配備主動減振器的車輛道路模擬試驗研究

孫 野， 于長清， 王震偉， 劉志遠(yuǎn)，張子雙， 杜 書

(1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春 130013)

道路模擬試驗可以快速、有效地對車輛進(jìn)行耐久性考核，其具有試驗周期短、試驗重復(fù)性好等優(yōu)點，目前已被眾多整車生產(chǎn)廠家所采用[1-3].

車輛在設(shè)計時，要求具有一定的平順性和操穩(wěn)性[4]，為使車輛具有更好的性能，很多高端車型配備主動減振器，該減振器會根據(jù)車輛行駛的路況自動進(jìn)行減振器阻尼調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)整懸架軟硬.

由于具備主動減振器的車輛在行駛過程中采用全時主動減振控制方式，按照傳統(tǒng)道路模擬試驗方法，難以對具備主動減振器的車輛進(jìn)行試驗，需要在試驗中增加主動減振器控制環(huán)節(jié)，以實時控制主動減振器的阻尼特性，使其符合車輛在試驗臺架上振動狀態(tài)所要求的阻尼特性，進(jìn)而完成道路模擬試驗.

1 試驗方法

1.1 主動減振器控制

懸架電子控制單元(ECU，Electronic Control Unit)根據(jù)車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩、車身加速度、車身高度等一系列信號數(shù)據(jù)對車輛行駛狀態(tài)進(jìn)行判斷，并對主動控制閥輸出控制指令，控制閥門開度以提供適應(yīng)當(dāng)前行駛狀態(tài)的阻尼特性.

基于主動減振器控制原理，文中通過配置dSPACE的CAN報文仿真模塊建立硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，利用Simulink建立系統(tǒng)仿真模型，設(shè)置CAN報文收發(fā)接口，經(jīng)編輯和編譯后下載仿真程序到目標(biāo)機(jī)，實現(xiàn)將車輛CAN信號數(shù)據(jù)傳輸給懸架ECU，經(jīng)ECU計算后輸出相應(yīng)的控制指令給主動減振器，進(jìn)而實現(xiàn)對減振器阻尼的實時控制.

1.2 道路模擬試驗

配備主動減振器的車輛道路模擬試驗的基本流程及控制方法如圖1所示.

圖1 主動減振器車輛道路模擬試驗方法

文中基于MTS 329設(shè)備，對采用主動減振器的車輛進(jìn)行道路模擬試驗.采集汽車試驗場典型工況載荷譜，同步采集車輛行駛過程中的CAN報文；應(yīng)用粉紅噪聲信號驅(qū)動整車與臺架系統(tǒng)運(yùn)行，求解系統(tǒng)頻響函數(shù)[5-9]；對主動減振器車輛進(jìn)行迭代，迭代過程中，為懸架ECU發(fā)送CAN報文[10]，CAN報文的發(fā)送需與載荷驅(qū)動信號實時同步，保證減振器阻尼狀態(tài)與車輛振動狀態(tài)相一致.

2 數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 載荷測點選取

在整車道路模擬試驗中，應(yīng)用非方陣迭代法能夠有效地保證迭代準(zhǔn)確度，選取懸架中部分零部件載荷、軸頭加速度、懸架位移信號等參與迭代，可使道路模擬試驗中懸架零部件所受載荷與路試時更加接近，保證車身運(yùn)動姿態(tài)相一致[11].

綜合考慮試驗,重點關(guān)注零部件及懸架各部件在車輛行駛時的受力情況，選取的測點需盡量與車輪受到的縱向力、側(cè)向力、垂向力中的某一方向力相關(guān)性高，而受其它方向力的干擾較小，保證測點與單一方向力相關(guān)性高,有利于迭代的收斂，提高迭代準(zhǔn)確度.文中采集的信號及所用傳感器見表1所示.

表1 采集信號與傳感器

2.2 CAN報文采集

在載荷譜采集過程中，需通過車輛CAN總線同步采集懸架CAN報文信息，CAN報文需與載荷譜信號實時對應(yīng).

2.3 典型工況

試驗中采集的典型工況及車速如表2所示.

