車身部件振動(dòng)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室模擬方法研究

鄭松林， 王洪海， 馮金芝， 王一凡

（1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海理工大學(xué)機(jī)械工業(yè)汽車底盤機(jī)械零部件強(qiáng)度與可靠性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；3.上海大眾汽車有限公司，上海 201805）

車身部件振動(dòng)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室模擬方法研究

鄭松林1，2， 王洪海1， 馮金芝1，2， 王一凡3

（1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海理工大學(xué)機(jī)械工業(yè)汽車底盤機(jī)械零部件強(qiáng)度與可靠性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；3.上海大眾汽車有限公司，上海 201805）

以某轎車后視鏡為例，研究車身部件道路振動(dòng)信號(hào)的實(shí)驗(yàn)室模擬方法.首先進(jìn)行室外后視鏡振動(dòng)信號(hào)譜測(cè)取，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理與分析，獲取信號(hào)的表征參數(shù)與特征；然后，根據(jù)能量等效和隨機(jī)振動(dòng)的等價(jià)模擬原則，將室外道路振動(dòng)信號(hào)與室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，確定室內(nèi)外當(dāng)量關(guān)系.

轎車后視鏡；信號(hào)譜；振動(dòng)試驗(yàn)；當(dāng)量關(guān)系

目前，我國(guó)薄弱的汽車整車和零部件振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)長(zhǎng)期制約著國(guó)內(nèi)整車開發(fā)的水平.隨著汽車電子電器零部件在國(guó)內(nèi)外的迅速發(fā)展，這些零部件對(duì)汽車的安全性以及整車性能的影響越來越明顯.傳統(tǒng)的汽車道路試驗(yàn)不能滿足當(dāng)今汽車快速、高水平的開發(fā)需求，迫切需要開發(fā)汽車電子電器零部件的道路振動(dòng)信號(hào)譜，研究室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)，以滿足日益增加的新產(chǎn)品開發(fā)需求，提升競(jìng)爭(zhēng)能力.

與汽車上的金屬零部件不同，汽車電子電器零部件不能從傳統(tǒng)的損傷角度來分析信號(hào)，而是應(yīng)該從能量角度分析加速度信號(hào).本文以某轎車后視鏡為對(duì)象，測(cè)取試車場(chǎng)加速度信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析后，與室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，確定室內(nèi)外當(dāng)量關(guān)系.

1 原始信號(hào)譜采集

道路載荷譜采集路況選擇上海大眾試車場(chǎng)SVP路面（強(qiáng)化路面），共設(shè)有15種特種路面，包括混凝土駝峰路、拱形不平整路、比利時(shí)路、搓板路、鹽水通道、斜向坑洼路及鐵路道口等，以每8圈為1個(gè)循環(huán)，每圈2.1 km，1個(gè)循環(huán)共16.8 km，每個(gè)循環(huán)的行駛方式和行駛車速按照上海大眾試車場(chǎng)規(guī)范進(jìn)行.

基于外后視鏡實(shí)際使用情況的反饋和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，選擇外后視鏡與車身連接處的前立柱作為加速度傳感器貼片的位置，采用3個(gè)單向壓電式加速度傳感器來進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)測(cè)量，如圖1所示.通過信號(hào)處理軟件將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，采樣頻率為1 000 Hz.

試驗(yàn)車輛使用60%的載重，配重方案按照前排駕駛員85 kg，副駕駛員85 kg，后排右側(cè)75 kg，其余質(zhì)量放入行李箱來實(shí)施.如果此時(shí)行李箱中的總質(zhì)量大于100 kg，則從行李箱拿出75 kg放在后排左側(cè).如果此時(shí)行李箱中的總質(zhì)量仍然大于100 kg，則應(yīng)從行李箱中再取出75 kg放在后排中間.測(cè)量?jī)x器固定在副駕駛座或后排右側(cè)座椅上，在配重時(shí)，應(yīng)把測(cè)量?jī)x器質(zhì)量計(jì)算入內(nèi).在無特殊要求的情況下，所有試驗(yàn)車都應(yīng)使用油箱蓋板內(nèi)所示的滿載胎壓.

圖1 外后視鏡測(cè)點(diǎn)位置Fig.1 Test points of automobile rearview mirror

2 信號(hào)譜處理分析

為了獲得目標(biāo)信號(hào)譜，以便與國(guó)外汽車電子電器零部件室內(nèi)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)比較，需要將試車場(chǎng)測(cè)量得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對(duì)比選擇出最好的振動(dòng)信號(hào)［1-3］.

首先，對(duì)信號(hào)譜進(jìn)行一般的預(yù)處理，如信號(hào)的修正、突變信號(hào)的消除和偏移信號(hào)的調(diào)整，同時(shí)剪切掉大幅度的加減速、過彎、扭轉(zhuǎn)等信號(hào)；其次，由于很多道路工況是重復(fù)的，還需要對(duì)重復(fù)工況進(jìn)行分析和比較，選擇最合適的信號(hào)作為該工況下的典型振動(dòng)信號(hào).

