白學(xué)文， 齊志會， 吳 艷， 劉 遷， 白文通

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

在新能源汽車開發(fā)的過程中，為了快速暴露車輛設(shè)計的缺陷，各開發(fā)階段樣車都需要開展整車耐久性試驗。往常的做法都是通過整車實際道路試驗發(fā)現(xiàn)問題，再將改進件搭載整車重復(fù)道路試驗直至所有問題不再出現(xiàn)為止，整個試驗驗證周期較長，人力成本投入較高[1-2]。

為了減少對整車實際道路試驗的依靠，提高產(chǎn)品試驗場整車道路試驗的通過率，在車輛開發(fā)過程中，需要通過其他方式來代替實際道路試驗。目前，室內(nèi)道路模擬試驗是一種非常有效的試驗手段，簡單地說，就是將試驗場的路面激勵，通過試驗臺架加載到整車上，開展整車的耐久性試驗，這樣就實現(xiàn)了將道路試驗向室內(nèi)臺架的轉(zhuǎn)移[3]。整車室內(nèi)道路模擬耐久性試驗具有非常接近整車道路試驗工況的特點，同時試驗周期短，重復(fù)性好，能夠提前發(fā)現(xiàn)整車耐久性的問題并驗證解決效果，縮短開發(fā)周期[4-5]。

文中以兩軸新能源冷鏈物流車整車耐久性試驗為依托，借助車輛道路模擬試驗臺架系統(tǒng)，開展了道路模擬試驗技術(shù)在新能源汽車開發(fā)過程中的應(yīng)用研究，并通過了試驗驗證。驗證過程中，通過試驗系統(tǒng)的有效搭建，系統(tǒng)辨識模型的有效獲取，以及迭代參數(shù)的合理設(shè)計，最終獲取滿足精度要求的路面激勵信號，并用于整車耐久性試驗，為后續(xù)指導(dǎo)車輛設(shè)計與改進奠定了一定的基礎(chǔ)。

1 道路模擬試驗技術(shù)

1.1 目標(biāo)載荷譜的編輯技術(shù)

汽車以及零部件的實際服役周期往往很長，如果直接使用實際測量獲取的原始載荷譜進行臺架耐久性試驗，那么試驗周期將會十分漫長。因此，為了縮短試驗時間，采取合理有效的載荷譜編制方法對實際測量獲取的原始載荷譜進行加速處理是十分重要的。

道路載荷譜采集獲取之后，首先需要對道路載荷譜進行分析和預(yù)處理，主要包括數(shù)據(jù)的平穩(wěn)隨機性分析、相關(guān)性分析、統(tǒng)計計算、選取最佳樣本、數(shù)據(jù)異常點剔除、中心化處理、重采樣和濾波等項目，然后開展載荷譜的加速處理，即目標(biāo)載荷譜的編輯工作。

道路載荷譜的加速處理是基于損傷等效的時域損傷編輯法進行的，該方法直接以原始載荷-時間歷程為對象，通過刪除無損傷或者小損傷載荷對應(yīng)的時間歷程，在不改變損傷或犧牲部分損傷的基礎(chǔ)上實現(xiàn)載荷譜的加速[6-8]。利用損傷等效原則對載荷譜進行編輯時，應(yīng)遵循以下原則：

(1) 采用編輯后的載荷譜進行試驗產(chǎn)生的(偽)損傷值與原載荷譜所產(chǎn)生的(偽)損傷值基本相同；

(2) 編輯后的載荷譜與原載荷譜對試驗對象產(chǎn)生的(偽)損傷或失效模式基本一致；

(3) 編輯后的載荷譜與原載荷譜的功率譜密度接近；

(4) 編輯后的載荷譜與原載荷譜的相位一致；

(5) 編輯后的載荷譜應(yīng)能夠滿足道路模擬試驗系統(tǒng)的信號迭代要求。

1.2 系統(tǒng)辨識技術(shù)

系統(tǒng)辨識就是通過測取研究對象在人為輸入作用下的輸出響應(yīng)，或正常運行時的輸入輸出數(shù)據(jù)記錄，加以必要的數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)計算，估計出對象的數(shù)學(xué)模型[9-10]。

