關(guān)于汽車平順性道路試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理

張崇波劉永騰 Zhang ChongboLiu Yongteng

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關(guān)于汽車平順性道路試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理

張崇波1，2，劉永騰1，2Zhang Chongbo，Liu Yongteng

（1. 北京汽車研究所有限公司，北京100079；2. 國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（北京順義），北京101300）

汽車平順性是反映汽車性能好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)。根據(jù)汽車平順性試驗(yàn)方法GB/T 4970—2009搭建整車平順性道路試驗(yàn)測試平臺(tái)，能夠快速準(zhǔn)確地采集并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)國標(biāo)中規(guī)定的各測試位置的振動(dòng)加速度信號(hào)。基于Matlab環(huán)境編寫試驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理軟件，實(shí)現(xiàn)車輛平順性評價(jià)指標(biāo)的自動(dòng)化計(jì)算，大大提升平順性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理速度。最后針對某樣車進(jìn)行平順性道路試驗(yàn)及評價(jià)，驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)和后處理軟件的有效性。

平順性；道路試驗(yàn)；加速度均方根

0 引 言

隨著汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對汽車舒適性要求也越來越高，因此，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行汽車道路行駛試驗(yàn)并做出平順性評價(jià)十分必要。汽車的平順性不僅影響到駕駛員、乘員的疲勞程度，而且也影響到汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)輸效率乃至安全問題[1]。

汽車平順性是指行駛過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)與沖擊不致使人體感到不舒適、疲勞、甚至損害健康的性能，是汽車性能好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)。汽車平順性的評價(jià)方法，通常是根據(jù)人體對振動(dòng)的生理感受及對保持貨物完整性的影響制定的[2]。國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，通常以加權(quán)加速度均方根值作為主要的平順性評價(jià)指標(biāo)[3-4]，振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)的后處理是重點(diǎn)也是評價(jià)的難點(diǎn)。懸架的剛度和阻尼、輪胎的剛度以及車輛的載荷分布等都會(huì)影響汽車平順性[5]。

1 汽車平順性道路試驗(yàn)要求

1.1 試驗(yàn)項(xiàng)目及道路環(huán)境要求

汽車平順性試驗(yàn)方法包括2種工況：脈沖輸入行駛和隨機(jī)輸入行駛。采用加權(quán)加速度均方根值作為評價(jià)指標(biāo)，把汽車座椅、靠背和地板處的振動(dòng)加速度與人體的主觀感覺聯(lián)系起來，劃分為不同的舒適級別，用以評價(jià)車輛在不同路面、不同車速下的平順性能。

試驗(yàn)場地應(yīng)平直、干燥，縱向坡度不大于1%，試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速不大于5 m/s。脈沖輸入試驗(yàn)道路采用A級路面，并擺放三角形的單凸塊；隨機(jī)輸入試驗(yàn)道路為瀝青或水泥路面。試驗(yàn)車速由基于GPS的車速儀監(jiān)控，車速偏差不超出±4%。

1.2 車輛配載及傳感器安裝

在試驗(yàn)過程中，路面不平度通過汽車輪胎、懸架、座椅等彈性阻尼元件將振動(dòng)傳遞到人體，為獲得準(zhǔn)確的振動(dòng)數(shù)據(jù)，保證各元件處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的狀態(tài)十分必要。輪胎壓力誤差不超過廠家規(guī)定值的±3%；汽車載荷均勻分布，固定牢固在試驗(yàn)過程中無晃動(dòng)；駕駛員要保持坐姿不變，減少對靠背處振動(dòng)加速度的影響。按標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)需要測量3個(gè)位置共9個(gè)方向的加速度時(shí)間歷程，傳感器安裝必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求?？勘澈妥鶋|傳感器嚴(yán)格按照GB/T 4970—2009標(biāo)準(zhǔn)安裝，腳部地板上的傳感器布置在駕駛員兩腳之間。

2 平順性試驗(yàn)硬件平臺(tái)的搭建

2.1 平臺(tái)硬件組成

平順性試驗(yàn)需要采集各個(gè)測點(diǎn)隨機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)，在實(shí)際試驗(yàn)過程中設(shè)計(jì)了一套能夠在現(xiàn)場快速安裝，信號(hào)傳遞安全可靠，系統(tǒng)高度集成的測試方案，其工作流程如圖1所示。