統(tǒng)計(jì)各工況下加速度信號(hào)的均方根值（RMS），通過比較均方根值來選擇各工況下的典型振動(dòng)信號(hào)，以彎道工況下的分析為例，各組信號(hào)均方根值如表1所示.

由表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，彎道工況下第5圈的各通道的均方根值與該工況下均方根值均值數(shù)據(jù)最接近，故選擇第5圈信號(hào)文件作為彎道工況下的典型信號(hào).

將各個(gè)工況下的典型信號(hào)拼接在一起，得到SVP道路試驗(yàn)前立柱信號(hào)譜，如圖2所示（見下頁(yè)）.

表1 彎道工況下各組信號(hào)均方根值Tab.1 RMS of bend condition signal

圖2 SVP道路試驗(yàn)前立柱信號(hào)譜Fig.2 Signal spectrum of frant pinllar in SVP road test

3 SVP道路信號(hào)譜特征值統(tǒng)計(jì)

大量實(shí)踐表明，汽車在3個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)中，垂直方向的振動(dòng)量最大，其余2個(gè)方向振動(dòng)量相對(duì)較小，所以，試驗(yàn)臺(tái)主要復(fù)現(xiàn)垂直的Z方向上的振動(dòng)［4］.在對(duì)道路試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較的時(shí)候主要考慮垂直的Z方向上的振動(dòng).

對(duì)SVP道路試驗(yàn)前立柱Z方向上信號(hào)譜進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示.

圖3 SVP 道路試驗(yàn)前立柱信號(hào)加速度 時(shí)間歷程均值幅值雨流計(jì)數(shù)圖Fig.3 Rain flow counting chart of frant pinllar in SVP road test

對(duì)圖3的雨流計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行特征值統(tǒng)計(jì)，可得前立柱Z方向上信號(hào)譜特征統(tǒng)計(jì)值，如表2所示，其中，采集到的Z方向加速度信號(hào)的循環(huán)數(shù)為101 070.

表2 SVP道路試驗(yàn)前立柱信號(hào)Z向加速度 時(shí)間歷程特征值統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistical characteristics of frant pinllar in SVP road test

4 室內(nèi)外當(dāng)量關(guān)系建立

4.1 室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與信號(hào)譜對(duì)比分析

a.從均方根值來看，由表2中數(shù)據(jù)可以得到前立柱信號(hào)譜的加速度信號(hào)均方根值的統(tǒng)計(jì)值為2.76 m／s2，而室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中加速度均方根值為27.8 m／s2，室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的加速度均方根值與試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)的均方根值相比較，提高了約10倍.

b.從功率譜密度曲線的形狀趨勢(shì)來看，室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的功率譜密度曲線與試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)的功率譜密度曲線從形狀趨勢(shì)上來看基本符合，圖4為功率譜密度對(duì)比圖.

分析圖4中室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)曲線可以看出，10 Hz以下能量被忽略，這是因?yàn)檩喬ヒ约皯覓煜到y(tǒng)等基本將這部分能量過濾掉了［5-6］；AB段頻率范圍為10～55 Hz，此范圍能量占61%，主要是路面不平度所產(chǎn)生的激勵(lì)在這段頻率范圍內(nèi)對(duì)車身振動(dòng)影響較大，而輪胎的一階固有頻率基本在55 Hz左右［7］，因此，室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)曲線在55 Hz處轉(zhuǎn)折；BC段頻率范圍為55～180 Hz，此范圍能量占21.1%，也主要是因?yàn)槁访娌黄蕉鹊挠绊懸约拜喬サ那皫纂A固有頻率基本都分布在這個(gè)范圍內(nèi)，與AB段對(duì)比，本段頻率范圍內(nèi)路面不平度有所改善以及車速有所提高，所以，激勵(lì)頻率上升；CD段頻率范圍為180～300 Hz，此范圍能量占總能量的4.2%，呈現(xiàn)為一段水平線，主要是因?yàn)槁访娌ㄩL(zhǎng)較小，車速進(jìn)一步提高使激勵(lì)頻率上升至本段，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)情況減輕，所以，占總能量較少；DE段頻率范圍為300～360 Hz，此范圍能量占總能量的2.7%，路面情況良好，車速較快，振動(dòng)輕微；EF段頻率范圍為360～1 000 Hz，此范圍一般為路面情況非常好，車速很快情況下所產(chǎn)生的激勵(lì)，但因頻率范圍跨度較大，這段能量占總能量的11%.室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的功率譜密度曲線中各個(gè)頻段能量統(tǒng)計(jì)如表3所示.

圖4 功率譜密度曲線對(duì)比圖Fig.4 Comparison diagram of power spectral density curives

表3 室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的功率譜密度曲線中各個(gè)頻段能量統(tǒng)計(jì)Tab.3 Energy statistics of each frequency range in bench test

道路信號(hào)譜的功率譜密度曲線中各個(gè)頻段能量統(tǒng)計(jì)如表4所示.由于SVP路面不平度較大，振動(dòng)比較劇烈，同時(shí)試驗(yàn)車速較低，所以，在低頻段能量所占比重較大，中、高頻段能量所占比重較小［8］.由于室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)整車電子電器零部件的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，本道路試驗(yàn)只是針對(duì)某款車型外后視鏡進(jìn)行了分析，所以，具體數(shù)據(jù)上也有所差異，這是可以接受的.

