基于道路模擬的汽車平順性臺架試驗開發(fā)

馬 立 英

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院中心實驗室, 上海 201804)

基于道路模擬的汽車平順性臺架試驗開發(fā)

馬 立 英

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院中心實驗室, 上海 201804)

從試驗教學(xué)角度出發(fā)，面向本科生，提出了汽車平順性臺架試驗的方法和流程。借助實驗室現(xiàn)有的大型儀器設(shè)備整車道路模擬試驗臺，通過對其道路模擬功能的梳理，結(jié)合汽車平順性試驗標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了從道路運(yùn)行再現(xiàn)、測點(diǎn)選擇與傳感器布置到數(shù)據(jù)處理評價的一般方法設(shè)計和開發(fā)。結(jié)果表明，借助道路模擬試驗臺開展汽車平順性試驗教學(xué)，把室外試驗場試驗搬進(jìn)了室內(nèi)，增加了試驗安排的靈活性和學(xué)生動手參與的機(jī)會，在踐行教學(xué)目標(biāo)的同時，讓學(xué)生有條件接觸科技前沿的技術(shù)手段和方法，是基于試驗教學(xué)的學(xué)生專業(yè)實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的初步探索和嘗試。

汽車平順性; 試驗開發(fā); 道路模擬

0 引 言

汽車平順性反映的是汽車在行駛過程中，由于路面不平引起的振動和沖擊對乘員舒適性的影響，是現(xiàn)代汽車的主要性能之一，也是關(guān)系到汽車質(zhì)量和市場競爭力的重要因素之一[1-3]。對于車輛工程專業(yè)的本科生而言，這是一個必修的試驗項目。

如何充分利用科研實驗室優(yōu)質(zhì)儀器設(shè)備設(shè)施資源，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的本科生在高等教育中顯得尤為重要[4-5]。傳統(tǒng)的汽車平順性試驗是在室外進(jìn)行的，它的優(yōu)點(diǎn)是貼近實際、現(xiàn)場感強(qiáng)；缺點(diǎn)是受限于場地、氣候因素以及學(xué)生安全的考慮，試驗安排受限，課程開展僅僅停留在演示階段，學(xué)生在整個試驗過程中參與度低，對試驗過程認(rèn)識不深，達(dá)不到應(yīng)有的教學(xué)效果。

本文結(jié)合同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院中心實驗室的四通道道路模擬試驗臺，把原來在室外進(jìn)行的汽車平順性試驗搬到室內(nèi)的試驗臺架上[6]，由于不存在場地選擇和氣候因素的影響和限制，教學(xué)設(shè)計上，試驗安排的靈活性和學(xué)生的參與度都大大增加，學(xué)生在掌握汽車平順性試驗原理和方法的同時，還增加了對先進(jìn)大型儀器設(shè)備技術(shù)手段的認(rèn)識和了解，有助于學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域的實踐創(chuàng)新和視野拓展,提升就業(yè)競爭力。

1 道路模擬試驗臺原理及組成

本文所述試驗臺系統(tǒng)為電液伺服控制四通道道路模擬試驗臺, 它可以模擬并再現(xiàn)整車或總成部件實際道路運(yùn)動特性，廣泛用于整車和部件總成的動力學(xué)特性研究和可靠性疲勞耐久分析與評價[7-10]。

該試驗臺系統(tǒng)如圖1所示，主要由作動器、控制系統(tǒng)、主計算機(jī)和動力供給系統(tǒng)四部分構(gòu)成。作動器為電液伺服控制的線性往復(fù)運(yùn)動油缸,一共有4個,分別通過與油缸活塞相連的托盤承載試驗車輛的4個車輪；控制系統(tǒng)主要由8800控制器組成，通過GPIB接口與客戶端主機(jī)通信，實現(xiàn)各通道的信號控制和傳輸；主控計算機(jī)集成有RS Console和Labsite 軟件系統(tǒng),用于試驗配置及功能操控。動力供給系統(tǒng)由一套徑向柱塞泵驅(qū)動的液壓泵站系統(tǒng)構(gòu)成，用于提供作動器運(yùn)動所需的液壓能[11]。

圖1 道路模擬試驗臺系統(tǒng)

