基于典型路況車身加速度提取及其影響因素分析

鄒喜紅，柳春林，羅 洋，劉 瑜，王瑞東，程凱華

（重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054）

試驗(yàn)場(chǎng)路面由多種不同幾何特征和材料特征的路面組成，每種路面相當(dāng)于車輛系統(tǒng)的不同輸入，經(jīng)過車輪-車身后得到不同的響應(yīng)，這種激勵(lì)方式可以考察不同車身零部件或車身結(jié)構(gòu)的不同特性。

汽車載荷譜是汽車扭矩、應(yīng)變與加速度等車輛信息與路面隨時(shí)間變化的時(shí)域歷程，是車輛實(shí)際行駛條件的綜合反映。當(dāng)前載荷譜主要應(yīng)用于CAE驗(yàn)證、疲勞分析和臺(tái)架試驗(yàn)，載荷譜作為最真實(shí)的實(shí)車信號(hào)，可以為汽車初始設(shè)計(jì)提供很好的設(shè)計(jì)參數(shù)，如何挖掘出這些信息尤為重要。

當(dāng)前對(duì)于新車設(shè)計(jì)通常先采用一般經(jīng)驗(yàn)值，經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)-試制-試驗(yàn)-試制過程確定最佳的參數(shù)設(shè)計(jì)，耗時(shí)長(zhǎng)成本高。通過找到不同汽車之間的聯(lián)系，從已有車輛數(shù)據(jù)為新車開發(fā)得到參考，將大幅縮短開發(fā)時(shí)間，同時(shí)為新車性能和使用載荷的選取提供依據(jù)。

1 載荷譜的采集

方案安排4臺(tái)前置前驅(qū)的乘用車在試驗(yàn)場(chǎng)按規(guī)范采集試驗(yàn)，加速度傳感器的布置點(diǎn)分別為車身4個(gè)車輪輪轂包上方正中間位置。剩余采集通道有驅(qū)動(dòng)前橋左右半軸兩個(gè)扭矩信號(hào)通道，GPS采集儀車速、經(jīng)度、緯度、海拔四個(gè)信號(hào)通道，邏輯開關(guān)信號(hào)。為了監(jiān)控行駛車輛狀態(tài)，以變速器左右輸出軸的扭矩作為轉(zhuǎn)向依據(jù)，GPS作為地理位置依據(jù)，邏輯開關(guān)輔助判斷典型工況時(shí)間起始點(diǎn)。載荷譜采集系統(tǒng)組建如圖1。

圖1 采集系統(tǒng)組建

系統(tǒng)布置主要遵循以下幾條原則[6]：

（1）測(cè)試采集工況運(yùn)行準(zhǔn)確，載荷譜數(shù)據(jù)真實(shí)有效；

（2）傳感器布置位置準(zhǔn)確；

（3）粘貼布置牢靠，能夠長(zhǎng)期試驗(yàn)；

（4）走線安裝和試驗(yàn)車各運(yùn)動(dòng)部分不發(fā)生干涉。

載荷譜試驗(yàn)規(guī)范包括強(qiáng)化路采集規(guī)范和穩(wěn)態(tài)工況采集規(guī)范，其中詳細(xì)規(guī)定了車輛行駛路面、路面順序、對(duì)應(yīng)路面速度、油門踏板、剎車狀態(tài)，駕駛員只需要依據(jù)試驗(yàn)規(guī)范在規(guī)定的路面按試驗(yàn)規(guī)范控制速度和油門開度就能完成數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)場(chǎng)不同的典型路面考核車輛在不同用戶用途路面的疲勞壽命和可靠性，為保證采集載荷譜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)聘用3名經(jīng)驗(yàn)豐富的司機(jī)依據(jù)規(guī)范進(jìn)行。強(qiáng)化路采集載荷譜如圖2。

