向華榮,謝 飛,王萬英

(1.重慶西部汽車試驗(yàn)場(chǎng)管理有限公司, 重慶 408300; 2.中國汽車工程研究院股份有限公司, 重慶 401122;3.重慶長安汽車股份有限公司, 重慶 401120)

道路譜主要用路面不平度進(jìn)行表征，通常用來描述路面的起伏程度，是汽車行駛過程中受到的主要激勵(lì)，它使車輛在行駛中產(chǎn)生行駛阻力和振動(dòng)，影響車輛行駛的平順性、操縱穩(wěn)定性、零部件疲勞壽命等。因此，獲取準(zhǔn)確的道路譜信息是對(duì)車輛受激振動(dòng)特性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)的關(guān)鍵[1]。

本文試驗(yàn)的目的是為了驗(yàn)證道路譜作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入四立柱道路模擬機(jī)臺(tái)架進(jìn)行汽車耐久性試驗(yàn)的可行性。分別分析了道路譜作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)和載荷譜作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)[2-4]。本次試驗(yàn)從兩方面進(jìn)行：① 讓四立柱道路模擬機(jī)再現(xiàn)路面高程；② 路面載荷譜輸入四立柱道路模擬機(jī)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)，模擬汽車道路行駛效果。

1 道路譜的測(cè)量

1.1 道路譜的測(cè)量

道路譜即路面不平度的測(cè)量方法和儀器有很多，這些儀器大致分為斷面類和響應(yīng)類兩種。斷面類儀器通常有靜態(tài)縱斷面測(cè)量和動(dòng)態(tài)縱斷面測(cè)量兩類[5-8]。

本次試驗(yàn)采用某國家課題中開發(fā)的道路譜綜合測(cè)試系統(tǒng)[9-12]。 該系統(tǒng)主要通過激光位移傳感器和加速度傳感器等配合測(cè)量得到道路路面的不平度曲線信號(hào)。該系統(tǒng)主要由激光斷面儀(內(nèi)置激光位移傳感器、高頻和低頻加速度傳感器)，精密陀螺儀(測(cè)量車身姿態(tài)變化信息參數(shù))，GPS測(cè)量設(shè)備(實(shí)時(shí)測(cè)量道路的經(jīng)緯海拔高等信息)，高速攝像機(jī)(測(cè)量試驗(yàn)路段的視頻信息)，車速及距離傳感器(測(cè)量試驗(yàn)路段的距離脈沖信息)以及一些輔助的測(cè)量設(shè)備(采集控制箱、工控機(jī)、UPS電源、磁盤陣列)組成，如圖1所示。該系統(tǒng)采用激光傳感器和垂直加速度傳感器、GPS以及姿態(tài)儀等組合實(shí)時(shí)測(cè)量得到道路路面的不平度曲線信號(hào)，其中短波長信號(hào)用激光位移傳感器與加速度傳感器信號(hào)聯(lián)合計(jì)算獲得，大波長信號(hào)使用GPS與姿態(tài)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)融合獲得。該系統(tǒng)可在正常車速的條件下對(duì)路面進(jìn)行長距離快速自動(dòng)檢測(cè)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析與評(píng)價(jià)。

圖1 道路譜測(cè)量系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)樣車

本次試驗(yàn)采用某小型普通客車作為試驗(yàn)采集樣車，樣車主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 某小型普通客車的主要技術(shù)參數(shù)

1.3 道路譜的采集

本次試驗(yàn)的采集線路結(jié)合樣車的用戶使用狀態(tài)、行駛路線及重慶周邊的地形地貌等特點(diǎn)進(jìn)行選取，采集了重慶附近的渝鄰高速、渝遂高速的部分路段的數(shù)據(jù)作為高速公路的代表；采集了210 國道海爾路、城市道路的數(shù)據(jù)作為一般路的代表；采集了歌樂山、鐵山坪附近道路的數(shù)據(jù)作為山路的代表；采集了東陽至三匯道路的數(shù)據(jù)作為鄉(xiāng)村路的代表；采集了永川地區(qū)黃瓜山山路的數(shù)據(jù)作為山區(qū)壞路的代表。試驗(yàn)道路采集線路如圖2所示,其中鄉(xiāng)村壞路采集情況如圖3所示。

