軸耦合道路模擬試驗關(guān)鍵控制因素研究

陳禹，周德泉，劉建文，王新偉

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

道路模擬試驗由于具有周期短、重復(fù)性好、不受天氣影響、可長時間不間斷試驗等特點，在汽車研發(fā)領(lǐng)域已得到廣泛運用。美、歐及日本等汽車工業(yè)強國在該領(lǐng)域的研究較為領(lǐng)先，國內(nèi)也先后有田力軍[1]、胡毓冬、周鋐[2][3]等人針對其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理進行了深入研究。目前，對道路模擬領(lǐng)域的研究主要側(cè)重于迭代控制策略、與試驗場或用戶關(guān)聯(lián)及其與仿真分析的結(jié)合應(yīng)用等方面，而針對其結(jié)果準確性的影響因素方面則少有涉及。

在道路模擬試驗過程中，臺架設(shè)備、控制系統(tǒng)和車輛組成復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，試驗結(jié)果受臺架狀態(tài)、軟件參數(shù)、車輛狀態(tài)及環(huán)境等方面影響。本文基于6 自由度軸耦合道路模擬試驗系統(tǒng)（二十四通道），對道路模擬試驗過程進行梳理，針對其中影響試驗結(jié)果的關(guān)鍵因素展開研究。

1 道路模擬過程分析

道路模擬試驗主要步驟包括：①道路載荷譜采集；②數(shù)據(jù)處理和編輯；③求解傳遞函數(shù)；④驅(qū)動譜迭代，獲得驅(qū)動信號；⑤實施臺架耐久。

1.1 道路載荷譜采集

道路載荷譜采集的目的是獲取目標信號，采集通道包括控制通道和監(jiān)控通道。控制通道用于臺架迭代控制，一般為六分力、軸頭加速度、懸架位移等；監(jiān)控通道用于迭代結(jié)果輔助分析和判斷，通常為塔座、質(zhì)心加速度及底盤應(yīng)變等。

1.2 數(shù)據(jù)處理

道路載荷譜采集獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)去除異常幅值、除毛刺及去漂移等處理后，一般可得到至少5 組數(shù)據(jù)樣本。道路模擬試驗通常從中選擇一組，經(jīng)濾波、去均值、重采樣等處理后作為目標信號。數(shù)據(jù)處理技術(shù)有系統(tǒng)理論和成熟軟件的支持，而數(shù)據(jù)樣本選取直接決定道路模擬目標信號，顯得尤為重要。

1.3 求解傳遞函數(shù)及驅(qū)動譜迭代

通過白噪聲激勵進行系統(tǒng)識別，所得的頻響函數(shù)矩陣即為系統(tǒng)傳遞函數(shù)H(jω)。對于該系統(tǒng)，輸入和輸出存在如下關(guān)系：

其中，X(jω)、Y(jω)分別為系統(tǒng)輸入X(t)、輸出Y(t)的傅里葉變換。根據(jù)RPC 理論，系統(tǒng)初始驅(qū)動信號由下式求得：

其中，X0(jω)為初始驅(qū)動信號X0(t)的傅里葉變換， Yd(jω)為目標信號Yd(t)的傅里葉變換，H-1(jω)為傳遞函數(shù)H(jω)的逆矩陣，g 為增益系數(shù)。

后續(xù)驅(qū)動信號求解公式為：

式中，Xi(jω)、Xi+1(jω)分別為第i 步、第i+1 步驅(qū)動信號的傅里葉變換，ΔX(jω)為驅(qū)動信號修正量，由Xi+1(jω)的傅里葉逆變換可求得下一步驅(qū)動的時域信號。迭代的一般流程如圖1。

圖1 迭代流程

傳遞函數(shù)求解以成熟的自動化控制理論為背景，結(jié)合臺架設(shè)備特性，易形成固化的方法和流程；迭代過程由于非線性因素較多，對試驗結(jié)果影響較大。

