全地形車平順性測試系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

余 烽,徐中明,屈 賢

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院,重慶 402260; 2.重慶大學(xué) 機械傳動國家重點實驗室,重慶 400030)

全地形車在伊拉克戰(zhàn)爭中被全球廣泛認知.因能在各種惡劣的路面上行駛,軍用潛力巨大,很多國家的特種部隊都配備了各種類型的全地形車,用于偵探、移動攻擊等.另外,全地形車也用于競技、休閑、娛樂等多個領(lǐng)域.

全地形車的平順性不僅關(guān)系到軍用水平,更是市場推廣的核心競爭因素.目前國產(chǎn)全地形車主要處于仿制的狀況,平順性狀況和國外產(chǎn)品差距較大[1-4].因此,開發(fā)適合于全地形車平順性測試系統(tǒng)非常有實用價值.

借鑒ISO 2631,ISO 5349等國際標準[5-7],本研究開發(fā)了適合全地形車平順性評價硬件測試系統(tǒng),并在匹配硬件測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,借助德國IMC公司的FAMOS開發(fā)環(huán)境設(shè)計了軟件分析系統(tǒng),進而開發(fā)了完整的全地形車平順性測試系統(tǒng).

采用開發(fā)的全地形車平順性測試系統(tǒng),對多款全地形車進行了平順性測試分析,并將評價結(jié)果和專業(yè)試車員的主觀評價結(jié)果進行對比.結(jié)果表明:該測試系統(tǒng)能正確、快速地對全地形車平順性進行評價,為平順性的改進提供理論依據(jù).

1 硬件測試系統(tǒng)開發(fā)

參照ISO 2631,ISO 5349等國際標準,全地形車平順性的測量需要采集人體與全地形車接觸點的振動加速度,包括手把處、座位處及腳踏處振動加速度.

1.1 硬件測試系統(tǒng)要求

振動加速度傳感器主要根據(jù)靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、可靠性及精確度幾個方面選擇[8].針對全地形車的振動特性及多次分析對比,座位處傳感器應(yīng)能測量中心頻率為0.5～300 Hz的振動加速度,手把處和腳踏處傳感器應(yīng)能測量中心頻率為6.3～1 000 Hz的振動加速度.

根據(jù)以上要求,座位處傳感器選用美國PCB型三向壓電傳感器,無需單獨供電,支持ICP型傳感器的采集器均能對其供電.手把處選用PCB公司的ICP型三向加速度傳感器,腳踏處選用PCB公司的ICP型單向加速度傳感器.

采集器的選擇主要從A/D分辨率、最高采樣率、信噪比、量程、數(shù)據(jù)傳輸/存儲方式等方面去考慮.根據(jù)QC/T 474—1999《客車平順性評價指標及限值》及GB/T 4970—1996《汽車平順性隨機輸人行駛試驗方法》標準要求,頻率范圍0.1～1 000 Hz,動態(tài)范圍100～166 dB,誤差0.5 dB,信噪比應(yīng)優(yōu)于40 dB.

考慮到全地形車本身的特性,選擇德國IMC便攜式6通道采集器.IMC采集器需要供電,使用12 V鉛酸蓄電池進行供電.因需要測量手把處、座位處兩個接觸點的3個方向的振動加速度信息以及腳踏處一個接觸點的單個方向振動加速度信息,共需要7個數(shù)據(jù)采集通道,而單個便攜式IMC采集器只有6個通道,試驗時將兩臺便攜式IMC設(shè)備并聯(lián)在一起使用.IMC采集器可將試驗數(shù)據(jù)實時存儲到采集器的CF卡上,試驗完成后可將試驗數(shù)據(jù)拷貝到計算機硬盤中,用軟件分析系統(tǒng)進行后處理.

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)ISO 2631,ISO 5349等國際標準的要求,座位處、手把處、腳踏處傳感器所測量的數(shù)據(jù)均是在指定的勻速條件下測量.受試驗場地和采集時間的限制,需要專業(yè)試車員來控制數(shù)據(jù)開始采集的時間,而采集器沒有這一功能.利用便攜式IMC采集器數(shù)字輸入模塊以及其內(nèi)置的恒流源,再配備一個普通開關(guān),即可設(shè)計采集外觸發(fā)模塊.