2 典型路面車身加速度提取及均方根計(jì)算

2.1 車身加速度提取

試驗(yàn)場(chǎng)路面信號(hào)采集依據(jù)試驗(yàn)規(guī)范連續(xù)進(jìn)行，依次采集強(qiáng)化路、綜合路多個(gè)工況，采集過程不能中斷。試驗(yàn)場(chǎng)路面是真實(shí)用戶用途道路提取、連接、強(qiáng)化的面積小而工況齊全的典型路面，同時(shí)，強(qiáng)化路作為試驗(yàn)場(chǎng)路面的一部分，面積較小、路面集中，每段路面行駛距離短。還有一部分時(shí)域信號(hào)特征、路面起始點(diǎn)、路面結(jié)束點(diǎn)不易區(qū)分的路面，如規(guī)則長(zhǎng)波路、不規(guī)則長(zhǎng)波路、右側(cè)傾斜路、住宅路ABS路等路面特征，ABS路、坑洼路A、坑洼路B、鐵軌路、彈跳坑等起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)不易區(qū)分。這些部分都給時(shí)域信號(hào)提取帶來困難。

本文采用GPS信號(hào)結(jié)合邏輯開關(guān)信號(hào)判斷各路面區(qū)域。GPS信號(hào)包括經(jīng)度、緯度、海拔和車速信號(hào)，邏輯開關(guān)能準(zhǔn)確地分出每一種路面，缺點(diǎn)是不能精準(zhǔn)地捕捉路面開始和結(jié)束的時(shí)間，但結(jié)合速度信號(hào)和試驗(yàn)規(guī)范后可以彌補(bǔ)缺陷。此次共提取各路面的車身懸置前Z方向載荷譜的比利時(shí)路、大石鋪裝路、振動(dòng)路1、振動(dòng)路2、振動(dòng)路3、坑洼路A、坑洼路B、車身扭轉(zhuǎn)路、卵石路、接縫路、彈跳坑、路緣沖擊路、碎石路等多種時(shí)域信號(hào)，各路面信號(hào)特征示例如下圖3－圖5。

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路采集載荷譜

圖3 沖擊路、坑洼路A、坑洼路B、彈跳坑、接縫路

2.2 加速度均方根值計(jì)算

路面時(shí)域載荷特征包括最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、均方根值。最大值、最小值和極值描述載荷范圍，均值表現(xiàn)載荷分布集中趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)差反映載荷譜相對(duì)平均值的偏離程度，均方根值描述激勵(lì)對(duì)響應(yīng)作用的有效性，均方根值越大，說明路面激勵(lì)對(duì)測(cè)點(diǎn)作用越大。加速度均方根值能描述不同路面單位時(shí)間平均振動(dòng)能量大小，可以較為直觀地反映載荷譜特征。實(shí)車采集載荷信號(hào)是一種隨機(jī)的有限時(shí)間間隔的信號(hào)，這樣的信號(hào)總是能量有限且不為零，對(duì)于能量有限的信號(hào)為能量信號(hào)。

圖4 扭轉(zhuǎn)路、比利時(shí)路、大石路、卵石路

圖5 碎石路、振動(dòng)路1、振動(dòng)路2、振動(dòng)路3

實(shí)車采集離散隨機(jī)信號(hào)f(x)采樣N次，能量E

該段信號(hào)的平均功率

離散點(diǎn)均方根值的定義式

圖6 車輪-車身雙質(zhì)量振動(dòng)模型

汽車路面行駛過程的隨機(jī)振動(dòng)中，振動(dòng)加速度去正負(fù)值的概率基本相等，因此其均值近似為零，由均值、標(biāo)準(zhǔn)差、均方根的定義式可知

結(jié)合式（7）、式（8）式得到

當(dāng)以白噪聲路面速度輸入均方根譜計(jì)算車身加速度均方根時(shí)得到

式（3）是加速度均方根值的計(jì)算式，從式子中看出，加速度均方根值反映單位時(shí)間內(nèi)載荷譜平均振動(dòng)能量，能量表征試驗(yàn)場(chǎng)整條試驗(yàn)路對(duì)車輛載荷譜振動(dòng)做功的大小，平均功率表征單位時(shí)間內(nèi)路面對(duì)車輛載荷譜振動(dòng)能量大小。

