淺談某自卸車(chē)道路載荷譜采集與處理

李文卿，劉占峰

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

車(chē)輛結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性能一直是車(chē)企及用戶備受關(guān)注的問(wèn)題，隨著汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車(chē)的安全性及可靠性也越來(lái)越得到重視。自卸車(chē)，作為基礎(chǔ)建設(shè)中不可或缺的交通設(shè)備，且因施工環(huán)境的惡劣性，其疲勞耐久性顯得更加重要。

在前期車(chē)輛疲勞耐久性能的研發(fā)過(guò)程中，道路載荷譜的采集是必不可少的。準(zhǔn)確的道路載荷譜的輸入是進(jìn)行車(chē)輛疲勞性能分析的基礎(chǔ)。自20世紀(jì)60代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外根據(jù)道路載荷譜來(lái)研究分析車(chē)輛結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性問(wèn)題[1]。目前，好多研究并不是基于實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)來(lái)得到所需要的載荷譜的，這在疲勞分析的過(guò)程中可能就會(huì)存在一定的誤差。為了能夠較為準(zhǔn)確地反映車(chē)輛在規(guī)定工況下的道路載荷信息，筆者主要介紹了某“8×4”式重型自卸車(chē)在某汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，使用相關(guān)的儀器設(shè)備對(duì)整車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)路試，得到整車(chē)的道路載荷譜并進(jìn)行一系列的修正及后期的處理得到較為合理的道路載荷譜。得到的載荷譜能夠作為臺(tái)架試驗(yàn)或者計(jì)算機(jī)仿真分析的輸入，大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低了成本，帶來(lái)了巨大的效益[2]。

1 傳感器的安裝

載荷譜采集系統(tǒng)與傳感器參考表1所示。

表1 設(shè)備名稱及其用途

1.1 六分力傳感器

六分力傳感器是一個(gè)替代汽車(chē)輪輞中心部分的圓盤(pán)狀傳感器，通過(guò)六組獨(dú)立的應(yīng)變片電橋測(cè)量作用在車(chē)輪中心位置上的力和轉(zhuǎn)矩。在車(chē)輪制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和外傾時(shí)，能夠同時(shí)測(cè)量車(chē)輪的垂直、側(cè)向及縱向的力和轉(zhuǎn)矩。六分力傳感器安裝需要借助適配器，通過(guò)輪輞和輪轂適配器安裝在輪胎上，輪輞適配器用于適應(yīng)不同的輪胎，輪轂適配器用于適應(yīng)不同的車(chē)軸。本次試驗(yàn)配有4個(gè)六分力傳感器，同步采集4個(gè)車(chē)輪的軸頭六分力載荷，針對(duì)“8×4”車(chē)型4個(gè)車(chē)輪，采取第一、三軸左側(cè)車(chē)輪，第二、四軸右側(cè)車(chē)輪進(jìn)行測(cè)量，該載荷可作為整車(chē)激勵(lì)載荷，如圖1所示。

1.2 加速度傳感器

軸頭加速度信號(hào)可以作為整車(chē)輸入的迭代信號(hào)，安裝位置盡可能靠近測(cè)試點(diǎn)位置，安裝方向盡可能與測(cè)試點(diǎn)的方向相同，軸頭加速度傳感器量程盡量不低于20 g，精度高于0.005 g。路面不平度的特征(按照GB/T 7031-2005《機(jī)械振動(dòng)道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告》的路面不平度等級(jí)劃分)可通過(guò)車(chē)輛的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和軸頭的加速度信號(hào)來(lái)間接得到。車(chē)身加速度信號(hào)可以作為整車(chē)的監(jiān)控信號(hào)，車(chē)身加速度傳感器量程盡量不低于10 g，精度高于0.005 g。

1.3 拉線位移傳感器

拉線位移傳感器安裝在各個(gè)懸架上，一段固定在軸頭，另一端固定在軸頭正上方的車(chē)身上，用來(lái)測(cè)量軸頭正上方車(chē)架的位移。第一橋左軸頭正上方車(chē)架位置拉線位移傳感器安裝位置，如圖2所示。

