關(guān)于汽車平順性道路試驗的數(shù)據(jù)處理

張崇波劉永騰 Zhang ChongboLiu Yongteng

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關(guān)于汽車平順性道路試驗的數(shù)據(jù)處理

張崇波1，2，劉永騰1，2Zhang Chongbo，Liu Yongteng

（1. 北京汽車研究所有限公司，北京100079；2. 國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（北京順義），北京101300）

汽車平順性是反映汽車性能好壞的一項重要指標。根據(jù)汽車平順性試驗方法GB/T 4970—2009搭建整車平順性道路試驗測試平臺，能夠快速準確地采集并實時存儲國標中規(guī)定的各測試位置的振動加速度信號。基于Matlab環(huán)境編寫試驗數(shù)據(jù)后處理軟件，實現(xiàn)車輛平順性評價指標的自動化計算，大大提升平順性試驗的數(shù)據(jù)處理速度。最后針對某樣車進行平順性道路試驗及評價，驗證試驗平臺和后處理軟件的有效性。

平順性；道路試驗；加速度均方根

0 引 言

隨著汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對汽車舒適性要求也越來越高，因此，快速準確地進行汽車道路行駛試驗并做出平順性評價十分必要。汽車的平順性不僅影響到駕駛員、乘員的疲勞程度，而且也影響到汽車的燃油經(jīng)濟性和運輸效率乃至安全問題[1]。

汽車平順性是指行駛過程中所產(chǎn)生的振動與沖擊不致使人體感到不舒適、疲勞、甚至損害健康的性能，是汽車性能好壞的一項重要指標。汽車平順性的評價方法，通常是根據(jù)人體對振動的生理感受及對保持貨物完整性的影響制定的[2]。國內(nèi)外相關(guān)標準中，通常以加權(quán)加速度均方根值作為主要的平順性評價指標[3-4]，振動加速度數(shù)據(jù)的后處理是重點也是評價的難點。懸架的剛度和阻尼、輪胎的剛度以及車輛的載荷分布等都會影響汽車平順性[5]。

1 汽車平順性道路試驗要求

1.1 試驗項目及道路環(huán)境要求

汽車平順性試驗方法包括2種工況：脈沖輸入行駛和隨機輸入行駛。采用加權(quán)加速度均方根值作為評價指標，把汽車座椅、靠背和地板處的振動加速度與人體的主觀感覺聯(lián)系起來，劃分為不同的舒適級別，用以評價車輛在不同路面、不同車速下的平順性能。

試驗場地應(yīng)平直、干燥，縱向坡度不大于1%，試驗時風(fēng)速不大于5 m/s。脈沖輸入試驗道路采用A級路面，并擺放三角形的單凸塊；隨機輸入試驗道路為瀝青或水泥路面。試驗車速由基于GPS的車速儀監(jiān)控，車速偏差不超出±4%。

1.2 車輛配載及傳感器安裝

在試驗過程中，路面不平度通過汽車輪胎、懸架、座椅等彈性阻尼元件將振動傳遞到人體，為獲得準確的振動數(shù)據(jù)，保證各元件處于標準規(guī)定的狀態(tài)十分必要。輪胎壓力誤差不超過廠家規(guī)定值的±3%；汽車載荷均勻分布，固定牢固在試驗過程中無晃動；駕駛員要保持坐姿不變，減少對靠背處振動加速度的影響。按標準要求試驗需要測量3個位置共9個方向的加速度時間歷程，傳感器安裝必須滿足標準要求。靠背和座墊傳感器嚴格按照GB/T 4970—2009標準安裝，腳部地板上的傳感器布置在駕駛員兩腳之間。

2 平順性試驗硬件平臺的搭建

2.1 平臺硬件組成

平順性試驗需要采集各個測點隨機振動數(shù)據(jù)，在實際試驗過程中設(shè)計了一套能夠在現(xiàn)場快速安裝，信號傳遞安全可靠，系統(tǒng)高度集成的測試方案，其工作流程如圖1所示。