表4 道路試驗(yàn)的功率譜密度曲線中各個(gè)頻段能量統(tǒng)計(jì)Tab.4 Energy statistics of each frequency range in road test

c.從功率譜密度譜峰頻率值上來看，由圖4可以看出，SVP道路試驗(yàn)的前立柱信號(hào)的功率譜密度曲線峰值頻率約為10 Hz，與室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的功率譜密度曲線峰值頻率相等.

d.對(duì)功率譜密度線性曲線進(jìn)行積分計(jì)算，可知試車場(chǎng)道路試驗(yàn)加速度信號(hào)譜的總能量約為7.98（（m·s-2）2·Hz-1·s），而室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的總能量統(tǒng)計(jì)得到約為790.8（（m·s-2）2·Hz-1·s）.得到室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)的能量值比試車場(chǎng)道路試驗(yàn)的能量值提高了約100倍.由于當(dāng)振動(dòng)量值強(qiáng)化h倍，功率譜密度能量提高h(yuǎn)2倍，所以，得到振動(dòng)能量提高了100倍時(shí)，加速度信號(hào)強(qiáng)化了10倍，與信號(hào)均方根值特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果相同.

4.2 室內(nèi)外當(dāng)量關(guān)系的建立

通過以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了較大的加速系數(shù)，反映了汽車道路行駛的振動(dòng)特征，與試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)具有良好的相關(guān)性.

室內(nèi)外當(dāng)量關(guān)系可以確定為：室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)當(dāng)量于試車場(chǎng)道路試驗(yàn)的10倍，而試車場(chǎng)與用戶道路的當(dāng)量關(guān)系約為20倍，所以，得到室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)當(dāng)量于用戶道路200倍.

5 結(jié) 論

通過對(duì)某轎車后視鏡試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)實(shí)測(cè)振動(dòng)信號(hào)，同室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析和比較，建立轎車后視鏡室外試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)與室內(nèi)臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)的當(dāng)量關(guān)系，為汽車電子電器零部件道路振動(dòng)環(huán)境的模擬提供了參考.

由于外后視鏡屬于汽車電子電器零部件，是非金屬件，不能從傳統(tǒng)的等損傷原理來分析振動(dòng)信號(hào)，所以，本文在分析振動(dòng)信號(hào)過程中主要采用能量等效以及載荷特征值統(tǒng)計(jì)等效的原理，確定了轎車后視鏡室內(nèi)外當(dāng)量關(guān)系，為國(guó)內(nèi)汽車電子電器零部件振動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展提供了參考.

［1］ 張基金.載荷譜的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［J］.工程機(jī)械，1996，27（6）：19-20.

［2］ 王霄峰.汽車可靠性工程基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［3］ 成永剛，鄭松林，馮金芝，等.轎車懸架耐久性試驗(yàn)載荷譜的優(yōu)化研究［J］.汽車工程，2009，31（5）：467-470.

［4］ 應(yīng)懷樵.現(xiàn)代振動(dòng)與噪聲技術(shù)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1997.

［5］ Sonsino C M，Pfohl R.Multi-axial fatigue of welded shaft-flange connections of stirrers under random nonproportional torsion and bending［J］.Int J Fatigue，1990，12（5）：425-431.

［6］ 郭應(yīng)時(shí)，袁偉.汽車試驗(yàn)學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［7］ 顧柏良，魯三才，F(xiàn)isher G，等.在中國(guó)使用條件下汽車零部件設(shè)計(jì)譜和試驗(yàn)譜的確定［J］.汽車工程，1996，18（2）：65-71.

［8］ 曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2001.

（編輯：石 瑛）

Lab-scale Simulation Methods of Road Vibration Environment of Body Parts

ZHENGSong-lin1，2， WANGHong-hai1， FENGJin-zhi1，2， WANGYi-fan3
（1.School of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Machinery Industry Key Laboratory for Mechanical Strength&Reliability Evaluation of Auto Chassis Components，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；3.Shanghai Volkswagen Automotive Co.，Ltd.，Shanghai 201805，China）

Lab-scale simulation methods of road vibration signal of body parts were discussed，taking the rearview mirror of a certain car as an example.The outdoor signal spectrum of rearview mirror was gathered，processed and analyzed to obtain its characterization parameters and characteristics.Based on the energy equivalent principle and the random vibration test equivalent conditions，the equivalent relationship was obtained by comparison of outdoor vibration test results with indoor vibration test standards.

automobile rearview mirror；signal spectrum；vibration test；equivalent relationship

U 163.85+6；U 467.3

A

2013-09-18

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）重大項(xiàng)目（2011AA11A265，2012AA110701）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50875173）；上海市科委基礎(chǔ)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目（11140502000&10JC1411600）；上海市汽車工業(yè)科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目（1104）；上海市教委重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目（J50503）

鄭松林（1958-），男，教授.研究方向：車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.E-mail：songlin_zheng＠126.com

1007-6735（2014）04-0366-04

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.012