2 基于試驗臺的平順性試驗開發(fā)與設(shè)計

以GB/T4970《汽車平順性試驗方法》[12]為依據(jù)確立試驗教學(xué)方案，完成試驗設(shè)計。為了能夠在室內(nèi)試驗臺上進(jìn)行汽車平順性試驗，需要在室內(nèi)道路模擬試驗臺上再現(xiàn)汽車道路行駛時的運(yùn)動狀態(tài)，通過安裝在試驗車目標(biāo)座椅上的加速度傳感器，進(jìn)行汽車平順性試驗的數(shù)據(jù)采集，并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法完成汽車平順性評價。綜上所述，整個試驗過程可分解為道路模擬、測點(diǎn)選擇及傳感器布置、汽車平順性分析與評價。

2.1 道路模擬(即目標(biāo)譜再現(xiàn))

以實際道路采集的車輪軸頭位移信號為道路模擬目標(biāo)譜,將試驗車輛放置在試驗臺上,4個車輪分別對應(yīng)試驗臺的4個作動器油缸托盤,通過試驗臺基于TWR技術(shù)的道路模擬功能,實現(xiàn)道路目標(biāo)譜再現(xiàn)。該過程由系統(tǒng)識別SI和目標(biāo)模擬TS兩部分組成。

系統(tǒng)識別工作流程如圖2所示。首先，人為生成一個白粉紅噪聲信號，把它作為系統(tǒng)的激勵或輸入信號，通過采集系統(tǒng)在激勵作用下4個車輪軸頭的響應(yīng)信號，根據(jù)已知的輸入和輸出，即可求解系統(tǒng)特性，完成系統(tǒng)識別。這里用頻響函數(shù)FRF表征系統(tǒng)特性，在數(shù)學(xué)描述上它是一個4×4矩陣。特別要說明的是這里的系統(tǒng)是指包括試驗車輛在內(nèi)的試驗臺系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)識別工作流程圖

在完成系統(tǒng)識別的基礎(chǔ)上，就可以進(jìn)行目標(biāo)模擬了，其工作流程如圖3所示。頻域里系統(tǒng)、輸入和輸出的關(guān)系可用下式描述:

(1)

式中:H(f)、X(f)和Y(f)分別為系統(tǒng)、輸入(激勵)和輸出(響應(yīng))的頻域表征。由此可知，通過系統(tǒng)識別獲得了系統(tǒng)特性，即系統(tǒng)已知；把外場某典型道路采集的4個車輪軸頭位移信號作為已識別系統(tǒng)的目標(biāo)響應(yīng)信號，即輸出已知；所以目標(biāo)模擬實際上是一個求可以再現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)響應(yīng)的輸入的過程，即驅(qū)動文件的求解過程。首次激勵由系統(tǒng)和目標(biāo)響應(yīng)按下式求得：

(2)

式中：H-1(f)為表征系統(tǒng)的頻響函數(shù)的逆；X1(f)、YT(f)分別為首次激勵(輸入)信號及目標(biāo)響應(yīng)(輸出)信號的頻域表征。

圖3 目標(biāo)模擬工作流程圖

用獲得的首次激勵驅(qū)動(試驗臺+車)系統(tǒng)，采集試驗車軸頭目標(biāo)信號位置的實際響應(yīng)輸出，并把該測量響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)進(jìn)行比較，其差值用于激勵信號的修正，用修正后的激勵信號再驅(qū)動系統(tǒng)，同時測量軸頭響應(yīng)，并與目標(biāo)響應(yīng)求偏差，再次修正激勵信號。這是一個迭代的過程，可能需要幾步、數(shù)十步或更多步，這主要取決于系統(tǒng)的線性化程度。該過程涉及計算可用下式描述：

(3)

(4)

式中：yT(t)為目標(biāo)響應(yīng)信號的時域表征；xi(t)、yi(t)分別為第i步的驅(qū)動信號和相應(yīng)軸頭測量的響應(yīng)信號；xi+1(t)為第i+1步的驅(qū)動信號；ei(t)為第i步軸頭測量信號與目標(biāo)響應(yīng)信號的偏差。

通過道路目標(biāo)譜再現(xiàn)環(huán)節(jié)，獲得了可以再現(xiàn)目標(biāo)道路振動的試驗臺驅(qū)動信號文件，至此，汽車平順性試驗的臺架試驗條件準(zhǔn)備完成。

2.2 測點(diǎn)選擇及傳感器布置

汽車平順性試驗考量的是乘員或駕駛員的乘坐舒適性,因此測點(diǎn)需布置在目標(biāo)座椅上。按照GB/T4970規(guī)定,座椅上的測點(diǎn)位置有3個,分別是座椅座墊上方、座椅靠背和腳支撐地板處。每個測點(diǎn)有3個信號采集通道，用于采集x、y、z3個方向的加速度振動信號(見圖4，其中下標(biāo)s、b、f分別表示座椅座墊、座椅靠背、腳支撐處)[12-15]。