在道路試驗平順性振動數(shù)據(jù)測試中需要的設(shè)備包括：三軸向振動加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集分析儀、GPS速度計以及用于數(shù)據(jù)后處理的電腦等。三軸向振動加速度傳感器采用的是PCB三軸加速度傳感器，測量范圍為-10—10，靈敏度為10 mV/（m/s2），通過串行接口連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備，可以實時將振動加速度信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，傳感器的采集精度和范圍能夠滿足平順性試驗要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是DEWE-2601可擴展多通道便攜式模塊化數(shù)據(jù)采集儀，具有80 MB/s數(shù)據(jù)傳輸率，內(nèi)置64路模擬信號輸入，可擴展，采樣率可達20 kHz，能對接電壓、電流、熱電偶等多種傳感器，數(shù)據(jù)可以存儲到主機，也可以通過USB接口轉(zhuǎn)存到后處理電腦。車輛行駛速度通過Racelogic的Vbox 3I GPS速度計顯示，采集車速精度可達0.01 km/h，能夠?qū)囁賹嵤┚_監(jiān)測。

2.2 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

在道路測試中，利用三軸向加速度傳感器實時獲取座墊、靠背、地板等測點的垂向加速度、橫向加速度和縱向加速度，基于GPS速度計實時監(jiān)測行駛車速，振動數(shù)據(jù)以模擬電壓量形式傳輸給數(shù)據(jù)采集儀，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，直觀地顯示在屏幕上，試驗人員可在試驗中實時監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集儀直接采集的數(shù)據(jù)是離散的振動加速度時間歷程，利用其頻譜分析功能進行預(yù)處理，將加速度時間歷程通過快速傅立葉變換（FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform）計算出加速度自功率譜，導(dǎo)出加速度自功率譜密度Ga（）函數(shù)（離散值），最后通過開發(fā)的汽車平順性后處理程序計算出總加權(quán)加速度均方根值v，如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)后處理軟件開發(fā)

軟件基于Matlab環(huán)境，輸入數(shù)據(jù)為Excel格式，可以計算脈沖試驗垂向最大加速度、振動劑量（VDV，Vibration Dose Value），隨機試驗各點總加權(quán)加速度均方根值，綜合總加權(quán)加速度均方根v，并且能夠?qū)С?/3倍頻程曲線、v和車速的關(guān)系曲線等，為平順性測試與分析提供強有力的工具，提高試驗報告的編寫效率。

3.1 隨機輸入數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理中采用如下參數(shù)：

1）截止頻率：90 Hz；

2）頻率分辨率和獨立樣本數(shù)：=0.125，=25；

3）采樣頻率：5 000 Hz；

4）使用窗函數(shù)：漢寧窗；

5）試驗時間：200 s。

軟件開始界面如圖3所示，分為振動數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)、操作區(qū)、加速度均方根計算區(qū)、1/3倍頻程曲線顯示區(qū)和車速-v關(guān)系區(qū)。數(shù)據(jù)輸入?yún)^(qū)顯示輸入的特定車速的振動加速度功率譜密度離散值，單位為m/s2，格式為Excel，可選擇導(dǎo)入單個數(shù)據(jù)文件，也可導(dǎo)入多個數(shù)據(jù)文件計算多次試驗的結(jié)果。操作區(qū)項目選擇包括計算單個車速點的結(jié)果和平均多次試驗結(jié)果。均方根計算結(jié)果顯示區(qū)，能夠看到3個測點9個方向的單軸加權(quán)加速度均方根，每個測點的總加權(quán)加速度均方根和綜合總加權(quán)加速度均方根；另外根據(jù)GB/T 4970—2009汽車平順性試驗方法，加權(quán)加速度均方根值與人的主觀感覺之間關(guān)系，能夠輸出對應(yīng)車速下人體主觀感覺的判定結(jié)果。1/3倍頻程曲線顯示區(qū)可以同時顯示同一測點3個方向的加速度均方根值曲線。不同車速和v的變化曲線顯示在界面右下方，同時可以導(dǎo)出.jpg格式的圖片。

3.2 脈沖輸入數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)后處理界面如圖4所示，包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入?yún)^(qū)、計算區(qū)和結(jié)果曲線顯示區(qū)。其中數(shù)據(jù)導(dǎo)入?yún)^(qū)與隨機輸入相同，輸入文件為汽車通過凸塊過程中加速度時間歷程；計算區(qū)能夠顯示各個測點的垂向最大加速度max和振動劑量值VDV；結(jié)果顯示區(qū)可以直觀地觀察加速度和VDV隨車速變化的情況，并能輸出.jpg格式的圖片。

