽車動力總成懸置載荷采集和分析在懸置系統開發中不可或缺[2]。

本文主要介紹輕量化懸置路譜采集和路譜縮減分析方法;通過對傳感器選擇、路譜采集工裝設計分析、主要路況采集、時域信號處理及路譜縮減研究，為后期新能源汽車輕量化懸置系統平臺化及開發提供了參考依據。

2 路譜采集前期準備

路譜采集需根據客戶要求選擇采集車輛的狀態和采集工況等，制定傳感器型號、采集點位置及工裝設計的技術方案，檢查工裝預裝和數據預采集有無異常，并羅列采集清單。

2.1 采集工況的確認

懸置路譜采集工況主要由客戶確認針對新能源汽車動力總成輕量化懸置系統工況條件，如綜合工況和強化壞路扭曲路、石塊路、卵石路、砂石路、搓板路、長波路的車速及里程數，以滿足此產品質保期;

2.2 路譜采集傳感器選擇

懸置路譜采集傳感器三向解耦的三分力傳感器表1，輸出時域信號為力（N）。

2.3 采集路譜工裝設計

采集路譜工裝設計主要考慮以下幾個方面：

（a）依據輕量化懸置結構設計，見圖1;路譜工裝設計主要剛性連接三分力傳感器，采集動力總成主動激勵力，見圖2。

（b）采集路譜工裝模態和強度分析，見圖-3;路譜工裝滿足最大工況力要求，路譜工裝強度不足可能造成路譜工裝斷裂，損壞傳感器或者其他部件;路譜工裝滿足模態要求，路譜工裝模態不足可能由局部共振引起采集載荷力疊加，造成數據不準確。

（c）滿足傳感器不受任何損壞，與工裝聯接只能通過傳感器的安裝面，非安裝面必須保留足夠的安裝間隙，傳感器必須有定位設計，不能產生轉動或滑移。

（d）設計工裝時要預先確定好傳感器的安裝方向和整個系統的裝配順序，確保裝配順暢，并記錄傳感器方向與整車坐標的對應關系。

3 動力總成懸置路譜采集

本文主要介紹新能源動力總成輕量化懸置路譜采集包含三個方向X、Y、Z載荷力;路譜設備采用SoMat eDAQ數采儀，采集前檢查各傳感器的設置方向，預采一段進行核對，以免方向混淆，需將傳感器清零（傳感器長時間工作會產生偏移）;

4 懸置路譜采集時域信號處理

懸置路譜采集的載荷時域信號，因駕車操作不規范及儀器使用環境變化，采集員測試過程中操作失誤導致意外中斷，或者測試數據存在偏移等，需要對路譜時域信號進行預處理。本文使用nCode Glyhworks軟件進行異常峰值信號，毛刺，數據漂移，刪除無效數據，對路譜載荷信號預處理，為下一步路譜載荷信號分析奠定基礎[3]。

4.1 毛刺探測和無效信號處理

毛刺探測主要測試，變換或者傳輸過程中出現干擾和偶然錯誤造成的，這主要是應變式三分力測試信號中很常見，因為測試值為毫伏，極容易被外界電子噪聲所干擾，此時需要確認時域信號的毛刺現象是否為真實工況前具有統計意義。毛刺漂移探測和刪除過程中，經驗和對各個采集路譜的熟悉同樣不可或缺;必須正確辨別哪些信號波峰和波谷是正常時域信號，哪些是毛刺[4]。

毛刺的探測和消除一般使用萊茵達準則，萊茵達準則主要適用于大樣本測定，故本文使用萊茵達準則探測和處理路譜中毛刺。

對于采集的一組數據x1，x2…xn，計算其評價值和標準差，即：

x_=∑in=1xi （1）

（2）

利用萊茵達準則，當|xi-x—|>3δ時，認為該點為毛刺，反之認為為正常點。探測到毛刺趨于后，可以刪除毛刺點，并用正弦曲線連接剩余各點[5]。

4.2 數據漂移和mean值異常

路譜數據中的時域信號漂移也是很常見的，環境及機艙內高溫條件下，可能導致應變片和被測部件的膨脹程度不協調，應變片輸出數據就可能發生漂移。數據漂移一般是低頻的，可以使用高通濾波器，可以去除均值漂移。