文中闡述的道路模擬試驗系統(tǒng)采用的控制方法是目前國際上進行道路模擬試驗普遍采用的RPC(Remote Parameter Control)法，屬于頻域辨識方法，即采用相關(guān)分析估計系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)或用輸入輸出的互功率譜與輸入信號的自功率譜相除估計系統(tǒng)的頻響函數(shù)，可以不對系統(tǒng)進行參數(shù)化，因此，也稱為非參數(shù)系統(tǒng)辨識。辨識完成后即為定值，在后續(xù)的迭代中也保持不變，主要是通過模擬迭代的方法消除非線性因素和有色噪聲的影響[11-13]。

頻率響應(yīng)函數(shù)是線性系統(tǒng)在頻域中動態(tài)特性的描述，它既可以通過理論分析方法由系統(tǒng)的傳遞函數(shù)求出，也可以由動態(tài)特性試驗方法得到。而對于文中闡述的道路模擬試驗系統(tǒng)而言，用理論分析方法是很難得到的，而是使用試驗方法來求得頻率響應(yīng)函數(shù)，其最終結(jié)果多為頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)或是曲線，即系統(tǒng)的非參數(shù)型數(shù)學(xué)模型[14-15]。

系統(tǒng)頻響函數(shù)的計算表達式為

H=Rxy(noise,response)/Rxx(noise)

(1)

式中：x為系統(tǒng)的輸入(白粉噪聲)；y為輸入x時在軸頭測量的響應(yīng)信號；H為系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣；Rxy(noise,response)為輸入信號(白粉噪聲)與對應(yīng)響應(yīng)信號之間的互功率譜密度矩陣；Rxx(noise)為輸入信號(白粉噪聲)的自功率譜密度矩陣[16]。

對于道路模擬試驗系統(tǒng)，試驗時的輸入數(shù)據(jù)是由上位機生成并由下位機執(zhí)行，與系統(tǒng)響應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)相比，干擾是很小的。所以，道路模擬試驗系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)的估計采用輸出有干擾時的估計模型，即通常所說的H1頻響函數(shù)估計技術(shù)。

1.3 路譜迭代技術(shù)

假設(shè)期望響應(yīng)信號為yD(t)，H(f)為通過選擇合適的系統(tǒng)激勵信號獲得了辨識精度較高的系統(tǒng)頻響函數(shù)。

迭代流程如圖1所示。

圖1 迭代算法流程圖Fig.1 Iterative algorithm flow chart

迭代算法的數(shù)學(xué)表達如下所示：

設(shè)響應(yīng)y0(t)與期望響應(yīng)yD(t)的偏差為

ε0(t)=yD(t)-y0(t)

(2)

偏差譜為

E0(f)=FFT-1[ε0(t)]

(3)

據(jù)此求出驅(qū)動譜的修正譜

ΔX0(f)=H-1(f)E0(f)

(4)

然后確定驅(qū)動信號的時域修正值

Δx0(t)=FFT-1[ΔX0(f)]=
FFT-1[H-1(f)·E0(f)]

(5)

進而得到新的驅(qū)動信號

x1(t)=Δx0(t)·α+x0(t)

(6)

為防止驅(qū)動信號超限引起設(shè)備故障，Δx0(t)前乘以一個小于1的因子α(稱為衰減系數(shù)或反饋系數(shù))， 0<α<1。

用新的驅(qū)動信號x1(t)激勵系統(tǒng)， 測量響應(yīng)y1(t)并計算偏差

ε1(t)=yD(t)-y1(t)

(7)

同時進行迭代誤差判斷，當(dāng)?shù)葷M足要求之后，迭代停止，否則重復(fù)迭代過程，繼續(xù)迭代，直到滿足給定的精度為止，最終得到用于最后試驗所用的驅(qū)動信號。