1.4 臺架耐久

臺架耐久是通過驅(qū)動信號重復(fù)以播放實現(xiàn)車輛耐久考核，過程中需要對減振器及底盤襯套進行充分冷卻，并按時對車輛和設(shè)備進行點檢。

基于上述分析，總結(jié)如下：

（1）目標信號作為道路模擬試驗的輸入條件和復(fù)現(xiàn)目標，選擇合理與否非常重要；

（2）迭代結(jié)果直接決定道路模擬準確性，該過程中影響因素較多，主要包含車輛、臺架系統(tǒng)以及環(huán)境（減振器、襯套冷卻）等方面。

2 要素分析

綜上，影響道路模擬試驗的關(guān)鍵因素在于：①目標信號確定（樣本選?。虎诘刂茀?shù)，包括帶寬、增益及迭代結(jié)果評價等；③車輛狀態(tài)，如配重、減振器/襯套溫度等。

2.1 目標信號確定

確定目標信號即選取存活率為50%的數(shù)據(jù)樣本，按經(jīng)驗若有5 個樣本，則有95%的概率使50%存活率的樣本誤差限度在5%以內(nèi)，通常采用Rossow 方法[4]。

2.1.1 Rossow 方法原理

當子樣較小時，無論抽樣母體為何種分布，均可用以下方法來確定個體所對應(yīng)的母體存活率估計量。

首先將所有樣本進行排序，即：

則對應(yīng)第i 個觀測值Xi 的母體存活率P 為：

其中i 為樣本排序號，n 為樣本總數(shù)。

2.1.2 樣本選取

載荷譜數(shù)據(jù)包含多個通道，因此不可能用式（4）和式（5）直接求算，需對各樣本進行損傷向量模計算并歸一化。以某車型載荷譜數(shù)據(jù)為例，首先對控制通道進行相對損傷計算，5個樣本的計算結(jié)果見表1。

表1 樣本損傷向量

以任一樣本（如樣本3）為基準將表1 結(jié)果歸一化，結(jié)果見表2。

表2 歸一化結(jié)果

根據(jù)式（4）和式（5）可得，樣本4 即存活率為50%的樣本。

2.2 迭代過程控制

2.2.1 控制帶寬

根據(jù)頻率分析結(jié)果，道路模擬迭代控制頻率通常為0.6～50Hz，如圖2 所示。

圖2 道路載荷譜頻率分析

為研究控制帶寬對迭代的影響，針對某路面分別以0.6～50Hz、1～50Hz、2～50Hz、1～30Hz 等4 個頻段進行迭代，直至所有控制通道RMS Error≤10%。迭代結(jié)果對比見圖3。

圖3 控制帶寬對迭代的影響

上圖說明：

①以0.6～50Hz 和1～50Hz 迭代，均能獲得理想效果，但前者存在響應(yīng)超出目標的風險；

②以1～30Hz 迭代，高頻成分損失較多，導致與軸頭關(guān)聯(lián)的載荷減小，但對車身響應(yīng)無影響；

③以2～50Hz 迭代，車身姿態(tài)變化受較大影響，底盤響應(yīng)無顯著影響。

2.2.2 增益系數(shù)

針對某路面以1～50Hz 為帶寬，取大、小兩組增益進行迭代，直至所有控制通道RMS Error≤10%，對比Fx、Fy 及Fz 收斂曲線，結(jié)果見表3。

不難看出，較大的增益使收斂加快，提高迭代效率，但收斂曲線穩(wěn)定性變差。尤其對于Fy，大增益使其發(fā)散風險更高。

圖4 二十四通道臺架結(jié)構(gòu)

表3 不同增益系數(shù)收斂曲線

結(jié)合二十四通道臺架結(jié)構(gòu)特征，其縱向相對獨立，而側(cè)向和垂向互相干擾，如圖4?，F(xiàn)針對Fy 和Fz 進行大小增益控制下的收斂曲線對比，結(jié)果見表4。

表4 不同增益系數(shù)下Fy、Fz 收斂曲線

可見Fz 增益變化對Fy 影響明顯，其增益設(shè)置過大，易導致Fy 發(fā)散失控，應(yīng)在開始時設(shè)置較小增益值，待Fy 趨于收斂后視情況調(diào)整各通道增益以提高迭代速度。

