整車道路模擬行駛載荷譜采集方法研究

程凱華， 周 力 ， 王金龍

(1.重慶車輛檢測(cè)研究院有限公司 國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 重慶 401122；2.電動(dòng)汽車安全評(píng)價(jià)重慶市工業(yè)和信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 401122)

汽車產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，整車及關(guān)鍵零部件的疲勞耐久性能是極其重要的性能之一，直接影響到汽車的安全與可靠性，必須通過(guò)疲勞耐久試驗(yàn)進(jìn)行重點(diǎn)考核[1-4]。疲勞耐久性能試驗(yàn)主要有道路試驗(yàn)和道路模擬試驗(yàn)兩種。近年來(lái)，由于道路模擬試驗(yàn)具有不受環(huán)境因素影響，試驗(yàn)周期短，能夠顯著降低試驗(yàn)成本，同時(shí)具有可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，整車道路模擬試驗(yàn)已經(jīng)成為整車耐久性能開發(fā)的重要手段。尤其是電動(dòng)汽車在做道路耐久試驗(yàn)時(shí)需要經(jīng)常充電，試驗(yàn)周期加長(zhǎng)，更需要采用道路模擬試驗(yàn)來(lái)縮短新車研發(fā)周期、加快產(chǎn)品迭代[5-7]。

整車及關(guān)鍵零部件的行駛載荷譜采集技術(shù)，是實(shí)驗(yàn)室道路模擬試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)[8-9]。此外，道路模擬試驗(yàn)精度的高低直接決定其成敗，而精確采集和處理試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜不僅可以為道路模擬試驗(yàn)提供可靠的模擬輸入，而且直接影響道路模擬迭代結(jié)果。本文通過(guò)合理布置整車采集系統(tǒng)，采集多路況的載荷譜，并經(jīng)過(guò)處理和分析，最終得到可以滿足整車耐久性道路模擬試驗(yàn)對(duì)動(dòng)態(tài)載荷譜的要求。

1 整車行駛載荷譜采集

為了精確采集整車在實(shí)際道路下的激勵(lì)，需要合理全面地布置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文以某款乘用車為采集對(duì)象，在該車實(shí)際使用地區(qū)的公共道路和試驗(yàn)場(chǎng)道路采集行駛載荷譜。在進(jìn)行實(shí)車布置各種傳感器時(shí)需要避免運(yùn)動(dòng)干涉，采集線路布置要盡可能避免車輛運(yùn)動(dòng)部件。根據(jù)企業(yè)需求，采集車輪六分力信號(hào)，作為后期進(jìn)行整車道路耐久試驗(yàn)的模擬迭代目標(biāo)。

此外，為了進(jìn)一步滿足企業(yè)對(duì)關(guān)鍵零部件的載荷采集要求，根據(jù)前期的有限元分析，在變速器殼體、減振器等考核部件的關(guān)鍵點(diǎn)布置應(yīng)變片和加速度傳感器，采集的信號(hào)不僅可以作為零部件模擬試驗(yàn)的期望響應(yīng)載荷譜，還可以作為監(jiān)控信號(hào)對(duì)整車模擬迭代試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。

基于此，建立的整車道路行駛載荷譜采集系統(tǒng)主要包括六分力等各種傳感器、eDAQ數(shù)據(jù)采集儀、電腦、電源等，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集儀器設(shè)備連接方案

在組建好整車道路測(cè)試系統(tǒng)后，根據(jù)路況需求選擇國(guó)內(nèi)某一試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行道路譜采集。此外，選取的這些路段必須具備以下特征：首先，要充分反映國(guó)內(nèi)路面實(shí)際情況；其次，要能夠保證在路譜采集過(guò)程中行駛的車輛較少，能夠保證采集人員及車輛的安全；還要能夠保證采集工作可以重復(fù)進(jìn)行。

由此，對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)高速環(huán)道、坡道、綜合路、耐久性路、舒適性路5種試驗(yàn)道路進(jìn)行滿載和半載的道路載荷譜采集，其中部分采集路況見(jiàn)表1。路譜采集過(guò)程中用GPS車速儀對(duì)車速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為選取合適的載荷譜需要采集3個(gè)相同的樣本。最終采集到的部分原始載荷譜如圖2和圖3所示。

表1 部分采集路況

圖2 右前輪的力載荷譜(綜合路)

圖3 右前輪的轉(zhuǎn)矩載荷譜(綜合路)

2 動(dòng)態(tài)載荷譜分析和處理

2.1 載荷譜數(shù)據(jù)分析

在采集的載荷譜中，對(duì)于應(yīng)變片采集到的應(yīng)變信號(hào)，為了與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，需要通過(guò)測(cè)試?yán)碚撨M(jìn)行計(jì)算，求得各測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力。