2 某型號新能源汽車整車室內(nèi)道路模擬耐久性試驗應(yīng)用實例

整車室內(nèi)道路模擬耐久性試驗包括道路載荷譜的采集、目標(biāo)載荷譜的編輯、系統(tǒng)辨識、路譜迭代和臺架耐久性試驗。首先，在試驗場開展整車道路載荷譜的采集工作，獲取整車道路載荷譜；其次，利用目標(biāo)載荷譜編輯技術(shù)對原始道路載荷譜進行處理，生成用于路譜迭代的目標(biāo)載荷譜；然后，基于上述獲取的目標(biāo)道路載荷譜開展道路模擬迭代試驗，獲取符合精度要求的路面激勵信號，包括系統(tǒng)辨識工作和路譜迭代工作；最后，按照客戶的里程要求，利用生成的路面激勵信號開展整車臺架耐久性試驗。具體流程如圖2所示。

圖2 整車道路模擬耐久性試驗流程Fig.2 Test process of vehicle road simulation durability test

2.1 道路載荷譜的采集

文中選取兩軸新能源冷鏈物流車(車輛為滿載狀態(tài))為試驗對象，在通州汽車試驗場開展道路載荷譜的采集。傳感器類型包括加速度、位移和應(yīng)變，用于迭代控制和迭代監(jiān)測，其中迭代控制點的選取應(yīng)對路面不平度比較敏感，這樣有利于提高信號的信噪比，同時還應(yīng)靠近振動臺上的作動器位置，將來有利于再現(xiàn)道路模擬試驗；迭代監(jiān)測點的選取應(yīng)考慮車輛設(shè)計的薄弱點，可參考仿真計算結(jié)果和實際道路試驗結(jié)果，將來有利于指導(dǎo)和改進設(shè)計。文中選取車輛軸頭加速度測點為迭代控制點，其余測點為迭代監(jiān)測點。

2.2 目標(biāo)載荷譜的編輯和生成

按照2.1闡述的原則，利用LMS Tecware軟件開展目標(biāo)載荷譜的編輯工作，載荷譜編輯前后的對比如圖3～圖5所示。

圖3 載荷譜編輯前后時域曲線對比圖例Fig.3 Comparison of time-domain curves before and after load spectrum editing

圖4 載荷譜編輯前后PSD曲線對比圖例Fig.4 Comparison of PSD curves before and after load spectrum editing

圖5 載荷譜編輯前后累計偽損傷對比圖例Fig.5 Comparison of cumulative pseudodamage curves before and after load spectrum editing

2.3 系統(tǒng)辨識模型的輸出

2.3.1 辨識參數(shù)的設(shè)置

辨識過程中，合理的選擇系統(tǒng)辨識的輸入信號是保證辨識精度的重要環(huán)節(jié)，為了使系統(tǒng)可辨識，輸入信號必須滿足一定的條件。最低要求是：在辨識時間內(nèi)試件必須被信號持續(xù)激勵，或者說，在試驗期間，輸入信號必須充分激勵試件的所有模態(tài)，這就是一個關(guān)于辨識輸入信號的最優(yōu)設(shè)計問題。在進行辨識參數(shù)設(shè)置時，需要重點關(guān)注的是：①辨識信號的強度應(yīng)與實際路面激勵信號的強度接近，即信號的標(biāo)準(zhǔn)方差值應(yīng)基本接近；②信號的衰減速度不宜過快，衰減系數(shù)一般取0.5～1.0。

2.3.2 辨識模型的評價

對于一個隨機振動系統(tǒng)，為了評價輸入信號與輸出信號的因果性，即系統(tǒng)的響應(yīng)y(t)中有多少成分是有激勵x(t)產(chǎn)生的，可以用相干函數(shù)來表示。工程上，當(dāng)在所關(guān)心的頻率范圍內(nèi)相干函數(shù)的值大于0.7就表明輸入輸出之間有良好的線性關(guān)系。辨識結(jié)果如圖6所示。

圖6 各通道相干函數(shù)曲線Fig.6 The coherent function curves of each channel

2.3.3 辨識模型的輸出

按照上述辨識參數(shù)設(shè)置的原則，開展系統(tǒng)辨識工作，獲取符合要求的系統(tǒng)頻響函數(shù)，各通道的頻響函數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 各通道頻響函數(shù)曲線Fig.7 The frequency response function curve of each channel