采集外觸發(fā)模塊的設(shè)計如圖1所示,選用一臺便攜式IMC采集器的DIN_Bit01作為觸發(fā)源,在DSUB-PLUG數(shù)字盒內(nèi)的BIT_01端和LCOM端連接一個節(jié)點開關(guān).然后在采集器中設(shè)置觸發(fā)采集的條件.這里選擇高電平時開始觸發(fā)采集,即完成采集外觸發(fā)模塊的設(shè)計.采集結(jié)束則由采集器中設(shè)置的采集時間長短來決定.

圖1 采集外觸發(fā)電路圖Fig.1 Circuit diagram of external triggering

2 軟件分析系統(tǒng)設(shè)計

FAMOS是德國IMC采集器配套的編程軟件,能完成數(shù)據(jù)處理分析和信號處理.為了避免數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換,采用FAMOS作為后處理軟件開發(fā)平臺,設(shè)計了與硬件測試系統(tǒng)匹配的全地形車平順性軟件分析系統(tǒng).

設(shè)計軟件分析系統(tǒng)的核心是全地形車平順性評價方法的實現(xiàn),包括時域法和頻域法.

頻域法進行功率譜計算時,可以采用經(jīng)典譜估計和現(xiàn)代譜估計.這里,選擇Welch法代表經(jīng)典譜估計,選擇AR模型法代表現(xiàn)代譜估計[9].

2.1 時域法實現(xiàn)

對記錄的振動加速度時間歷程a(t),通過相應(yīng)

的頻率加權(quán)函數(shù)的濾波網(wǎng)絡(luò)得到振動加權(quán)加速度時間歷程aw(t),計算振動加權(quán)加速度均方根值為

(1)

式中:T為振動的分析時間,要求不少于1 min.

計算手把處振動加權(quán)加速度均方根值的頻率加權(quán)函數(shù)wh對應(yīng)的濾波器的頻響函數(shù)為

(2)

式中：s為拉譜拉斯變換中的復(fù)變量；f1，f2,f3,f4,Q1,Q2為加權(quán)系數(shù)，計算wh時取值分別為6.311,258.9,15.915,15.915,0.71,0.64.

計算座位處垂直振動加權(quán)加速度均方根值的頻率加權(quán)函數(shù)wk對應(yīng)的濾波器的頻響函數(shù)為

(3)

式中：f1，f2,f3,f4,f5,f6，Q1,Q2,Q3為加權(quán)系數(shù)，計算Wk時取值分別為0.4,100,12.5,12.5,2.37,3.35,0.63,0.91,0.91.

計算座位處水平振動加權(quán)加速度均方根值的振動的頻率加權(quán)函數(shù)wd對應(yīng)的濾波器的頻響函數(shù)為

(4)

式中：f1，f2,f3,f4,Q1為加權(quán)系數(shù)，計算wd時取值分別為0.4,100,2.0,2.0.

2.2 頻域法實現(xiàn)

對記錄的振動加速度時間歷程a(t)進行頻譜分析得到功率譜密度函數(shù)Ga(f),計算1/3倍頻帶振動加速度均方根譜值為

(5)

式中:ai為中心頻率為fci的第i個1/3倍頻帶加速度均方根值,m/s2;fui,fli分別是1/3倍頻帶的中心頻率為fci的上下限頻率,Hz;Ga(f)為加速度自功率譜密度函數(shù),m/s3.

計算單軸向振動加權(quán)加速度均方根值為

(6)

式中:wi為第i個1/3倍頻帶的加權(quán)系數(shù);aw為單軸向加權(quán)加速度均方根值,m/s2.

考慮到數(shù)據(jù)處理的精度要求,采用頻率法進行數(shù)據(jù)處理時,把試驗數(shù)據(jù)按順序分為12個獨立樣本,并且按照50%重疊進行,加漢寧窗.

以上時域法和頻域法計算出了單軸向加權(quán)加速度均方根值,按照ISO 2631,ISO 5349國際標準,各軸向加權(quán)系數(shù)均為1,因此,三軸向總加權(quán)加速度均方根值為

(7)

全地形車的平順性評價采用加權(quán)振級更利于比較,因此將加權(quán)加速度均方根值換算為加權(quán)振級,即

(8)

式中:a0為參考加速度均方根值,a0=10-6m/s2.

軟件分析系統(tǒng)設(shè)計中,遵循模塊化程序設(shè)計思想,根據(jù)系統(tǒng)的總體需求,軟件系統(tǒng)的框圖如圖2所示.