通過(guò)對(duì)原始載荷譜進(jìn)行頻譜分析來(lái)確定道路載荷功率譜頻率范圍，在此只展示3種路況的功率譜，如圖4所示。

圖4 頻譜分析

根據(jù)上述頻譜分析，可以看出整車道路模擬載荷譜頻率范圍在0～50 Hz，主要載荷集中在30 Hz以下，部分路況的分布情況見(jiàn)表2。通過(guò)頻譜分析可以確定整車的試驗(yàn)場(chǎng)路面載荷譜的頻率分布范圍，從而可以確定對(duì)整車模擬臺(tái)架的動(dòng)態(tài)特性要求，對(duì)后續(xù)建立整車路面工況模擬臺(tái)架提供動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)[10-12]，為整個(gè)系統(tǒng)的組建提供關(guān)鍵參數(shù)的參考。

表2 載荷分布頻率范圍 Hz

2.2 載荷譜數(shù)據(jù)處理

根據(jù)載荷譜數(shù)據(jù)頻譜分析結(jié)果，需要對(duì)原始載荷進(jìn)行濾波，其目的是要?jiǎng)h掉由環(huán)境噪聲等因素產(chǎn)生的50 Hz以上的高頻率信號(hào)。此外，通過(guò)觀察原始信號(hào)發(fā)現(xiàn)存在溫漂現(xiàn)象，因此，還需要進(jìn)行消除溫漂處理。在消除溫漂前，需要確定低頻溫漂頻率范圍。通過(guò)0.06～50 Hz、0.1～50 Hz、0.4～50 Hz帶通濾波來(lái)消除溫漂，可以發(fā)現(xiàn)0.06～50 Hz、0.1～50 Hz都可以消除溫漂且不失真，而0.4～50 Hz濾波后信號(hào)幅值和相位已經(jīng)失真，因此，通過(guò)對(duì)比，對(duì)0.06～50 Hz載荷譜選擇巴特沃斯帶通濾波。此外，由于電子信號(hào)干擾等各種因素導(dǎo)致采集的信號(hào)存在異常現(xiàn)象，比如存在毛刺、混淆等，需要?jiǎng)h除偽信號(hào)來(lái)提高目標(biāo)載荷信號(hào)的信噪比。

在對(duì)原始載荷譜信號(hào)進(jìn)行濾波等處理后，如果直接將其作為道路模擬試驗(yàn)加載譜，由于其信號(hào)采樣頻率為1 024 Hz,過(guò)高的采樣頻率容易造成模擬迭代失敗，無(wú)法保證能夠有一個(gè)較高的迭代精度。造成這種結(jié)果的原因主要是模擬迭代系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性無(wú)法達(dá)到這么高的頻率范圍。因此，為了后期能夠迭代成功，目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)的采樣頻率應(yīng)該控制在模擬迭代系統(tǒng)的頻響特性能夠達(dá)到的頻帶寬度。通過(guò)對(duì)模擬迭代系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析可知，其最高的頻率大概為204 Hz，也就是路面載荷時(shí)間歷程頻率的3～4倍。因此，對(duì)處理后的載荷譜進(jìn)行204 Hz的重采樣，重采樣前后的目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)對(duì)比結(jié)果(局部放大)如圖5所示。

圖5 重采樣前后目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)對(duì)比結(jié)果

3 道路載荷譜特征提取

為了便于后期對(duì)載荷譜進(jìn)行模擬迭代，需要全面分析采集的道路載荷譜的特征信息，包括最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等信息，綜合路況下右前輪的六分力載荷譜特征信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 右前輪六分力載荷譜特征信息(綜合路)

此外，為了進(jìn)一步能夠充分反映整車路面載荷譜的特征信息，需要對(duì)整車六分力載荷譜分別進(jìn)行一階求導(dǎo)以及二階求導(dǎo)，也就是進(jìn)一步提取獲得六分力載荷譜的變化速度和變化加速度，為后續(xù)進(jìn)行道路模擬迭代分析提供依據(jù)，如圖6和圖7所示。經(jīng)過(guò)特征統(tǒng)計(jì)分析可以明顯看出，六分力載荷譜的變化速度范圍為0～7×105N/s，變化加速度范圍為0～3.7×108N/s2。

圖6 力變化速度

圖7 力變化加速度

4 結(jié)束語(yǔ)

論文通過(guò)對(duì)整車道路模擬載荷譜采集技術(shù)，以及試驗(yàn)場(chǎng)載荷處理技術(shù)進(jìn)行研究，為試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)車采集載荷譜提供了依據(jù)；為零部件CAE分析提供了載荷輸入；為企業(yè)建立整車道路激勵(lì)數(shù)據(jù)庫(kù)提供了數(shù)據(jù)支撐；對(duì)整車及部件的載荷譜信息特征進(jìn)行了全面分析，為后續(xù)采集整車行駛載荷譜提供了參考。