在道路試驗(yàn)平順性振動(dòng)數(shù)據(jù)測試中需要的設(shè)備包括：三軸向振動(dòng)加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集分析儀、GPS速度計(jì)以及用于數(shù)據(jù)后處理的電腦等。三軸向振動(dòng)加速度傳感器采用的是PCB三軸加速度傳感器，測量范圍為-10—10，靈敏度為10 mV/（m/s2），通過串行接口連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可以實(shí)時(shí)將振動(dòng)加速度信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，傳感器的采集精度和范圍能夠滿足平順性試驗(yàn)要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是DEWE-2601可擴(kuò)展多通道便攜式模塊化數(shù)據(jù)采集儀，具有80 MB/s數(shù)據(jù)傳輸率，內(nèi)置64路模擬信號(hào)輸入，可擴(kuò)展，采樣率可達(dá)20 kHz，能對接電壓、電流、熱電偶等多種傳感器，數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)到主機(jī)，也可以通過USB接口轉(zhuǎn)存到后處理電腦。車輛行駛速度通過Racelogic的Vbox 3I GPS速度計(jì)顯示，采集車速精度可達(dá)0.01 km/h，能夠?qū)囁賹?shí)施精確監(jiān)測。

2.2 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

在道路測試中，利用三軸向加速度傳感器實(shí)時(shí)獲取座墊、靠背、地板等測點(diǎn)的垂向加速度、橫向加速度和縱向加速度，基于GPS速度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測行駛車速，振動(dòng)數(shù)據(jù)以模擬電壓量形式傳輸給數(shù)據(jù)采集儀，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，直觀地顯示在屏幕上，試驗(yàn)人員可在試驗(yàn)中實(shí)時(shí)監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集儀直接采集的數(shù)據(jù)是離散的振動(dòng)加速度時(shí)間歷程，利用其頻譜分析功能進(jìn)行預(yù)處理，將加速度時(shí)間歷程通過快速傅立葉變換（FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform）計(jì)算出加速度自功率譜，導(dǎo)出加速度自功率譜密度Ga（）函數(shù)（離散值），最后通過開發(fā)的汽車平順性后處理程序計(jì)算出總加權(quán)加速度均方根值v，如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)后處理軟件開發(fā)

軟件基于Matlab環(huán)境，輸入數(shù)據(jù)為Excel格式，可以計(jì)算脈沖試驗(yàn)垂向最大加速度、振動(dòng)劑量（VDV，Vibration Dose Value），隨機(jī)試驗(yàn)各點(diǎn)總加權(quán)加速度均方根值，綜合總加權(quán)加速度均方根v，并且能夠?qū)С?/3倍頻程曲線、v和車速的關(guān)系曲線等，為平順性測試與分析提供強(qiáng)有力的工具，提高試驗(yàn)報(bào)告的編寫效率。

3.1 隨機(jī)輸入數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理中采用如下參數(shù)：

1）截止頻率：90 Hz；

2）頻率分辨率和獨(dú)立樣本數(shù)：=0.125，=25；

3）采樣頻率：5 000 Hz；

4）使用窗函數(shù)：漢寧窗；

5）試驗(yàn)時(shí)間：200 s。

軟件開始界面如圖3所示，分為振動(dòng)數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)、操作區(qū)、加速度均方根計(jì)算區(qū)、1/3倍頻程曲線顯示區(qū)和車速-v關(guān)系區(qū)。數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)顯示輸入的特定車速的振動(dòng)加速度功率譜密度離散值，單位為m/s2，格式為Excel，可選擇導(dǎo)入單個(gè)數(shù)據(jù)文件，也可導(dǎo)入多個(gè)數(shù)據(jù)文件計(jì)算多次試驗(yàn)的結(jié)果。操作區(qū)項(xiàng)目選擇包括計(jì)算單個(gè)車速點(diǎn)的結(jié)果和平均多次試驗(yàn)結(jié)果。均方根計(jì)算結(jié)果顯示區(qū)，能夠看到3個(gè)測點(diǎn)9個(gè)方向的單軸加權(quán)加速度均方根，每個(gè)測點(diǎn)的總加權(quán)加速度均方根和綜合總加權(quán)加速度均方根；另外根據(jù)GB/T 4970—2009汽車平順性試驗(yàn)方法，加權(quán)加速度均方根值與人的主觀感覺之間關(guān)系，能夠輸出對應(yīng)車速下人體主觀感覺的判定結(jié)果。1/3倍頻程曲線顯示區(qū)可以同時(shí)顯示同一測點(diǎn)3個(gè)方向的加速度均方根值曲線。不同車速和v的變化曲線顯示在界面右下方，同時(shí)可以導(dǎo)出.jpg格式的圖片。

3.2 脈沖輸入數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)后處理界面如圖4所示，包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入?yún)^(qū)、計(jì)算區(qū)和結(jié)果曲線顯示區(qū)。其中數(shù)據(jù)導(dǎo)入?yún)^(qū)與隨機(jī)輸入相同，輸入文件為汽車通過凸塊過程中加速度時(shí)間歷程；計(jì)算區(qū)能夠顯示各個(gè)測點(diǎn)的垂向最大加速度max和振動(dòng)劑量值VDV；結(jié)果顯示區(qū)可以直觀地觀察加速度和VDV隨車速變化的情況，并能輸出.jpg格式的圖片。