圖4 測點(diǎn)位置及采集通道示意圖

本教學(xué)試驗的目的是讓學(xué)生熟悉汽車平順性的試驗流程，因此不必采集所有測點(diǎn)通道?？筛鶕?jù)學(xué)時安排，選擇有代表性的測點(diǎn)和通道?？紤]實際學(xué)時有限，本試驗項目選擇座椅、座墊為目標(biāo)測點(diǎn)位置，完成數(shù)據(jù)采集和基于該目標(biāo)位置的汽車平順性評價。用道路模擬獲得的驅(qū)動信號激勵(試驗臺+試驗車)系統(tǒng)振動，選用YD-232專用加墊三向加速度傳感器測量目標(biāo)座椅坐墊加速度振動信號，選用INV306U智能信號采集處理分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,試驗要求數(shù)據(jù)采集截止頻率fc≤90 Hz。

2.3 汽車平順性分析與評價

根據(jù)上述信號數(shù)據(jù)采集結(jié)果，分以下3個步驟完成汽車平順性分析與評價：

(1) 計算各通道方向加速度加權(quán)均方根值。對采集的座椅加速度信號進(jìn)行時頻轉(zhuǎn)換，再按1/3倍頻帶劃分23個頻帶(按最高截止頻率為90 Hz劃分)，按下式依次進(jìn)行各頻帶加速度均方根值計算和各頻段加權(quán)：

(5)

(6)

各通道根據(jù)實際采集信號的方向選取不同的加權(quán)系數(shù)，具體各頻段加權(quán)系數(shù)在GB/T4970中已給出，表1給出部分?jǐn)?shù)據(jù)[12]。

表1 座椅座墊上方加速度1/3倍頻帶加權(quán)系數(shù)表

(2) 計算目標(biāo)位置總加權(quán)加速度均方根值。對按步驟(1)計算得到的各通道方向加速度加權(quán)均方根值按下式完成總加權(quán)加速度均方根值計算：

(7)

(3) 根據(jù)步驟(2)計算得到的總加權(quán)加速度均方根值，按表2[12-15]完成目標(biāo)車輛目標(biāo)座椅、座墊舒適性評價，即座椅目標(biāo)位置的汽車平順性評價。

表2 總加權(quán)加速度均方根值與人的主觀感覺之間的關(guān)系

3 結(jié) 語

在車輛工程專業(yè)本科生試驗課程教學(xué)中，引入大型先進(jìn)儀器設(shè)備進(jìn)行試驗教學(xué)是一種教學(xué)嘗試，也是科技進(jìn)步對試驗教改的必然推動。借助室內(nèi)道路模擬試驗臺進(jìn)行汽車平順性試驗教學(xué)，一改演示為主的教學(xué)模式，學(xué)生在教師指導(dǎo)下分批次進(jìn)行試驗，參與動手，完成目標(biāo)測點(diǎn)傳感器布置、道路目標(biāo)譜播放、數(shù)據(jù)采集全過程，課后需根據(jù)提供的Matlab程序獨(dú)立完成試驗數(shù)據(jù)處理并給出結(jié)果評價，提交試驗報告。課程試運(yùn)行效果很好，在踐行教學(xué)目標(biāo)的同時，讓學(xué)生接觸科技前沿技術(shù)手段和方法，是基于試驗教學(xué)的學(xué)生專業(yè)實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的初步探索和嘗試。

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Experimental Development of Automotive Ride Comfort Based on Road Simulator

MALiying

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)

In this paper, an experimental teaching approach of automotive ride comfort is developed by means of road load simulator in laboratory. The car is moved from proving ground to the test rig in room, it is more flexible for course arrangement and design of practical program. The result shows that it is significantly efficient to inspire students' learning interest and foster their practical skill. This is a primary exploration to raise students professional ability and hands-on skill.

automotive ride comfort； experimental development； road simulation

2016-05-05

馬立英(1972-)，女，山東萊蕪人，高級工程師，現(xiàn)主要從事汽車零部件及整車可靠性疲勞耐久相關(guān)試驗技術(shù)研究和教學(xué)。

Tel.:021-69589251×1021; E-mail:maliying@#edu.cn

U 467.1

A

1006-7167(2017)02-0080-03