表2 典型工況與車速

3 頻響函數(shù)求解與迭代

3.1 試驗系統(tǒng)

道路模擬試驗系統(tǒng)為多輸入、多輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)模型如圖2所示.其中：X(ω)為系統(tǒng)輸入信號矩陣；Y(ω)為系統(tǒng)輸出信號矩陣；H(ω)為系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣.

圖2 多輸入、多輸出試驗系統(tǒng)

忽略試驗系統(tǒng)中非線性因素的影響，把整個系統(tǒng)簡化為線性時不變系統(tǒng)，則頻響函數(shù)矩陣H(ω)計算方法為

H(ω)=Gyx(ω)/Gxx(ω)，

(1)

式中：Gyx(ω)是輸出與輸入信號互功率譜密度(dB)；Gxx(ω)是輸入信號自功率譜密度(dB).

進(jìn)行系統(tǒng)頻響函數(shù)求解時，應(yīng)用粉紅噪聲信號激勵系統(tǒng)運(yùn)行，各傳感器采集響應(yīng)信號，根據(jù)式(1)計算得到系統(tǒng)頻響函數(shù)矩陣H(ω).

3.2 粉紅噪聲激勵信號

3.2.1 能量分布

粉紅噪聲的能量主要分布于中低頻段，其能量隨著頻率的增加而降低，功率譜密度與頻率成反比，應(yīng)用粉紅噪聲驅(qū)動系統(tǒng)可有效求解出系統(tǒng)頻響函數(shù).文中生成粉紅噪聲能量分布在[0,50 Hz]頻率范圍,所生成的左前輪垂向激勵信號功率譜密度曲線如圖3所示.

圖3 左前輪垂向粉紅噪聲激勵功率譜密度

3.2.2 幅值分布

生成的粉紅噪聲激勵信號幅值分布服從N(0,σ2)的高斯分布，依據(jù)“3σ”原理，在高斯分布下，落在[-3σ，3σ]區(qū)間的幅值占比為99.7%，所以，在設(shè)定粉紅噪聲信號幅值時，主要給3σ進(jìn)行賦值，并且要求用給定的幅值所生成的粉紅噪聲信號激勵系統(tǒng)運(yùn)行后，得到的響應(yīng)信號最大值應(yīng)介于目標(biāo)信號最大值的20%～100%之間.文中生成的左前輪垂向粉紅噪聲激勵信號給定的3σ值為6，幅值高斯分布圖如圖4所示.

圖4 左前輪垂向粉紅噪聲激勵幅值高斯分布圖

3.3 頻響函數(shù)求解

頻響函數(shù)表征了試驗系統(tǒng)在各頻率下的系統(tǒng)特性，主要指輸出信號、輸入信號幅值比與頻率的函數(shù)關(guān)系，和輸出信號、輸入信號相位差與頻率的函數(shù)關(guān)系，頻響函數(shù)直觀反映了試驗系統(tǒng)對各頻率輸入信號的響應(yīng)特性.

在求解系統(tǒng)頻響函數(shù)時，為使控制指令所控制的主動減振器阻尼狀態(tài)符合頻響函數(shù)求解時粉紅噪聲驅(qū)動車輛過程中車輛的振動狀態(tài)，依據(jù)車輛運(yùn)動狀態(tài)，通過硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)為電控懸架ECU發(fā)送特定的仿真CAN報文信號，此CAN報文信號經(jīng)ECU計算后，ECU為主動減振器發(fā)送控制指令，控制減振器阻尼達(dá)到期望狀態(tài).

3.4 迭代

由于系統(tǒng)非線性的存在，無法通過線性計算準(zhǔn)確預(yù)測輸入信號，需要通過迭代使臺架響應(yīng)信號不斷趨近期望響應(yīng)信號.迭代過程中，依據(jù)前文1.1所述的方法實時控制主動減振器阻尼狀態(tài)，使其與車輛振動狀態(tài)相匹配.

