基于道路試驗(yàn)汽車載荷譜的采集與處理

劉靈芝，張冰戰(zhàn)，牛占占

(1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)械工程系，安徽 合肥，230051；2.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥，230009)

0 前言

汽車的耐久性是汽車行業(yè)關(guān)注的重要領(lǐng)域。汽車的耐久性與汽車的可靠性和安全性有著直接的聯(lián)系[1]。這兩個(gè)評價(jià)因素影響汽車產(chǎn)品在市場上能否贏得消費(fèi)者青睞，所以越來越多的汽車企業(yè)開始重視汽車的耐久性和可靠性研究。

從60年代開始，國內(nèi)外開始根據(jù)載荷譜研究機(jī)械疲勞的問題[2]。目前，湖南大學(xué)周澤采用基于真實(shí)道路載荷譜虛擬臺架試驗(yàn)的方法，對整車零部件進(jìn)行疲勞壽命研究[3]。南京汽車集團(tuán)使用六分力儀提取載荷譜，并對整車進(jìn)行壽命分析和優(yōu)化。Ramesh Edara等運(yùn)用虛擬技術(shù)，根據(jù)多體動(dòng)力學(xué)模型迭代出載荷譜，并對懸架進(jìn)行疲勞壽命研究。Kumar P.Sathish等人根據(jù)虛擬迭代的載荷譜，聯(lián)合慣性釋放法對某客車駕駛室進(jìn)行了疲勞壽命研究。

上述研究的載荷譜不是在試驗(yàn)場規(guī)定的工況下采集得到，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析時(shí)存在一定的局限性。為了能夠反映出汽車在規(guī)定工況下的載荷信息，本文在定遠(yuǎn)試驗(yàn)場，根據(jù)試驗(yàn)場相關(guān)規(guī)定使用六分力儀、加速度傳感器和位移傳感器采集整車的載荷譜，對載荷譜進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到合理的載荷數(shù)據(jù)。得到的載荷譜可用于臺架試驗(yàn)和整車疲勞壽命研究，能夠縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，這對汽車整車的前期開發(fā)設(shè)計(jì)具有很好的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

(1)裝載質(zhì)量

一般情況下，裝載質(zhì)量是生產(chǎn)企業(yè)規(guī)定的最大裝載質(zhì)量或使試驗(yàn)車處于生產(chǎn)企業(yè)規(guī)定的最大總質(zhì)量狀態(tài)。當(dāng)試驗(yàn)車裝載時(shí)，其所裝載的東西要固定牢靠，在行駛途中不能隨便晃動(dòng)，也不能掉落，從而保證在整個(gè)試驗(yàn)過程中裝載的質(zhì)量不變

(2)輪胎壓力

在汽車試驗(yàn)過程中，輪胎的壓力應(yīng)該在試驗(yàn)車規(guī)定的合理范圍內(nèi)，誤差不超過1.0 kPa，保證汽車能夠穩(wěn)定行駛。

(3)氣象條件

在試驗(yàn)時(shí)，天氣應(yīng)是無雨無霧，相對濕度小于95%，天氣溫度應(yīng)該在0～40℃攝氏度范圍之內(nèi)，且風(fēng)速不大于3 m/s。

(4)燃料及潤滑油

汽車所使用的燃料應(yīng)該是車輛生產(chǎn)企業(yè)所規(guī)定牌號和規(guī)格的燃料，同一次的試驗(yàn)所使用的燃料應(yīng)該保證是同一批次，防止因燃料的不同影響試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

車輪六分力傳感器是當(dāng)前載荷譜測試的必備傳感器的之一，可以測量汽車輪心的三個(gè)垂向力和三個(gè)力矩，所以稱其為六分力傳感器，同時(shí)其也可以輸出車輪旋轉(zhuǎn)角度和角速度[4]。它是通過輪轂適配器和輪輞適配器固定在車輪上，傳感器信號通過滑環(huán)或無線方式傳遞到采集器上。安裝車輪六分力傳感器，以獲取整車激勵(lì)載荷。現(xiàn)有4套傳感器，同步采集4個(gè)車輪的軸頭六分力載荷，針對6×4車型六個(gè)車輪，采取分一三軸和二三軸兩次進(jìn)行，該載荷可作為整車激勵(lì)載荷，如圖1所示。

圖1 六分力儀傳感器安裝位置

位移傳感器共6個(gè)，其中4個(gè)測量鋼板彈簧位移，2個(gè)測量前減震器位移。位移傳感器量程500 mm，共占用6個(gè)通道，其中減震器位移傳感器安裝位置如圖2a所示。

加速度傳感器共計(jì)18個(gè)，其中3個(gè)單向，用于測量駕駛室懸置，油箱支架，車架，懸架軸頭等位置加速度，其中駕駛室加速傳感器安裝位置如圖2b所示。