圖2 道路譜采集線路

圖3 鄉(xiāng)村壞路采集

本次在道路譜數(shù)據(jù)采集的同時(shí)采集載荷譜數(shù)據(jù)，為達(dá)到道路譜數(shù)據(jù)和載荷譜數(shù)據(jù)的同步性，兩套采集系統(tǒng)同時(shí)采集同一路信號(hào)。本文采集車輛前后輪附近軸頭的垂直加速度，為在室內(nèi)臺(tái)架上進(jìn)行載荷譜數(shù)據(jù)的驗(yàn)證做準(zhǔn)備。其中，車輛前輪軸頭加速度采集裝置的布置如圖4所示。

圖4 車輛前輪附近軸頭的加速度采集裝置的布置

2 道路譜臺(tái)架試驗(yàn)

2.1 臺(tái)架信號(hào)迭代方法

在進(jìn)行道路譜和載荷譜臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和處理，獲得期望響應(yīng)信號(hào)。其次，用白噪聲信號(hào)通過電液伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械液壓裝置，對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)加載，據(jù)此計(jì)算輸入譜、輸出譜和互譜，求得試驗(yàn)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。根據(jù)頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣的逆與期望響應(yīng)，計(jì)算生成出事道路模擬試驗(yàn)的初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)。最后，利用初始驅(qū)動(dòng)進(jìn)行臺(tái)架加載。由于整個(gè)被試驗(yàn)系統(tǒng)是非線性的，而頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣的測(cè)定是基于線性系統(tǒng)的，因此需要反復(fù)迭代修正初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而得到模擬路面行駛所需要的最終驅(qū)動(dòng)信號(hào)。道路模擬試驗(yàn)臺(tái)迭代流程見圖5。

2.2 道路譜數(shù)據(jù)的濾波

在進(jìn)行臺(tái)架迭代時(shí)，試驗(yàn)樣車的裝載質(zhì)量、輪胎氣壓等影響樣車動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)要與道路數(shù)據(jù)采集時(shí)保持一致。由于造成疲勞損傷的路面載荷一般在40 Hz以內(nèi)，因此在迭代前先將道路譜迭代目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行40 Hz的低通濾波，濾波前后道路譜的頻譜對(duì)比如圖6所示。

圖5 道路模擬試驗(yàn)臺(tái)迭代流程

圖6 濾波前后道路譜頻譜對(duì)比

2.3 后輪道路譜期望信號(hào)的生成

道路譜驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)要求試驗(yàn)車車輪垂向位移按照試驗(yàn)車道路行駛時(shí)左右車輪輪跡處路面的高程變化運(yùn)動(dòng)，即把測(cè)試的道路譜信號(hào)作為道路模擬機(jī)兩個(gè)前輪作動(dòng)器的試驗(yàn)期望響應(yīng)信號(hào)。兩個(gè)后輪作動(dòng)器試驗(yàn)的期望響應(yīng)信號(hào)根據(jù)測(cè)試的道路譜信號(hào)、試驗(yàn)車速和試驗(yàn)車軸距按式(1)生成。

xr(t)=xf(t-B/V)

(1)

式中：xf(t)、xr(t)分別為前后輪作動(dòng)器試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)期望信號(hào)；V為試驗(yàn)車速；B為樣車軸距。

本次試驗(yàn)路面采集的數(shù)據(jù)量較大，考慮車速的變化對(duì)道路譜采集的影響，臺(tái)架試驗(yàn)選取48 s非勻速工況的鄉(xiāng)村壞路數(shù)據(jù)作為輸入。以所選取路段采集的軸頭加速度為期望信號(hào)，同時(shí)測(cè)試的該段路段的道路譜信號(hào)經(jīng)過處理后作為期望信號(hào)。期望信號(hào)如圖7所示。

圖7 鄉(xiāng)村壞路非勻速工況期望信號(hào)

3 道路譜臺(tái)架試驗(yàn)

以所選取路段采集的軸頭加速度為期望信號(hào)，迭代出四通道臺(tái)架的載荷譜驅(qū)動(dòng)信號(hào)。同時(shí)測(cè)試的該段路段的道路譜信號(hào)經(jīng)過處理后作為期望信號(hào)，迭代出四通道臺(tái)架的道路譜驅(qū)動(dòng)信號(hào)。分別使用兩種驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為輸入進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)量試驗(yàn)車輛響應(yīng)信號(hào)，并進(jìn)行比較。在臺(tái)架上分別進(jìn)行道路譜與載荷譜對(duì)比測(cè)試，并實(shí)時(shí)采集車輛上相同測(cè)點(diǎn)的加速度。臺(tái)架試驗(yàn)的照片如圖8所示。