3 加速度影響因素分析

實(shí)際路面載荷譜與駕駛員習(xí)慣、氣候、溫度、路面、實(shí)際行駛速度、車輛載荷、懸置方式、測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)等息息相關(guān)，而實(shí)際行駛速度、車輛載荷和懸置方式對(duì)路面載荷特征影響尤為明顯，如根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的研究結(jié)果，3點(diǎn)懸置比4點(diǎn)懸置極限載荷較大，速度和載荷對(duì)載荷譜的影響根據(jù)路面輸入和車身響應(yīng)分析。

如圖6車身和車輪的雙質(zhì)量振動(dòng)模型，將汽車車身-車輪振動(dòng)系統(tǒng)近似為線性系統(tǒng)，路面只經(jīng)過1個(gè)車輪對(duì)系統(tǒng)輸入時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)的功率譜密度對(duì)路面輸入的功率譜密度有如下簡(jiǎn)單關(guān)系[2，7]

其中:是車身振動(dòng)加速度響應(yīng)，是路面不平度速度輸入。

同時(shí)車身加速度與車輪速度幅頻特性用如下公式表示

式（7）和式（8）代入式（6）可得下式

車身加速度與車輪速度幅頻特性由雙質(zhì)量系統(tǒng)的傳遞特性

其中：

其中u是汽車行駛車速，n0是路面空間頻率，Gq(n0)是參考空間頻率n0下的路面功率譜密度值，稱為路面不平度系數(shù)，μ為車身與車輪質(zhì)量比，γ為剛度比，λ為頻率比，ζ為阻尼比。

根據(jù)式（11）可以看出車身加速度均方根值與路面不平度Gq(n0)、車速u都成正比關(guān)系。Δ和λ都與車輛載荷有關(guān)，可以肯定的是均方根值也一定受車輛載荷影響，但是由于公式復(fù)雜難以分析出變化趨勢(shì)。

3.1 速度對(duì)加速度均方根值影響

為了分析試驗(yàn)車行駛速度對(duì)加速度均方根值的影響，試驗(yàn)制定了汽車穩(wěn)態(tài)行駛工況的方案，試驗(yàn)車需要以20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h和60 km/h分別在同一平直的路面上勻速行駛一段距離。圖7共采集了3個(gè)相同樣本，截取每段勻速行駛狀態(tài)下車身加速度信號(hào)并計(jì)算得到加速度均方根值，其中截取的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度盡可能長(zhǎng)以使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

3個(gè)樣本采集重復(fù)性較好，以各速度下的加速度均方根值的平均值擬合曲線，擬合函數(shù)為y=0.009x+0.035，確定系數(shù)為0.984。圖7看出，當(dāng)車速增加時(shí)，加速度均方根也隨之增加，這一關(guān)系和式（11）中的變化趨勢(shì)一致，擬合效果約以0.009的線性斜率隨速度變化。

3.2 路面對(duì)加速度均方根值影響

試驗(yàn)按強(qiáng)化路行駛規(guī)范在多種強(qiáng)化路面上采集了4臺(tái)車的載荷譜數(shù)據(jù)。對(duì)每輛汽車分別采集3個(gè)樣本，均方根值取3個(gè)樣本平均值，降低司機(jī)操作失誤和其他一些偶然誤差。計(jì)算得到了強(qiáng)化路和普通路的均方根值及其相對(duì)值。普通路是強(qiáng)化路連接路段的水泥輔路部分，以30 km/h速度行駛，代表最為典型和使用最多的實(shí)際行駛工況。

將各路面的有效值繪制柱狀圖如圖8－圖11，振動(dòng)路2，振動(dòng)路3，振動(dòng)路1，沖擊路，坑洼路B，卵石路，比利時(shí)路，坑洼路A，大石路，彈跳坑加速度均方根依序減小。振動(dòng)路2取值0.38 g～0.56 g，振動(dòng)路3取值0.35 g～0.52 g，振動(dòng)路1取值0.34 g～0.43 g，沖擊路取值0.24 g～0.41 g，坑洼路B取值0.25 g～0.37 g，卵石路取值0.18 g～0.31 g，比利時(shí)路取值0.17 g～0.31 g，坑洼路A取值0.19 g～0.28 g，大石路取值0.11 g～0.19 g，彈跳坑取值0.10 g～0.16 g。

