基于功率譜密度的用戶車輛振動響應(yīng)趨勢分析*

朱淮烽，劉東儉，張榕梁

（中汽研汽車試驗(yàn)場股份有限公司，江蘇 鹽城 224100）

0 引言

可靠性是汽車產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的功能的能力，是衡量汽車產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平的關(guān)鍵指標(biāo)，也是影響產(chǎn)品市場競爭力、塑造產(chǎn)品品牌的重要因素[1]。汽車行業(yè)競爭日益激烈，提高產(chǎn)品的可靠性水平成為整車企業(yè)整體實(shí)力提升的一項(xiàng)重要工作，也是中國汽車產(chǎn)業(yè)由大到強(qiáng)的主攻方向之一。作為汽車可靠性正向開發(fā)的一環(huán)，汽車耐久性試驗(yàn)是在汽車試驗(yàn)場以較短的時間復(fù)現(xiàn)車輛在用戶手中全生命周期內(nèi)的使用狀態(tài)，在產(chǎn)品投入市場前發(fā)現(xiàn)固有缺陷或隱患，并為產(chǎn)品的輕量化設(shè)計、測試開發(fā)提供依據(jù)。為保證汽車耐久性試驗(yàn)規(guī)范可以代表絕大多數(shù)用戶的使用情況，在制定規(guī)范前需要采集大量用戶的載荷數(shù)據(jù)，在隨機(jī)分散的用戶數(shù)據(jù)中統(tǒng)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(biāo)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(biāo)損傷等效轉(zhuǎn)移至汽車試驗(yàn)場工況[2-4]。

周德泉等[5]研究了關(guān)聯(lián)用戶實(shí)際使用的整車結(jié)構(gòu)耐久試驗(yàn)規(guī)范開發(fā)流程，證明的用戶關(guān)聯(lián)的可行性。李文亮等[6]研究了從用戶工況到試驗(yàn)場測試工況轉(zhuǎn)化的定量評價，驗(yàn)證了用戶關(guān)聯(lián)的有效性。但以上研究均是以單一車型的耐久性試驗(yàn)規(guī)范制定為目標(biāo)，其制定出的汽車耐久性試驗(yàn)規(guī)范不具有普適性。為了方便缺少實(shí)際產(chǎn)品和車型數(shù)據(jù)積累的造車新勢力開展相關(guān)試驗(yàn)，需要制定具有普適性的汽車耐久性試驗(yàn)規(guī)范，這要求在用戶數(shù)據(jù)采集之前了解多種車型對用戶載荷數(shù)據(jù)的影響趨勢，明確哪些車型的用戶數(shù)據(jù)可以通用。比如：在相同平臺上開發(fā)的、具有類似動力形式和懸架結(jié)構(gòu)的車型在相同工況下的載荷數(shù)據(jù)也具有相似性，那么這類車型的用戶數(shù)據(jù)可以通用。這樣的結(jié)果可以指導(dǎo)規(guī)范制定者合理設(shè)置用戶采集車輛的數(shù)量，在確保數(shù)據(jù)收斂的情況下減少工作量。為驗(yàn)證這一設(shè)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(yàn)場使用6種車型搭載多個三向加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集4種典型工況的載荷數(shù)據(jù)[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(jī)路面時的振動反饋情況。

1 試驗(yàn)簡介

1.1 數(shù)據(jù)采集方案

根據(jù)汽車可靠性正向開發(fā)的要求，汽車耐久性試驗(yàn)規(guī)范是可以覆蓋90%用戶汽車疲勞損傷強(qiáng)度的“典型工況”，這一損傷強(qiáng)度是在采集大量實(shí)際用戶車輛行駛數(shù)據(jù)后統(tǒng)計、計算出來的[9]。經(jīng)過過往的調(diào)查問卷發(fā)現(xiàn)：一款車型的大多數(shù)目標(biāo)用戶在使用車輛時，會以相似的駕駛習(xí)慣經(jīng)常性通過路面狀況相近的道路，這樣的駕駛工況產(chǎn)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(jié)構(gòu)的情況下，這樣的振動造成的疲勞損傷也應(yīng)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(shù)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(tǒng)，可以直接獲得與道路相互作用的反饋信息[11]。除去發(fā)動機(jī)自身的振動，振動信號由車輪經(jīng)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(guān)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(jī)振動信號的特征，車輛受相同外部因素產(chǎn)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(yàn)在不同型號的車輛軸頭上搭載三向加速度傳感器，連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，按一定車速與載荷要求行駛通過汽車試驗(yàn)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(shù)據(jù)，之后使用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去毛刺、去漂移處理，獲得可用于后期分析使用的“干凈”數(shù)據(jù)。由于采集工況未包含制動工況，且試驗(yàn)道路以直道為主，沒有較大的連續(xù)彎道，所以Z軸方向上的加速度數(shù)值較大、變化特征更為明顯。最終，如圖2通過專業(yè)數(shù)據(jù)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(jī)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(diǎn)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(yàn)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(dú)立、非獨(dú)立懸架配置，用以對比觀察車輛懸架配置對試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果的影響。詳細(xì)車輛信息如表1所示，其中C、D、E三款車型各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置相近，且C、D兩款汽車屬于同平臺車型。試驗(yàn)使用整車耐久性試驗(yàn)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(jī)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(yàn)結(jié)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(jīng)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(dāng)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(xiàn)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(xiàn)能量提升至最高點(diǎn)后下降，并再次出現(xiàn)2～3次較低能量峰值的波動的現(xiàn)象；C、D、F車型均隨著振動頻率的增加，出現(xiàn)能量提升至最高點(diǎn)后直接下降至最低點(diǎn)的現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(jié)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(chǎn)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(chǎn)生的振動反饋特征有明顯區(qū)別，主要表現(xiàn)為能量峰值更高，能量集中的頻率范圍更廣，且出現(xiàn)多次能量峰值較小的波動；（3）與前3款車輛相比，F(xiàn)車型在受到相同外部因素施加后產(chǎn)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(dǎo)致在相同頻率分布上的能量明顯更高。這些現(xiàn)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(jié)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(nèi)部因素的影響，內(nèi)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(dāng)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(qū)別，軸距與載荷相比均遠(yuǎn)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(shù)據(jù)對比與統(tǒng)計收斂，用戶采集數(shù)據(jù)前應(yīng)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(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

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