三軸客車室內道路模擬試驗研究

吳道俊

（廈門金龍聯合汽車工業有限公司，福建 廈門 361023）

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三軸客車室內道路模擬試驗研究

吳道俊

（廈門金龍聯合汽車工業有限公司，福建 廈門 361023）

摘 要：對采集的道路載荷譜進行分析處理得到道路模擬試驗的目標信號。確定了道路模擬試驗系統的輸入和輸出的通道配置。采用白粉噪聲進行系統識別。進行了道路模擬中的第一次驅動信號計算以及循環迭代，最終達到預定的模擬精度，為整車室內耐久試驗奠定基礎。結果表明，基于道路模擬技術，在室內復現三軸客車的路面激勵工況，該方法可行、有效。

關鍵詞：三軸；客車；道路模擬；試驗；迭代

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.044

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-132-03

前言

汽車室內道路模擬試驗，不受駕駛員操作誤差的影響，重復性高；不受天氣的影響，可以連續不斷的運行試驗[1]；可控性好；試驗周期較短；在汽車產品開發和可靠性驗證中發揮重要的作用，和道路試驗相比具有獨自的優勢。目前，汽車道路模擬技術已得到了一定的發展和應用[2-4]，而客車產品有其質心高、質量重等特殊性，對于客車道路模擬試驗領域的研究和應用較少。本文以三軸客車（一層半）為研究對象，首先進行道路載荷譜采集與處理，完成系統識別后，進行道路模擬反求迭代，最終實現在室內進行整車道路模擬試驗，積累了相關的經驗。

1、道路載荷譜采集與分析處理

選取三軸的、一層半、滿載23噸的旅游客車，在6個車輪中心布置了6個單向加速度傳感器，方向盡量豎直，盡量布置在剛性較大的位置處。此外，布置應變測點，可為監控、疲勞計算奠定基礎。基于Somat eDAQ采集器，采集各類信號。

通過nCode Glyphworks進行加速度等載荷譜進行預處理，去除漂移、毛刺、偏置等異常信號，其中最重要的手段是濾波。通過加速疲勞編輯，將縮短載荷譜的時間長度，縮短試驗時間。對載荷譜進行分段，起始和終止處削尖，區分路段，有利于避免過長的目標載荷譜給道路模擬帶來困難。最終獲取道路譜的目標信號。

2、道路模擬系統的通道選擇及頻率范圍確定

激勵通道（作動器）：左前、右前，左后1、右后1，左右2、右后2；由于車輪是整個試驗車輛系統的振動輸入的零部件，在道路模擬時選擇測量響應為六個車輪中心加速度，測量位置及方向與路譜采集時應一致。通過原始目標載荷譜的PSD分布確定試驗系統的頻率范圍，本文確定為0.6-30Hz。

3、道路模擬系統識別與評價

在道路模擬系統識別時，道路模擬試驗臺及車輛組成的道路模擬試驗系統，可先視為一個線性時不變的多輸入多輸出系統。如圖1。

圖1　汽車道路模擬試驗系統

進行系統識別，其原理具體如下[4]：

系統識別時，可利用白粉噪聲作為激勵信號。在白粉噪聲生成過程中，需確定頻域中拐角頻率、Power和標準差等參數，然后計算并生成時域激勵信號。結合經驗值，本例中標準差確定為5mm，0.6-1Hz為白噪聲信號，1Hz-30Hz為粉噪聲，因此不僅覆蓋了各個頻率成分的激勵，同時避免了頻率較高的頻段的振動過大。

圖2　驅動信號--白粉噪聲（WPN）

利用生成的白粉噪聲驅動信號，基于電液伺服系統激勵試驗車輛，采集傳感器測點的響應信號，通過計算獲取該系統的頻率響應函數，隨后需進行系統識別評價以確定是否合格。系統識別的評價指標包括多重相干函數、后預估法等。多重相干函數通常要求大于0.8，此時系統識別質量較好，對于線性差的系統，則可考慮放寬到0.6。三軸客車的道路模擬試驗系統的多重相干函數如圖3。相干函數基本都在0.8以上，從而說明系統識別質量較好。

圖3　多重相干函數

后預估法評價，即利用測量響應和所識別的系統（逆矩陣）反向計算驅動信號，如果與系統識別時的實際驅動信號相比重疊性較好，則系統識別質量較好。從圖4可以看出，后預估獲取的計算驅動信號與實際驅動信號在時域和頻域都重疊較好，進一步說明系統識別質量較好。