表1 不同路面加速度均方根值/g

圖8 車1在不同典型路面加速度均方根值

圖9 車2在不同典型路面加速度均方根值

圖10 車3在不同典型路面加速度均方根值

圖11 車4在不同典型路面加速度均方根值

為了更好的分析和表征試驗(yàn)路面的加速度均方根值，以強(qiáng)化路面均方根值與普通路均方根值之比得到了各路面加速度均方根相對(duì)值。相對(duì)值表示試驗(yàn)車在典型路面以30 km/h勻速行駛時(shí)，相對(duì)普通水泥路的振動(dòng)加速度均方根。

表2 不同路面加速度相對(duì)值

其代表最為典型和使用最多的實(shí)際行駛工況。典型路面加速度均方根值相對(duì)值概念的提出，根據(jù)和駕駛員使用頻率最高的工況對(duì)比，可以對(duì)典型路面的振動(dòng)情況進(jìn)行更加直觀的分析和了解。

振動(dòng)路2，振動(dòng)路3，振動(dòng)路1，沖擊路，坑洼路B、卵石路、比利時(shí)路坑洼路A，大石路，彈跳坑加速度均方根相對(duì)30 km/h行駛在普通水泥路的值同樣依序減小。振動(dòng)路2取值7.7～10.4，振動(dòng)路3取值7.1～9.7，振動(dòng)路1取值6.9～8.1，沖擊路取值4.9～7.6，坑洼路B取值5.0～7.0，卵石路取值3.7～5.6，比利時(shí)路取值3.5～5.1，坑洼路A取值3.8～5.1，大石路取值2.2～3.4，彈跳坑取值2.0～3.0。

3.3 載荷對(duì)加速度均方根值的影響

為了考察載荷對(duì)加速度均方根值的影響，試驗(yàn)時(shí)每輛車都配重到滿載工況，車1到車4試驗(yàn)載荷依次增加，如表3。

表3 試驗(yàn)車載荷信息

根據(jù)表1的均方根值、表2的均方根的相對(duì)值，結(jié)合表3的車輛載荷信息，在這幾種路面上，隨著載荷質(zhì)量的增加，加速度均方根值減小，如圖12－圖14列舉了振動(dòng)路3、卵石路、沖擊路的趨勢(shì)。

圖中看出，減小趨勢(shì)在低載荷時(shí)候變化較小，不太明顯，隨著載荷的增加，趨勢(shì)逐漸變大，變化明顯。這種變化不是受載荷的比例變化，可能受配重方式、懸架結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)的影響，但是加速度均方根變化總與載荷成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖12 不同車輛在振動(dòng)路3加速度均方根值

圖13 不同車輛在卵石路加速度均方根值

圖14 不同車輛在沖擊路加速度均方根值

4 結(jié)語

通過對(duì)載荷譜測(cè)試系統(tǒng)的搭建，完成了4輛前置前驅(qū)乘用車在試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路多種路面上的試驗(yàn)，試驗(yàn)按穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和強(qiáng)化路試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行并采集車身輪轂包加速度、半軸扭矩等其他輔助通道的載荷譜。提取各段路面數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，計(jì)算了各路段加速度均方根的大小，并分析了部分因素對(duì)其的影響，為新車開發(fā)性能評(píng)價(jià)和使用載荷選取提供依據(jù)。

（1）加速度均方根和車輛行駛速度成約斜率為0.009的線性正關(guān)系。

（2）加速度均方根和路面種類相關(guān)，振動(dòng)路2、振動(dòng)路3、振動(dòng)路1、沖擊路、坑洼路B、卵石路、比利時(shí)路、坑洼路A、大石路、彈跳坑加速度均方根和相對(duì)30 km/h行駛在普通水泥路的值依次減??；提出相對(duì)值概念，并計(jì)算得到了對(duì)應(yīng)的取值和相對(duì)值。

（3）加速度均方根與車身載荷成負(fù)相關(guān)，隨載荷的增加而變小，這種變化在低載時(shí)變化不明顯，隨著載荷增加，趨勢(shì)愈加明顯。

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