基于功率譜密度的用戶車輛振動響應趨勢分析*

朱淮烽，劉東儉，張榕梁

（中汽研汽車試驗場股份有限公司，江蘇 鹽城 224100）

0 引言

可靠性是汽車產品在規定的條件下、在規定的時間內完成規定的功能的能力，是衡量汽車產品質量和技術水平的關鍵指標，也是影響產品市場競爭力、塑造產品品牌的重要因素[1]。汽車行業競爭日益激烈，提高產品的可靠性水平成為整車企業整體實力提升的一項重要工作，也是中國汽車產業由大到強的主攻方向之一。作為汽車可靠性正向開發的一環，汽車耐久性試驗是在汽車試驗場以較短的時間復現車輛在用戶手中全生命周期內的使用狀態，在產品投入市場前發現固有缺陷或隱患，并為產品的輕量化設計、測試開發提供依據。為保證汽車耐久性試驗規范可以代表絕大多數用戶的使用情況，在制定規范前需要采集大量用戶的載荷數據，在隨機分散的用戶數據中統計出“典型用戶”的“典型駕駛工況”，由此外推、計算出可以被目標用戶所接受的車輛全生命周期疲勞損傷，最終再將這一目標損傷等效轉移至汽車試驗場工況[2-4]。

周德泉等[5]研究了關聯用戶實際使用的整車結構耐久試驗規范開發流程，證明的用戶關聯的可行性。李文亮等[6]研究了從用戶工況到試驗場測試工況轉化的定量評價，驗證了用戶關聯的有效性。但以上研究均是以單一車型的耐久性試驗規范制定為目標，其制定出的汽車耐久性試驗規范不具有普適性。為了方便缺少實際產品和車型數據積累的造車新勢力開展相關試驗，需要制定具有普適性的汽車耐久性試驗規范，這要求在用戶數據采集之前了解多種車型對用戶載荷數據的影響趨勢，明確哪些車型的用戶數據可以通用。比如：在相同平臺上開發的、具有類似動力形式和懸架結構的車型在相同工況下的載荷數據也具有相似性，那么這類車型的用戶數據可以通用。這樣的結果可以指導規范制定者合理設置用戶采集車輛的數量，在確保數據收斂的情況下減少工作量。為驗證這一設想，需要研究不同車型在相同工況下對路面的振動反饋差異。本文在某汽車試驗場使用6種車型搭載多個三向加速度傳感器和數據采集系統，采集4種典型工況的載荷數據[7-8]，并從軸頭垂向加速度的頻域分析角度展開，以研究車輛行駛通過隨機路面時的振動反饋情況。

1 試驗簡介

1.1 數據采集方案

根據汽車可靠性正向開發的要求，汽車耐久性試驗規范是可以覆蓋90%用戶汽車疲勞損傷強度的“典型工況”，這一損傷強度是在采集大量實際用戶車輛行駛數據后統計、計算出來的[9]。經過過往的調查問卷發現：一款車型的大多數目標用戶在使用車輛時，會以相似的駕駛習慣經常性通過路面狀況相近的道路，這樣的駕駛工況產生的振動反饋是一致的，從疲勞損傷的角度分析，在不考慮零件結構的情況下，這樣的振動造成的疲勞損傷也應該是一致的[10]。但對于不同車型之間的差異及其影響因素，就需要觀察他們在類似工況下的振動反饋是否也具有相似性，并且以車輛行駛時某些具體參數的變化來表征。

車輪是整個汽車中唯一與地面接觸的零件，是車輛對路面最直接的感知系統，可以直接獲得與道路相互作用的反饋信息[11]。除去發動機自身的振動，振動信號由車輪經底盤桿件傳遞至車身，先前的一些研究證明：軸頭加速度信號與車輪受力具有較好的相關性，可以很好的估計車輪載荷情況[12]。因此，車輛軸頭加速信號可以較好地反映隨機振動信號的特征，車輛受相同外部因素產生的振動反饋的一致性，可以顯示為軸頭加速度信號在頻域上能量分布特征的相似性。

如圖1所示，試驗在不同型號的車輛軸頭上搭載三向加速度傳感器，連接數據采集系統，按一定車速與載荷要求行駛通過汽車試驗場的特征壞路，從而采集到特定工況下的軸頭加速度原始數據，之后使用專業數據處理軟件對原始數據進行去毛刺、去漂移處理，獲得可用于后期分析使用的“干凈”數據。由于采集工況未包含制動工況，且試驗道路以直道為主，沒有較大的連續彎道，所以Z軸方向上的加速度數值較大、變化特征更為明顯。最終，如圖2通過專業數據處理軟件生成軸頭加速度信號的功率譜密度圖，可以觀察到隨機振動信號在單位頻率上的能量分布特征[13-15]，也方便對比同一車型在不同特征壞路上的振動能量分布情況，以及不同車型在同一特征壞路上的振動能量分布差異。