2.2.3 迭代結(jié)果評價

圖5 試驗場特征路面分類

如圖5，試驗場特征路面一般包含寬頻隨機型、特定頻率型和瞬態(tài)沖擊型3 種。對于前兩種，結(jié)合RMS Error（均方根誤差）、Response Max（最大值誤差）和Response Min（最小值誤差）三個指標，一般都易于實現(xiàn)較高的迭代精度。

考慮沖擊型路面的迭代相對復(fù)雜，現(xiàn)以石塊路和坑洼路兩種類型路面的迭代結(jié)果進行對比，結(jié)果見表5。

表5 不同路面迭代結(jié)果對比

坑洼路RMS Error 降至20%后趨于平緩，最大值、最小值吻合度均已接近100%。因此，對于沖擊路面迭代結(jié)果的評價應(yīng)側(cè)重于最大值、最小值的復(fù)現(xiàn)度。

2.3 車輛配載

車輛配載對迭代響應(yīng)有著直接影響，為實現(xiàn)最大化驗證效果，選取滿載、半載、空載三種狀態(tài)進行研究，對比3 種載荷下的響應(yīng)，結(jié)果見圖6。

圖6 不同載荷的雨流結(jié)果

圖6 說明配載變化對六分力響應(yīng)基本無影響，但車身運動(起伏、俯仰、側(cè)傾等)隨配載減小而變大。對比三種載荷狀態(tài)下響應(yīng)與目標的損傷比，六分力信號均可實現(xiàn)對目標的良好復(fù)現(xiàn)，但懸架位移損傷隨配載減小而增大，空載狀態(tài)下?lián)p傷比最大達1.7 倍，如圖7 所示。因此，隨著載荷減小，車身會產(chǎn)生額外運動，導致車身姿態(tài)偏差，并進一步導致車身相關(guān)零件的受力情況差異。

圖7 不同載荷損傷分析結(jié)果

2.4 減振器溫度

為研究減振器溫度對車輛載荷的影響，以同樣的驅(qū)動信號，分別在減振器為室溫(26℃)和高溫(90℃)時播放，對響應(yīng)信號進行雨流分析，如下圖。

圖8 不同溫度的雨流結(jié)果

可見減震器溫度升高后，阻尼力減小，懸架位移量增加，車身姿態(tài)變化更明顯。同時，六分力損傷隨減振器溫度升高而減小，如圖9 所示。響應(yīng)與目標出現(xiàn)偏差，迭代控制受到影響。

圖9 不同減振器溫度的損傷分析

此外，減振器溫度升高導致懸架位移損傷增大，車身運動更明顯，姿態(tài)控制更加困難。綜上，減震器溫度變化導致底盤和車身響應(yīng)改變，迭代時為保證迭代效果和效率，應(yīng)控制減震器溫度處于合理范圍，不發(fā)生明顯變化。在耐久過程中也應(yīng)注重減震器溫度控制，以避免持續(xù)運動過程中溫度上升，車輛受力與實際道路差異，導致道路模擬試驗結(jié)果出現(xiàn)偏差。

3 總結(jié)

本文基于6 自由度軸耦合道路模擬試驗系統(tǒng)，對道路模擬試驗過程進行梳理，并針對試驗過程中關(guān)鍵的影響因素展開研究，獲得以下結(jié)論：

（1）控制帶寬方面，與軸頭響應(yīng)強關(guān)聯(lián)的零部件對上限頻率較為敏感，而車身姿態(tài)相關(guān)零部件對于下限頻率較敏感，迭代時應(yīng)根據(jù)不同路面視情況選擇合適的區(qū)間。

（2）側(cè)向?qū)τ诖瓜虻脑鲆嬷底兓浅Ｃ舾校_始時應(yīng)設(shè)置較小的垂向增益值，避免側(cè)向發(fā)散。

（3）迭代結(jié)果應(yīng)結(jié)合RMS 誤差、最大值和最小值三大指標進行綜合評價；對于沖擊型特征路面，側(cè)重于評估最大值和最小值的復(fù)現(xiàn)度。

（4）配重主要影響車身受力及姿態(tài)變化，而減震器溫度變化則對底盤結(jié)構(gòu)和車身運動均有影響，在道路模擬過程中應(yīng)注重對其進行合理的溫度控制。