4 平順性試驗(yàn)實(shí)例分析

4.1 試驗(yàn)條件

應(yīng)用所建立的試驗(yàn)測試系統(tǒng)和后處理軟件，以某乘用車進(jìn)行汽車平順性道路試驗(yàn)，分析車輛的平順性能。試驗(yàn)地點(diǎn)為交通部通州試驗(yàn)場的組合路中的長直一般路面，路面條件良好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間200 s。

該車整備質(zhì)量為1 520 kg，試驗(yàn)時(shí)均勻加載，包括測試儀在內(nèi)總質(zhì)量為2 035 kg，試驗(yàn)過程中車輛保持滿載狀態(tài)，樣車具體參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)樣車數(shù)據(jù)

參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值 整備質(zhì)量/kg1 520后懸架形式扭力梁式 滿載質(zhì)量/kg2 035輪胎型號(hào)205/55 R16 前懸架形式麥弗遜式輪胎氣壓/kPa230

4.2 脈沖輸入試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)GB/T 4970—2009試驗(yàn)要求，脈沖輸入試驗(yàn)時(shí)汽車左右車輪同時(shí)駛過凸塊，凸塊放置在與汽車行駛方向垂直的直線上，每個(gè)車速下試驗(yàn)需要進(jìn)行5次，取垂向加速度平均值。脈沖試驗(yàn)處理結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，低速行駛時(shí)，隨著車速增加各個(gè)測點(diǎn)的垂向加速度增大，在車速達(dá)到40 km/h后，垂向加速度出現(xiàn)波動(dòng)，并有一定程度的下降。由于沒有座椅的緩沖作用，地板處振動(dòng)最大，達(dá)到16.9 m/s2。根據(jù)ISO 2631 Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole- body vibration中振動(dòng)對人體健康影響的評價(jià)方法，max＞43.0 m/s2時(shí)，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害人體健康，max＜31.4 m/s2時(shí)，不會(huì)對人體健康產(chǎn)生不利影響，max介于31.4～43.0 m/s2之間時(shí)，對人體健康有一定影響?？梢钥闯?，在脈沖輸入下，樣車舒適性符合要求，不會(huì)損害人體健康。

4.3 隨機(jī)試驗(yàn)處理結(jié)果

樣車分別以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各車速通過長直水泥路面，得到各測點(diǎn)振動(dòng)加速度，經(jīng)過后處理軟件計(jì)算得到加權(quán)加速度均方根值，見表2和圖6所示。

表2 隨機(jī)輸入試驗(yàn)結(jié)果

車速/（km/h）aw/（m/s2）av/（m/s2）車速/（km/h）aw/（m/s2）av/（m/s2） 40地板0.1830.41160地板0.2050.441 座墊0.302座墊0.325 靠背0.209靠背0.215 50地板0.1850.39370地板0.2010.396 座墊0.286座墊0.272 靠背0.194靠背0.206

表3為國標(biāo)規(guī)定的人體主觀舒適性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對比表2和表3中的數(shù)據(jù)，樣車的加權(quán)加速度均方根均落在0.315～0.63之間，人體主觀感覺為有些不舒適。

表3 加權(quán)加速度與主觀感覺的關(guān)系

總加權(quán)加速度均方根值/（m/s2）人的主觀感覺 < 0.315沒有不舒適 0.315～0.63有些不舒適 0.5～1比較不舒適 0.8～1.6不舒適 1.25～2.5很不舒適 >2極不舒適

5 結(jié) 論

汽車平順性是從人體主觀舒適的角度考察不同路面輸入下車輛衰減振動(dòng)的能力，車輛的顛簸不僅會(huì)妨害乘坐人員的生理和心理感受，還會(huì)對汽車部件的使用性能產(chǎn)生不利影響。文中的論述為測試分析平順性提供了一個(gè)重要的途徑。通過對樣車進(jìn)行平順性道路試驗(yàn)，建立完善的平順性試驗(yàn)硬件流程，形成一體化試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，簡易直觀，可操作性強(qiáng)，實(shí)用性好。以Matlab為基礎(chǔ)編寫了試驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理軟件，軟件算法基于最新的平順性試驗(yàn)方法GB/T 4970—2009，能夠?qū)ζ巾樞詳?shù)據(jù)進(jìn)行客觀分析，明顯提升試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理速度，具有實(shí)際的工作意義。

[1]夏均忠，馬宗坡，方中雁，等. 汽車平順性評價(jià)方法綜述[J]. 噪聲與振動(dòng)控制，2012，32（4）：1-5.

[2]徐中明，張志飛，賀巖松. 對汽車平順性評價(jià)方法的探討與建議[J]. 汽車工程，2010，32（1）：73-76.

[3]客車平順性評價(jià)指標(biāo)及限值：QC/T 474—2011[S].

[4]汽車平順性試驗(yàn)方法：GB/T 4970—2009[S].

[5]余志生. 汽車?yán)碚摚ǖ?版）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

1002-4581（2017）03-0019-04

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