圖1 加速度傳感器安裝點位

圖2 功率譜密度分析流程

1.2 車型信息及工況信息

試驗使用市場占有率較高的幾款車型，車型級別包含緊湊型轎車、中型轎車、SUV與皮卡，其前后懸架形式使用不同的幾類獨立、非獨立懸架配置，用以對比觀察車輛懸架配置對試驗結果的影響。車輛加載后稱重，所有車輛總重按大約200 kg左右的梯度差距上升，用以對比觀察車輛載荷對試驗結果的影響。詳細車輛信息如表1所示，其中C、D、E三款車型各項參數設置相近，且C、D兩款汽車屬于同平臺車型。試驗使用整車耐久性試驗中常用的特征壞路工況，包含三種凸起型壞路與一種凹陷型壞路，其中比利時路與鵝卵石路工況輸入的是典型的隨機振動信號，工況信息如表2所示。

表1 車型信息

表2 工況信息

2 試驗結果

各車型在比利時工況下的軸頭垂向加速度信號如圖3所示，從加速度的極值角度觀察，已經可以粗略地看出：不同車型在相同的工況下，車輛的振動加速度極值是有差距的，隨著車輛載荷的增加，加速度極值先降低再增大，即當車輛載荷過小（如F車型）或過大（如A車型）時，相同速度下的車輛振動加速度極值都會較大。

圖3 各車型同工況下的軸頭垂向加速度信號

2.1 同一車型在不同工況下的加速度功率譜密度

A、B、C、F四款車型的軸頭垂向加速度功率譜密度如圖4所示。對比他們在不同工況下的能量分布特征，可見：同款車型在不同工況下能量分布特征相近，其能量峰值出現頻段、能量集中頻率范圍以及能量波動趨勢都有較好的一致性。A、B車型均隨著振動頻率的增加出現能量提升至最高點后下降，并再次出現2～3次較低能量峰值的波動的現象；C、D、F車型均隨著振動頻率的增加，出現能量提升至最高點后直接下降至最低點的現象，期間少有明顯的能量波動。雖然同一車輛在不同道路工況下的能量峰值大小各異，但4款車型在不同工況下的能量峰值大小排序是一致的，均為濺水路工況下的峰值最高，鵝卵石路工況下的峰值最低。綜上，采集車輛使用同種車型時，車輛受外部因素施加后產生的振動反饋一致性較高，且即使是面對不同的特征道路工況，振動反饋仍然可以保持較好的一致性。

圖4 同款車型在各工況下軸頭垂向加速度功率譜密度

2.2 不同車型在相同工況下的加速度功率譜密度

6種車型在相同工況下軸頭垂向加速度功率譜密度如圖5所示，由圖可知：6種車型能量峰值出現的頻段范圍相近，但其能量峰值大小不盡相同。其中C、D、E三款車型的能量變化趨勢、能量峰值和能量集中頻率范圍都較為接近。F車型與這3款車型的能量變化趨勢和能量集中頻率范圍也較為接近，但在相同頻率上的能量數值更大，且為6款測試車型中的最高值。而A、B兩款車型的能量分布特征與其他四款車型有明顯不同，其能量集中頻率范圍更廣，能量波動的次數更多。

圖5 各工況下不同車型的軸頭垂向加速度功率譜密度

結合車型信息來看：（1）C、D、E三款車型的懸架形式、軸距、載荷條件相近，其受外部因素施加后產生的振動反饋特征具有較好的一致性；（2）與前3款車輛相比，A、B車型的懸架形式不同，且載荷明顯偏大，在受到相同外部因素施加后產生的振動反饋特征有明顯區別，主要表現為能量峰值更高，能量集中的頻率范圍更廣，且出現多次能量峰值較小的波動；（3）與前3款車輛相比，F車型在受到相同外部因素施加后產生的振動反饋特征有類似之處，但其懸架形式不同、載荷明顯偏小，導致在相同頻率分布上的能量明顯更高。這些現象說明懸架形式、載荷條件的確會影響到車輛行駛時的振動反饋特征。

3 結束語

（1）同一車型在的振動反饋特征具有較好的一致性，即使是在不完全相同的道路條件下，這樣的一致性仍然可以較好的保持。

（2）不同車型的振動反饋特征受到車輛懸架形式、載荷、軸距等內部因素的影響，內部因素接近的車型在相同工況下的振動反饋特征相近。在相同的情況下，當車輛軸距相差200 mm以上時，振動反饋特征在能量峰值和變化趨勢上有較大的區別，軸距與載荷相比均遠小的車型，相同頻率上分布的能量值可能更高。

（3）為了方便數據對比與統計收斂，用戶采集數據前應約束車輛懸架形式、軸距、載荷等條件，依照諸如級別化、平臺化的原則對車型分類，同類別下的采集數據進行統計分析。

（4）在制定具有普適性的汽車耐久性試驗規范時，應該針對幾種類別的車型分別制定各自的耐久性試驗規范，再通過限定條件的方式將這幾個試驗規范進行融合。