迭代初始時，應(yīng)用系統(tǒng)頻響函數(shù)H(ω)和期望響應(yīng)Yd(ω)，計算頻域初始驅(qū)動信號X0(ω)為

X0(ω)=diag(α)[H(ω)-1Yd(ω)]，

(2)

式中：α為步長系數(shù)，取值范圍[0.01,1].通過α可以控制每一步迭代的步長，即控制響應(yīng)信號趨近于期望響應(yīng)速度的快慢，迭代初始階段，由于與期望響應(yīng)信號差距較大，α取值不宜過大，過大的取值可能會使迭代發(fā)散，應(yīng)隨著迭代的不斷進(jìn)行，響應(yīng)信號與期望響應(yīng)信號誤差逐漸縮小，逐步加大α的取值.

頻域初始驅(qū)動信號X0(ω)經(jīng)過傅里葉逆變換，得到初始驅(qū)動信號X0(t).用初始驅(qū)動信號X0(t)驅(qū)動試驗系統(tǒng)運(yùn)行，得到第1次響應(yīng)信號Y1(t)，依次進(jìn)行迭代，假設(shè)第i次響應(yīng)信號為Yi(t)，則響應(yīng)信號Yi(t)與期望響應(yīng)信號Yd(t)的時域誤差ΔYi(t)為

ΔYi(t)=Yd(t)-Yi(t).

(3)

對ΔYi(t)進(jìn)行傅里葉變換,可得頻域響應(yīng)誤差ΔYi(ω).計算第i次頻域驅(qū)動信號修正ΔXi(ω)為

ΔXi(ω)=H(ω)-1ΔYi(ω).

(4)

頻域驅(qū)動信號修正ΔXi(ω)經(jīng)過傅里葉逆變換得到驅(qū)動修正信號ΔXi(t)，修正后的驅(qū)動信號Xi(t)為

Xi(t)=Xi-1(t)+diag(α)ΔXi(t).

(5)

當(dāng)由Xi(t)驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行得到的響應(yīng)信號與期望響應(yīng)信號誤差滿足試驗要求時，迭代結(jié)束.

3.5 迭代誤差

每一步迭代中，應(yīng)用臺架響應(yīng)信號相對期望響應(yīng)信號的均方根誤差對迭代準(zhǔn)確度進(jìn)行評價，可以直觀地了解到迭代收斂情況，有助于分析響應(yīng)信號與期望響應(yīng)信號的偏差，一般，迭代誤差越小，代表迭代收斂情況越好，道路模擬試驗準(zhǔn)確度越高.均方根誤差Err計算方法為

(6)

經(jīng)過一定迭代次數(shù)，信號逐漸收斂，迭代誤差趨于穩(wěn)定，部分典型工況迭代次數(shù)及迭代誤差見表3.由表3可知，前輪輪心載荷迭代誤差均在20%以下，收斂效果較好，符合試驗要求.

表3 部分典型工況迭代誤差

4 一致性分析

對迭代后的臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)，分別從時域、頻域和相對損傷3個方面進(jìn)行一致性分析[11].

4.1 時域分析

圖5(a)、(b)所示分別為魚鱗坑路工況的車輛右后輪Fz臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)的時間歷程曲線，表4所示為魚鱗坑路工況的車輛右后輪Fx、Fy、Fz載荷臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)的統(tǒng)計量對比.由圖5和表4可知，臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)在最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計量的數(shù)值差距較小，誤差均在5%以內(nèi)，信號時域特征表現(xiàn)基本一致.

圖5 期望響應(yīng)與臺架響應(yīng)時間歷程曲線

表4 期望響應(yīng)與臺架響應(yīng)統(tǒng)計量

結(jié)果表明，通過發(fā)送CAN報文對主動減振器車輛進(jìn)行迭代，所得臺架響應(yīng)信號與期望響應(yīng)信號的載荷統(tǒng)計量一致性較好，道路模擬試驗較好地再現(xiàn)了車輛在實際道路上的動態(tài)時域響應(yīng)特性.

4.2 頻域分析

利用功率譜對臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)進(jìn)行分析，其主要表征了零部件在相應(yīng)頻率范圍內(nèi)吸收能量的大小.圖6所示為魚鱗坑路工況車輛右后輪Fz臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)在[0,50 Hz]范圍內(nèi)的功率譜密度曲線.由圖6可知，臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)功率譜密度峰值及對應(yīng)頻率基本相同，能量分布基本一致.