5 懸置路譜載荷縮減

5.1 時域信號縮減

零件的疲勞損傷大部分都是來自原始數據中的大載荷，有很多的小載荷（例如平滑路面）

對損傷的貢獻很小而又占用了大部分的時間，這部分的數據應該被縮減掉，以達到試驗能快速準確的完成，如圖7;時域信號路譜疲勞試驗為高周疲勞，最大應變力遠低于材料極限強度，試驗循環次數遠大于104，故一般采用S-N曲線描述橡膠材料的高周疲勞特性，FEA分析橡膠主簧載荷-應力值;輸入S-N參數或曲線;分析路譜縮減前后損傷值不大于1或者損傷比不大于10%。

5.2 時域信號路譜迭代分析

對路譜數據進行快速FFT分析可以清楚看出路譜數據的能量分布，根據能量分布可以選擇迭代時使用的最高頻率，也可以判斷數據是否異常如圖8;路譜數據采集頻率一般都不高，路譜本身的頻率也比較低，而MTS設備在40Hz以下迭代比較穩定，為確保迭代能順利進行需要對數據進行40Hz的低周濾波以及204.8Hz的重采樣如圖9。

5.3 路譜載荷block縮減

路譜載荷block縮減一般由路譜時域信號轉化而來，也能夠較為真實的體現零部件的實際車上不同工況下的受載情況，實驗周期較時域信號路譜縮減大大縮減，雨流計數法對路譜分析過程中，會丟失路譜頻率信息;損傷等效過程中的人為參與因素較多，不同工程師的統計結果缺乏一致性;低周疲勞一般是指材料所受的應力水平較高，斷裂前循環次數較少，一般不超過104，每次循環塑性變形較大，低周破壞是塑性變形累積的結果，因此常用E-N曲線描述橡膠材料的低周疲勞特性;FEA分析橡膠主簧載荷-應變值;輸入E-N參數或曲線;分析路譜縮減前后損傷值不大于1或者損傷比不大于10%;如圖10路譜載荷block縮減流程圖。

6 懸置路譜疲勞試驗

路譜載荷疲勞模擬試驗通過迭代后的路譜進行疲勞試驗，真實體現輕量化支架和橡膠主簧在路面工況下的受載;試驗周期較長，一般疲勞壽命驗證需要一個月以上，不便于快速找出零件失效風險，如圖11;路譜載荷block縮減也可較真實體現實車不同路況載荷，雖然雨流統計對路譜分析存在有丟失路譜頻域現象，但可較快找出輕量化懸置主要問題;為前期產品性能調試大大縮短了周期，如表2。

7 結語

本文介紹了新能源汽車動力總成輕量化懸置路譜采集過程，以及路譜載荷時域信號的分析處理方法，時域信號縮減和損傷及block縮減和損傷的方法及疲勞模擬道路試驗的優缺點;為后續輕量化懸置路譜采集分析試驗及輕量化結構設計提供了參考，同時根據時域信號縮減和block縮減和模擬試驗對比，為后期不同項目進度和試驗成本采取不同縮減方法提供參考，探索了輕量化懸置載荷分布規律，提取了懸置載荷關鍵控制因素，為后續新能源輕量化懸置選型和平臺化提供了參考依據。

參考文獻：

[1]倪振華.振動力學[M].西安交通大學出版社，1986：6-14.

[2]呂振華，羅捷，范讓林.汽車動力總成 一懸置系統隔振設計分析方法[J]中國機械工程，2003，14（3）：264-270.

[3]毛顯紅，肖攀.基于道路譜的汽車車身疲勞分析[J].計算機輔助工程 2011（6）：75-78.

[4]梅英豪，閻礁.動力總成懸置系統道路載荷譜采集與分析[D].上海汽車2015：8-9.

[5]何平.剔除測量數據中異常值的若干方法[J].航空計測技術，1995（2）：18-24.