1.4 應(yīng)變片

采集應(yīng)變信號(hào)的零部件主要有車(chē)橋、縱梁、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向臂、鋼板彈簧、平衡梁等，應(yīng)變片粘貼位置可通過(guò)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)、類似產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)、零部件表面涂漆道路試驗(yàn)探測(cè)裂紋、零部件有限元分析等方法確定。應(yīng)變片的安裝位置，如圖3所示。

傳感器安裝完成之后，對(duì)傳感器要進(jìn)行必要的防護(hù)。比如用特定的膠布對(duì)六分力傳感器進(jìn)行防塵、防水處理；在應(yīng)變片表面涂抹特定膠水并粘貼膠布以防止測(cè)試過(guò)程中的脫落等。防護(hù)完成之后要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定與調(diào)零，并做進(jìn)一步的檢查與修改。

圖1 車(chē)輪六分力傳感器安裝位置及狀態(tài)

圖2 拉線位移傳感器 圖3 應(yīng)變片

筆者根據(jù)GB/T 12534-90《汽車(chē)道路試驗(yàn)方法通則》在某車(chē)企試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行載荷譜的采集，共采集7種不同路面的道路載荷譜(見(jiàn)表2)。測(cè)量時(shí)，為保證試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化道路具有較好的重復(fù)性和可靠性，采取以相同的速度通過(guò)相同路面進(jìn)行兩次重復(fù)測(cè)量。

表2 驗(yàn)場(chǎng)各可靠性道路種類及測(cè)試速度

2 載荷譜的處理

通過(guò)觀察eDAQ數(shù)據(jù)采集器及nCode顯示出來(lái)的時(shí)域信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的篩選，提取出合理數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代分析。試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完成之后，由于受外界因素影響的干擾，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可能會(huì)存在一定的誤差，需要用濾波器進(jìn)行去毛刺、去漂移等處理[3]。

2.1 去毛刺處理

在信號(hào)采集過(guò)程中，由于試驗(yàn)場(chǎng)道路測(cè)試環(huán)境的復(fù)雜性以及受到設(shè)備電流等因素的影響，采集的原始信號(hào)中可能會(huì)產(chǎn)生一些頻率高、幅值大和隨機(jī)性強(qiáng)的奇異值，這些信號(hào)便稱為毛刺信號(hào)。毛刺信號(hào)是一種失真信號(hào)，在后期的虛擬迭代過(guò)程中會(huì)嚴(yán)重影響到載荷的分解工作，影響仿真分析的準(zhǔn)確性[3]。

這些毛刺信號(hào)的量值可能會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)正常值范圍，導(dǎo)致后續(xù)仿真分析的準(zhǔn)確性。筆者主要基于nCode數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)信號(hào)進(jìn)行去毛刺處理的置信度為99.73%，如圖4所示。

(a)原始應(yīng)變信號(hào)

(b)去毛刺處理后信號(hào)

2.2 去漂移處理

受到設(shè)備自身固定的缺陷以及工作環(huán)境的影響，采集得到的載荷譜數(shù)據(jù)隨時(shí)間范圍內(nèi)有一個(gè)緩慢變化的過(guò)程，我們把這一現(xiàn)象稱為漂移。漂移的存在可能導(dǎo)致原始信號(hào)的功率譜密度及相關(guān)函數(shù)發(fā)生完全失真。一般我們通過(guò)載荷譜的全周均值與動(dòng)態(tài)均值來(lái)糾正漂移[4]。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章主要介紹了某“8×4”式自卸貨車(chē)載荷譜的采集及后續(xù)數(shù)據(jù)處理過(guò)程。為試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)車(chē)道路載荷譜的采集及提供理論基礎(chǔ)，為計(jì)算機(jī)仿真分析整車(chē)及部件的疲勞耐久性提供了有效的輸入，減短了企業(yè)前期疲勞耐久性試驗(yàn)的周期，為后續(xù)道路載荷譜的采集及處理提供參考。