2 載荷采集

2.1 采集工況

本文中在定遠(yuǎn)試驗(yàn)場所做的試驗(yàn)根據(jù)GB/T12534《汽車道路試驗(yàn)方法通則》和《定遠(yuǎn)汽車試驗(yàn)場汽車產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行。本文整車載荷采集實(shí)驗(yàn)根據(jù)定遠(yuǎn)試驗(yàn)場地的實(shí)驗(yàn)條件，共采集九中不同路面下的載荷信息。其中工況的類型和在個(gè)工況下的操作要求如表1所示。

其中砂石路和比利時(shí)路的實(shí)際路況，如圖3所示。

2.2 采集結(jié)果

根據(jù)上述的9個(gè)工況，把9個(gè)工況組成一個(gè)循環(huán)，并且在其相應(yīng)的操作要求下采集了整車的載荷譜，使用N-code軟件處理載荷數(shù)據(jù)，其中左后輪、鋼板彈簧、駕駛室、右后輪的加速度信號如圖4所示。

圖2 位移傳感器安裝位置

表1 各工況下的操作說明

3 載荷的處理與檢驗(yàn)

3.1 載荷處理

在整車載荷譜采集時(shí)存在外界干擾，所采集的數(shù)據(jù)存在著誤差。為了得到合理可靠的載荷數(shù)據(jù)，需要把采集得到的載荷譜用濾波器的方法進(jìn)行去毛刺、去噪聲、濾波等處理[5]。處理后的載荷譜如圖5所示。與信號數(shù)據(jù)處理之前相比，其中鋼板彈簧圖譜中毛刺部分處理的較為明顯，其他信號無明顯差異。

圖3 實(shí)際路況

圖4 采集得到的載荷譜

3.2 數(shù)據(jù)分析

在試驗(yàn)場地整車載荷的采集是一個(gè)復(fù)雜的工程，采集得到的數(shù)據(jù)受到很多因素的影響，例如：傳感器的工作狀態(tài)、駕駛員的操作習(xí)慣、氣候環(huán)境、采集設(shè)備等。這些因素的存在會干擾采集得到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所以對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的檢查[6]。本文采用三種方法對整車載荷譜的有效性進(jìn)行檢查。

圖5 處理后的載荷譜

第一種：在同一個(gè)部位，左右對稱的位置信號是否一致，以及信號是否完整。

每輪試驗(yàn)后及時(shí)檢查問題信號來源，發(fā)現(xiàn)問題后立即檢修排查原因，保證測試信號的可靠性。試驗(yàn)車左右輪心Z向加速度信號在同一個(gè)循環(huán)下的對比，上下兩個(gè)載荷曲線在相同的時(shí)間上幾乎保持一致，可以看出信號采集結(jié)果合理，如圖6所示。

圖6 石塊路前軸左右輪心Z向加速度對比

第二種：信號的幅值譜分析及頻譜分析是否合理。

車在一般路面情況下行駛時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)信號幅值大小與高斯正態(tài)分布具有較高的相似度。定遠(yuǎn)試驗(yàn)場的路面激振頻率小于80 Hz，所以試驗(yàn)車上信號響應(yīng)頻率應(yīng)該與其一致。選擇石塊路段工況下采集得到的車架上的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行分析，其中幅值分布和頻譜分布分別如圖7a和圖7b所示。根據(jù)圖可以看出幅值分布及頻譜合理有效。

第三種：通過同一工況下三圈數(shù)據(jù)進(jìn)行雨流對比是否合理。

圖7 車架加速度信號幅值分布和頻率譜圖

為保證試驗(yàn)測試所得信號的有效性，每種路況循環(huán)三次測量，并將每個(gè)循環(huán)所的信號進(jìn)行分析對比。由于每次循環(huán)時(shí)間長度略有不同，因此從雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)和信號頻域分析結(jié)果進(jìn)行對比。以石塊路工況下三次循環(huán)中左側(cè)前輪Z向加速度信號進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)分析及頻譜分析，雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖8所示

由雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)分析可以看出，第1、2、3次循環(huán)所得信號幅值及循環(huán)次數(shù)高度一致，驗(yàn)證了測試數(shù)據(jù)的有效性。經(jīng)過三種方法對所采集載荷譜數(shù)的有效性據(jù)進(jìn)行了檢查，結(jié)果說明所采集的載荷譜是可靠有效的。

4 結(jié)論

以某商用車為研究為試驗(yàn)車，在定遠(yuǎn)試驗(yàn)場使用六分力儀、加速度傳感器和位移傳感器采集了整車的載荷譜。對載荷譜進(jìn)行處理得到合理的載荷數(shù)據(jù)。根據(jù)三種方式對得到的載荷譜的合理性進(jìn)行判斷，得出載荷譜數(shù)據(jù)的有效性。得到的載荷譜用于整車結(jié)構(gòu)的疲勞仿真研究，也可以為整車臺架試驗(yàn)的載荷數(shù)據(jù)提供參考依據(jù)。

圖8 三次循環(huán)的雨流計(jì)數(shù)結(jié)果圖