圖6 期望響應(yīng)與臺架響應(yīng)功率譜密度

結(jié)果表明，迭代后的臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)在頻域上的能量分布一致性較好，道路模擬試驗較好地再現(xiàn)了車輛在實際道路上的頻域響應(yīng)特性.

4.3 疲勞損傷分析

依據(jù)帕姆格倫-邁因納(Palmgren-Miner)線性疲勞損傷累計理論，計算臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)完成相同工況耐久試驗循環(huán)數(shù)時的偽損傷.表5為車輛右后輪部分測試通道期望響應(yīng)與臺架響應(yīng)的偽損傷，圖7為車輛右后輪部分測試通道臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)偽損傷對比.由表5可知，各測試通道臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)偽損傷數(shù)值處于相同數(shù)量級，數(shù)值差距較??；由圖7可知，各測試通道臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)偽損傷比值均在[0.8,1.6]區(qū)間范圍內(nèi)，滿足疲勞耐久試驗要求.

表5 期望響應(yīng)與臺架響應(yīng)偽損傷

圖7 臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)偽損傷對比

結(jié)果表明，迭代后的臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)偽損傷一致性較好，道路模擬試驗有效地復(fù)現(xiàn)了車輛在實際道路上的疲勞耐久特性.

5 主動減振器控制與非控制狀態(tài)迭代響應(yīng)信號對比

為進(jìn)一步說明主動減振器在控制與非控制狀態(tài)下，迭代響應(yīng)信號之間的區(qū)別，文中對車輛處于兩種狀態(tài)時分別進(jìn)行迭代，對比兩者迭代響應(yīng)信號與期望響應(yīng)信號的時域重合度和迭代誤差，分析車輛處于兩種條件下時的迭代收斂情況.

5.1 時域?qū)Ρ?/h3>

迭代后的臺架響應(yīng)與期望響應(yīng)在時域的重合情況，直接反映了迭代準(zhǔn)確度.主動減振器控制與否，主要影響懸架垂向運(yùn)動，在采集的響應(yīng)信號中，減振器位移信號表征了懸架垂向運(yùn)動狀態(tài)，間接反映出減振器是否處于正確的阻尼狀態(tài).如圖8所示，為鐵路工況下主動減振器控制與非控制時減振器位移信號的時域?qū)Ρ惹闆r.

圖8 位移信號時域?qū)Ρ?/p>

從圖8中可以清楚看到，主動減振器在控制狀態(tài)下，位移信號與期望響應(yīng)基本重合，證明減振器阻尼特性與路試時一致；而在非控制狀態(tài)下，即ECU不為減振器發(fā)送控制指令時，減振器阻尼為偏硬的阻尼特性，所以圖中非控制狀態(tài)位移信號比期望響應(yīng)幅值偏小，誤差較大.

5.2 迭代誤差對比

從迭代誤差收斂趨勢上，亦可看出主動減振器在控制與非控制條件下收斂情況的差別，同樣以鐵路工況為例，對車輛處于兩種狀態(tài)下迭代時，應(yīng)用相同的頻響函數(shù)，且迭代的步長系數(shù)相同，如圖9所示，為主動減振器在控制與非控制條件下后輪減振器位移的迭代誤差對比圖.從圖中可知，主動減振器非控制狀態(tài)時，位移誤差較大，該信號通道完全不收斂；而在主動減振器給予正確控制時，位移誤差較小，收斂效果好.

圖9 位移迭代誤差對比

6 結(jié) 論

文中通過將CAN報文發(fā)送給懸架ECU，由ECU計算并為主動減振器發(fā)送控制指令，控制主動減振器阻尼狀態(tài)，同時，保證CAN報文的發(fā)送與載荷譜信號實時同步，使主動減振器阻尼狀態(tài)與車輛振動狀態(tài)相符，求解系統(tǒng)頻響函數(shù)，對配備主動減振器的車輛進(jìn)行迭代，并對迭代后的臺架響應(yīng)信號與期望響應(yīng)信號進(jìn)行時域、頻域和偽損傷的一致性分析，通過對比主動減振器控制與非控制狀態(tài)下迭代后的臺架響應(yīng)信號，分析時域信號重合度與迭代誤差，證明CAN報文仿真控制主動減振器的方法能夠有效對配備主動減振器的車輛進(jìn)行道路模擬試驗.