圖4　后預估法評價（藍色-實際激勵，綠色-后預估）

4、道路模擬迭代理論、過程與評價

由于道路模擬試驗臺及試驗車輛系統的非線性[5]，必須通過迭代的方式，確保室內測量的響應信號逐步逼近目標信號。

首先進行第一次驅動信號計算，利用目標信號與頻響函數逆矩陣求得初次驅動信號。即

式中，X0為初始驅動信號；gain為反饋系數；H為系統的頻響函數；Y為目標信號。

播放驅動文件X0，激勵試驗系統，測量室內響應，比較傳感器測得的響應信號Y1與目標信號Y，計算其誤差，即

式中，Y1為播放驅動信號測量的響應信號；ΔY1為測量的響應信號與目標信號的誤差。

利用上述的響應誤差ΔY1及頻響函數信息計算驅動信號的修正量ΔX1，從而修正驅動信號，即

式中，ΔX1為驅動信號的修正量；X1為修正后的驅動信號。

利用修正后的驅動信號再次激勵系統，再一次計算測量響應信號與目標信號Y的誤差，如式（3）（4），如此循環迭代下去。

道路模擬迭代精度的評價標準包括：均方根誤差百分比（RMS error/RMS target），即目標信號與測量響應信號的誤差均方根與目標信號均方根的比值；均方根比值（RMS measure/RMS target），即測量響應信號的均方根與目標信號的均方根的比值。如果RMS error/RMS target <10%，則為較理想的迭代效果，對于客車等重型車輛，可以適當放寬至15%。如果RMS measure/RMS target在95%和105%之間，為理想的迭代效果，對于重型車輛可以適當放寬至90%-110%。

道路模擬過程中反饋系數應根據實際收斂情況進行調整。各個通道的收斂速度盡量同步。本次三軸客車道路模擬迭代精度收斂過程如圖5，其中第三步是由于設置了零反饋，故收斂較第二步沒有進展。迭代完成后，最終道路模擬的效果如圖6。

圖5　迭代中誤差縮小過程（藍色-目標，綠色-測量）

圖6　迭代后加速度響應對比（藍色-目標，綠色-測量）

從圖5、圖6可以看出，測量響應信號很好地接近目標信號，達到預定的評價指標，實現了在室內復現道路實際工況。

5、注意點

由于客車整車質心較高，試驗過程中需安裝防護支架，防止試驗車側翻，并具備足夠的強度和可靠性。

室內試驗不具備實車行駛中有外界空氣流動對減振器的散熱作用，且由于工況劇烈客車室內耐久試驗過程中減振器產熱量大，容易造成減振器過熱而失效。因此設計制作減振器水套工裝，讓冷卻水循環流過水套進行充分熱交換，散熱效果良好。

對于穩定桿襯套、發動機襯套等橡膠件，為了模擬實車情況、盡量保持其服役壽命，可以通過風機進行散熱。

6、結束語

基于道路模擬技術，在室內復現了三軸客車的路面激勵，并達到良好的精度，該方法可行、有效。迭代結果將為后續整車室內耐久試驗奠定了基礎。

對三軸客車道路模擬試驗過程中遇到的問題點進行分析解決并最終完成試驗，形成了三軸客車室內道路模擬的流程，積累了相關的經驗。

研究和應用了道路模擬過程中各個環節的精度評價方法，促進道路模擬試驗正確、有效地進行。

參考文獻

[1] Ragnar Ledesma, Leonard Jenaway, Yenkai Wang, et al.Development of Accelerated Durability Tests for Commercial Vehicle Suspension Components[C].SAE Paper 2005-01-3565.

[2] 杜永昌,管迪華.新型汽車道路模擬算法研究[J].機械工程學報.2002,38(8):41-44.

[3] 茅紀莊,曹建永.道路模擬試驗中系統非線性特性的研究[J].2009,(8):14-15,45.

[4] Peijun Xu, Dan Wong, Pierre LeBlanc, et al.Road Test Simulation Technology in Light Vehicle Development and Durability Evaluation[C].SAE Paper 2005-01-0854.

[5] 江浩斌, 戴云,于林濤.基于六通道道路模擬機的重型汽車路面激勵再現試驗[J].汽車技術,2008(9):46-49.

Research on Indoor Road Simulation Test of Tri-axial Bus

Wu Daojun
( Xiamen King Long United Automotive Industry Co., Ltd., Fujian Xiamen 361023 )

Abstract:The target signal for road simulation is obtained after the road load spectrum is disposed.The schedule of the drive and acquisition channels is determined.Using the white pink noise signal, the system identification is finished.Then the first drive and the iteration are carried out and the expectant accuracy of simulation is achieved.The bus durability test will be realized with the drive signals.It is proved by the results that it is valid and available to replicate the road drive for tri-axial bus by the road simulation technology.

Keywords:tri-axial; bus; road simulation; test; iteration

作者簡介：吳道俊，工程師，就職于廈門金龍聯合汽車工業有限公司。主要從事：汽車道路載荷譜采集與分析、道路模擬與耐久試驗、結構強度試驗與疲勞分析。

中圖分類號：U467.1

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-132-03