圖8 臺(tái)架試驗(yàn)照片

圖9表示鄉(xiāng)村壞路道路譜期望信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)經(jīng)7次迭代后的時(shí)域和頻域?qū)Ρ取?/p>

圖10表示鄉(xiāng)村壞路載荷譜期望信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)經(jīng)11次迭代后的時(shí)域和頻域?qū)Ρ取?/p>

從圖9可以看出，各道路譜的期望信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)在時(shí)域及頻域中均高度擬合，說明利用臺(tái)架能復(fù)現(xiàn)道路譜，且復(fù)現(xiàn)的精度較高。同時(shí)迭代次數(shù)少，可以利用道路譜作為迭代期望信號(hào)進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

通過迭代獲得驅(qū)動(dòng)信號(hào)后開始進(jìn)行道路臺(tái)架模擬試驗(yàn)。圖11為鄉(xiāng)村壞路道路譜驅(qū)動(dòng)信號(hào)和載荷譜驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻譜圖(深色曲線為道路譜，淺色曲線為載荷譜)。從圖中可以看出：低頻時(shí)(一般在6 Hz以下，不同工況有所差別)載荷譜驅(qū)動(dòng)信號(hào)的能量高于道路譜，高頻時(shí)(一般在10 Hz以上)道路譜驅(qū)動(dòng)信號(hào)的能量高于載荷譜。

圖9 鄉(xiāng)村壞路非勻速道路譜期望信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)對(duì)比(7次迭代)

圖10 鄉(xiāng)村壞路非勻速載荷譜期望信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)對(duì)比(11次迭代)

圖11 鄉(xiāng)村壞路非勻速工況臺(tái)架驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻譜

本文分別采用頻譜分析和雨流計(jì)數(shù)對(duì)道路譜與載荷譜用于臺(tái)架耐久性試驗(yàn)響應(yīng)進(jìn)行比較。圖12、13為臺(tái)架測(cè)試與道路測(cè)試鄉(xiāng)村壞路各響應(yīng)點(diǎn)的頻譜圖和雨流圖。圖12、13中：紅色表示實(shí)際道路響應(yīng)信號(hào)，藍(lán)色表示用路面譜進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)的響應(yīng)信號(hào)，綠色表示用載荷譜進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)的響應(yīng)信號(hào)。

從圖12、13中可以看出：用道路譜進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)的加速度響應(yīng)信號(hào)在低頻范圍內(nèi)(6 ～10 Hz)能量低于道路實(shí)測(cè)信號(hào)，而在高頻范圍內(nèi)(10 Hz以上)又高于道路實(shí)測(cè)信號(hào)。用載荷譜進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)的加速度響應(yīng)信號(hào)的頻譜與道路實(shí)測(cè)信號(hào)一致，其雨流信息也一致。

圖12 鄉(xiāng)村壞路非勻速工況軸頭加速度頻譜圖

圖13 鄉(xiāng)村壞路非勻速工況軸頭加速度雨流圖

5 結(jié)束語

本次試驗(yàn)研究結(jié)果表明，道路模擬試驗(yàn)臺(tái)能良好地再現(xiàn)道路譜和載荷譜，可以用道路譜(托盤位移信號(hào))作為迭代目標(biāo)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，且其迭代次數(shù)比載荷譜少，收斂速度比載荷譜快。可以利用道路譜作為迭代期望信號(hào)進(jìn)行道路模擬汽車耐久性試驗(yàn)。同時(shí)也可以看出，用道路譜進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)的加速度響應(yīng)信號(hào)與道路實(shí)測(cè)型號(hào)有差異，可能的原因有：

1) 由于直接用道路譜進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)只保留了激光測(cè)得的高程信號(hào)，并沒有考慮路型的趨勢(shì)變化，這可能會(huì)造成低頻部分的缺失，從而導(dǎo)致低頻部分能量的不足。

2) 對(duì)于高頻部分來說，道路譜直接加載，雖然采用低通濾波濾掉了40 Hz以上的高頻信號(hào)，但是對(duì)于40 Hz以下的信號(hào)，并沒有考慮輪胎的包容特性和懸架的非線性，所以造成能量偏高。

3) 未考慮車輛在行駛過程中的橫向和縱向的沖擊以及懸架特性的影響。

未來的研究中要將上述因素的影響作為考慮的重點(diǎn)。