4 平順性試驗實例分析

4.1 試驗條件

應(yīng)用所建立的試驗測試系統(tǒng)和后處理軟件，以某乘用車進行汽車平順性道路試驗，分析車輛的平順性能。試驗地點為交通部通州試驗場的組合路中的長直一般路面，路面條件良好，試驗數(shù)據(jù)采集時間200 s。

該車整備質(zhì)量為1 520 kg，試驗時均勻加載，包括測試儀在內(nèi)總質(zhì)量為2 035 kg，試驗過程中車輛保持滿載狀態(tài)，樣車具體參數(shù)見表1。

表1 試驗樣車數(shù)據(jù)

參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值 整備質(zhì)量/kg1 520后懸架形式扭力梁式 滿載質(zhì)量/kg2 035輪胎型號205/55 R16 前懸架形式麥弗遜式輪胎氣壓/kPa230

4.2 脈沖輸入試驗結(jié)果

根據(jù)GB/T 4970—2009試驗要求，脈沖輸入試驗時汽車左右車輪同時駛過凸塊，凸塊放置在與汽車行駛方向垂直的直線上，每個車速下試驗需要進行5次，取垂向加速度平均值。脈沖試驗處理結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，低速行駛時，隨著車速增加各個測點的垂向加速度增大，在車速達到40 km/h后，垂向加速度出現(xiàn)波動，并有一定程度的下降。由于沒有座椅的緩沖作用，地板處振動最大，達到16.9 m/s2。根據(jù)ISO 2631 Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole- body vibration中振動對人體健康影響的評價方法，max＞43.0 m/s2時，會嚴重損害人體健康，max＜31.4 m/s2時，不會對人體健康產(chǎn)生不利影響，max介于31.4～43.0 m/s2之間時，對人體健康有一定影響。可以看出，在脈沖輸入下，樣車舒適性符合要求，不會損害人體健康。

4.3 隨機試驗處理結(jié)果

樣車分別以標準規(guī)定的各車速通過長直水泥路面，得到各測點振動加速度，經(jīng)過后處理軟件計算得到加權(quán)加速度均方根值，見表2和圖6所示。

表2 隨機輸入試驗結(jié)果

車速/（km/h）aw/（m/s2）av/（m/s2）車速/（km/h）aw/（m/s2）av/（m/s2） 40地板0.1830.41160地板0.2050.441 座墊0.302座墊0.325 靠背0.209靠背0.215 50地板0.1850.39370地板0.2010.396 座墊0.286座墊0.272 靠背0.194靠背0.206

表3為國標規(guī)定的人體主觀舒適性評價標準，對比表2和表3中的數(shù)據(jù)，樣車的加權(quán)加速度均方根均落在0.315～0.63之間，人體主觀感覺為有些不舒適。

表3 加權(quán)加速度與主觀感覺的關(guān)系

總加權(quán)加速度均方根值/（m/s2）人的主觀感覺 < 0.315沒有不舒適 0.315～0.63有些不舒適 0.5～1比較不舒適 0.8～1.6不舒適 1.25～2.5很不舒適 >2極不舒適

5 結(jié) 論

汽車平順性是從人體主觀舒適的角度考察不同路面輸入下車輛衰減振動的能力，車輛的顛簸不僅會妨害乘坐人員的生理和心理感受，還會對汽車部件的使用性能產(chǎn)生不利影響。文中的論述為測試分析平順性提供了一個重要的途徑。通過對樣車進行平順性道路試驗，建立完善的平順性試驗硬件流程，形成一體化試驗數(shù)據(jù)采集平臺，簡易直觀，可操作性強，實用性好。以Matlab為基礎(chǔ)編寫了試驗數(shù)據(jù)后處理軟件，軟件算法基于最新的平順性試驗方法GB/T 4970—2009，能夠?qū)ζ巾樞詳?shù)據(jù)進行客觀分析，明顯提升試驗數(shù)據(jù)的處理速度，具有實際的工作意義。

[1]夏均忠，馬宗坡，方中雁，等. 汽車平順性評價方法綜述[J]. 噪聲與振動控制，2012，32（4）：1-5.

[2]徐中明，張志飛，賀巖松. 對汽車平順性評價方法的探討與建議[J]. 汽車工程，2010，32（1）：73-76.

[3]客車平順性評價指標及限值：QC/T 474—2011[S].

[4]汽車平順性試驗方法：GB/T 4970—2009[S].

[5]余志生. 汽車理論（第5版）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

1002-4581（2017）03-0019-04

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10.14175/j.issn.1002-4581.2017.03.005