圖2 平順性分析軟件的框圖Fig.2 Scheme of the analyzing software for riding comfort analysis

目前,全地形車的平順性分析大多采用頻域法,而忽略時域法[10-11].本文設(shè)計的軟件分析系統(tǒng)包括時域法和頻率法,以便更好地進行分析與評價.

3 全地形車平順性測試系統(tǒng)應(yīng)用

本文采用搭建的全地形車平順性測試系統(tǒng),對多款全地形車進行了平順性分析,結(jié)合多名駕駛員的主觀評價，結(jié)果表明：測試系統(tǒng)方便、可靠.這里僅以某款全地形車為例進行平順性測試分析.

平順性試驗在國內(nèi)某機場進行,B級路面.試驗時天氣晴朗,溫度30 ℃左右,風(fēng)速小于3 m/s,所試驗的全地形車運行狀況符合試驗要求,專職試車員體重75 kg,滿足要求.按照平順性試驗要求,車速分別為30,40,50,60和70 km/h.

考慮到軟件分析系統(tǒng)處理精度的要求,試驗時設(shè)置采樣頻率為2 000 Hz,采樣時間為1 min,滿足要求.

平順性試驗之前,采用高精度GPS對車速進行校正.試驗過程中,專職試車員觀察校正后的車速表,當達到指定車速后,通過設(shè)計的采集外觸發(fā)開關(guān)控制數(shù)據(jù)采集,并保持穩(wěn)速行駛,直至通過指定的距離.

采用開發(fā)的軟件分析系統(tǒng),對試驗數(shù)據(jù)進行處理.由于采用時域法評價人體振動時需對峰值因子進行判斷,提取了5個車速下時域法分析時的峰值因子,均小于6,評價方法可行.

該全地形車平順性評價最終的結(jié)果如表1所示,包含時域法和頻率法的評價結(jié)果.頻率法中有代表經(jīng)典譜估計Welch法和現(xiàn)代譜估計AR法的分析結(jié)果.

表1 手把、座位及腳踏振動評價結(jié)果Tab.1 Vibration evaluation results of hands,cushions and pedals

由表1可知：評價人體振動時,時域法、Welch頻域法和AR頻域法3種方法所計算的結(jié)果相差非常小,并且評價結(jié)果與專業(yè)試車員的主觀評價一致.這表明3種方法均可用于全地形車平順性的評價.

在實際數(shù)據(jù)處理時,發(fā)現(xiàn)時域法計算速度遠比頻率法快,推薦使用時域法計算最終評價結(jié)果.

在頻率法分析全地形車平順性時,有代表經(jīng)典譜估計Welch法和現(xiàn)代譜估計AR法.這里以50 km/h時車速為例,給出手把處Z向采用Welch法和AR法所得到的功率譜密度圖,如圖3所示.

由圖3可知:Welch法和AR法的功率譜密度趨勢及幅值一致,但AR法比Welch法所得的曲線光滑,更易于分析頻譜特性,了解全地形車的振動特性,為后期改進提供理論指導(dǎo).

圖3 50 km/h手把處Z向功率譜密度Fig.3 Power spectral density of Z-direction at the hand for 50 km/h

4 結(jié)論

(1) 參考ISO 2631,ISO 5349等標準,結(jié)合全地形車自身振動特性,開發(fā)了適合于全地形車平順性評價測試硬件系統(tǒng).考慮到與硬件測試系統(tǒng)的匹配性,在FAMOS環(huán)境下設(shè)計了軟件分析系統(tǒng),最終搭建了完整的全地形車平順性測試系統(tǒng),該測試系統(tǒng)可靠且方便.

(2) 利用搭建的全地形車振動測試系統(tǒng),以某款全地形車為例,進行了平順性評價.結(jié)果表明：時域法和頻率法的定量評價結(jié)果極度吻合,都可以用于全地形車的平順性評價.

(3) 代表經(jīng)典譜估計的Welch法和現(xiàn)代譜估計的AR法所得到的功率譜曲線趨勢一致,但AR法所得到的功率譜曲線光滑,更利于分析.

(4) 時域法計算速度快,可很快了解被測全地形車的平順性狀況,但無頻域分析結(jié)果.頻率法計算速度慢,保留了功率譜圖,可用于全地形車平順性的改進分析.