2.4 迭代結(jié)果的輸出

2.4.1 迭代參數(shù)的設(shè)置

迭代過程中，需要對迭代參數(shù)誤差反饋值進行設(shè)置，為防止迭代過程發(fā)散導(dǎo)致驅(qū)動信號超限，引起設(shè)備故障，誤差反饋值要根據(jù)試驗的收斂情況決定增加或者減小，如果第n次的收斂效果比第n-1次的收斂效果好，可以適當(dāng)增加誤差反饋值，反之，需要減小誤差反饋值，誤差反饋值即為上述提到的衰減系數(shù)或反饋系數(shù)α。

2.4.2 迭代結(jié)果的評價

本試驗使用的迭代精度計算方式為均方根值定義，按這種定義，將測量值的均方根值與目標(biāo)值的均方根值之間的比值作為判定標(biāo)準(zhǔn)，并觀察其接近于100%的程度來判斷各通道是否收斂

(8)

每次迭代后，在有效數(shù)據(jù)長度上計算相對精度，當(dāng)相對精度滿足預(yù)定精度時，即停止迭代，本試驗的預(yù)定精度要求為95%≤V≤105%。

2.4.3 迭代結(jié)果的輸出

系統(tǒng)辨識之后，按照迭代參數(shù)設(shè)置原則進行參數(shù)設(shè)置，并利用上述獲取的辨識模型和目標(biāo)道路載荷譜開展道路模擬迭代試驗，迭代結(jié)果如圖8～圖10所示，從圖8～圖10中可以看出，系統(tǒng)經(jīng)過了20次迭代，達到了預(yù)定精度要求，獲取的驅(qū)動信號可以用于后續(xù)的臺架耐久性試驗。

圖8 迭代結(jié)果Fig.8 The iteration results

圖9 目標(biāo)信號與測量信號時域波形對比圖例Fig.9 The time domain waveform comparison curve of the target signal and the measurement signal

圖10 目標(biāo)信號與測量信號PSD能量分布對比圖例Fig.10 The PSD energy distribution comparison curve of the target signal and the measurement signal

2.5 臺架耐久性試驗

利用上述迭代試驗獲取的驅(qū)動信號開展被試車輛的耐久性試驗，本試驗的里程要求為6 000 km，試驗過程中，按照被試車輛的實際使用工況進行分級試驗，分級情況如表1所示。

表1 臺架試驗分級情況統(tǒng)計表

按照每天6 h的有效時間計算，實際道路有效試驗時間與室內(nèi)臺架有效試驗時間對比分析情況，如表2所示。

表2 道路試驗與臺架試驗對比分析表

在開展被試車輛臺架耐久性試驗的過程中，需要對被試車輛的故障進行記錄，并與實際道路試驗進行對比，經(jīng)對比，兩種試驗方式的故障類似，故障情況見表3所示。

表3 臺架耐久性試驗故障統(tǒng)計表

通過整車室內(nèi)臺架耐久性試驗，快速地暴露了被試車輛的設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，經(jīng)過改進，迅速得到有效驗證，大大地縮短了整個試驗驗證周期，解決了新能源汽車實際道路試驗帶來的研發(fā)效率低下、投入成本高昂的問題。

3 結(jié) 論

文中通過實際項目的試驗研究，從道路載荷譜的采集、目標(biāo)載荷譜的編輯、系統(tǒng)辨識、迭代試驗和耐久性試驗等幾個方面，系統(tǒng)地闡述了道路模擬試驗技術(shù)在新能源汽車開發(fā)過程中的應(yīng)用，從最終臺架耐久性試驗結(jié)果與相同車輛實際道路耐久性試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，零部件的失效模式類似，失效發(fā)生的里程也基本接近，因此，可以得出以下結(jié)論：

(1) 整車室內(nèi)臺架耐久性試驗可以根據(jù)被試車輛的實際使用工況進行分級試驗，快速有效地驗證車輛開發(fā)不同階段、不同使用工況下整車及底盤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強度，大大縮短車輛的開發(fā)與驗證時間。

(2) 通過對道路模擬試驗技術(shù)在新能源汽車開發(fā)中的應(yīng)用研究，為提高新能源汽車開發(fā)效率提供了有效的技術(shù)支撐。