軸耦合道路模擬試驗(yàn)技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)分析

李航，周德泉，李開標(biāo)，陳禹，劉建文

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軸耦合道路模擬試驗(yàn)技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)分析

李航，周德泉，李開標(biāo)，陳禹，劉建文

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

基于6自由度軸耦合道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，介紹了道路模擬試驗(yàn)的基本原理，通過偽損傷計(jì)算、頻譜分析等對試驗(yàn)過程中設(shè)備系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)的主要影響參數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果表明不同控制信號、控制頻段、車輛載荷、減振器溫度對試驗(yàn)結(jié)果均有不同程度的影響。

道路模擬；迭代參數(shù)；控制信號

前言

道路模擬試驗(yàn)是驗(yàn)證汽車整車和零部件結(jié)構(gòu)可靠性的重要手段，因具有試驗(yàn)周期短、重復(fù)性好、可長時(shí)間不間斷試驗(yàn)等特點(diǎn)備受青睞。其技術(shù)核心是遠(yuǎn)程參數(shù)控制(Remote Parameter Control，簡稱RPC)，此基礎(chǔ)理論在上世紀(jì)七十年代就已提出，并由國外的MTS、Schenk等公司推廣。國內(nèi)對道路模擬試驗(yàn)技術(shù)的研究起始較晚，主要集中在控制理論、耐久試驗(yàn)方法方面，如2002年清華大學(xué)的杜永昌[1]等人研制了汽車道路動態(tài)試驗(yàn)?zāi)M控制系統(tǒng)，2012年合肥工業(yè)大學(xué)的錢立軍、吳道俊[2]等人對道路模擬加速試驗(yàn)技術(shù)展開了研究，2013年同濟(jì)大學(xué)的胡毓冬、周鋐[3][4]等人對汽車室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)的控制算法進(jìn)行了相關(guān)研究，而對實(shí)際試驗(yàn)中各項(xiàng)參數(shù)的影響分析較少。

一般的道路模擬試驗(yàn)步驟包括：①道路載荷譜采集，獲取目標(biāo)信號；②求解系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣；③生成初始驅(qū)動信號；④通過迭代對驅(qū)動信號進(jìn)行修正，直到模擬精度達(dá)到要求；⑤編輯試驗(yàn)驅(qū)動譜，對樣車/樣件進(jìn)行試驗(yàn)。

軸耦合道路模擬是目前最先進(jìn)的道路模擬試驗(yàn)技術(shù)，迭代環(huán)節(jié)是其達(dá)到高精度要求的關(guān)鍵。本文基于MTS公司的329型6自由度通道軸耦合道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)（下稱二十四通道），選擇不同控制信號作為迭代目標(biāo)、調(diào)整不同的車輛狀態(tài)，對各參數(shù)在臺架驅(qū)動譜迭代過程中的影響展開研究。

1 獲取目標(biāo)信號

1.1 道路載荷譜采集

為使車輛在道路模擬試驗(yàn)中快速高效地達(dá)到與用戶使用相當(dāng)?shù)目煽啃则?yàn)證效果，道路載荷譜采集一般在試驗(yàn)場進(jìn)行，采集信號包括控制信號和監(jiān)測信號。

控制信號在道路模擬試驗(yàn)中是用于驅(qū)動譜迭代的目標(biāo)信號(即遠(yuǎn)程控制參數(shù))，其臺架模擬響應(yīng)與實(shí)際道路響應(yīng)的誤差一般要求小于20%，選取原則[5]為：①盡可能與某一試驗(yàn)驅(qū)動力成線性關(guān)系而與其它試驗(yàn)驅(qū)動力成正交關(guān)系，便于迭代快速收斂。②若有需要重點(diǎn)關(guān)注的監(jiān)測信號信號采集點(diǎn)，可選擇靠近監(jiān)測信號采集點(diǎn)，以便監(jiān)測點(diǎn)處的道路模擬疲勞損傷接近實(shí)際道路損傷。

監(jiān)測信號主要是用于監(jiān)控車輛危險(xiǎn)點(diǎn)和試驗(yàn)需求關(guān)注的位置，其選取主要根據(jù)仿真結(jié)果和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。

對于整車道路模擬試驗(yàn)，控制信號可以選擇車輪六分力、軸頭加速度、懸架位移或彈簧應(yīng)變等，監(jiān)測信號可以選擇車身塔座/質(zhì)心加速度、穩(wěn)定桿應(yīng)變、轉(zhuǎn)向拉桿應(yīng)變等，根據(jù)試驗(yàn)具體情況而定。

1.2 信號處理

由于車輛行駛時(shí)響應(yīng)頻率50Hz以上的部分在損傷計(jì)算時(shí)占總損傷比例較小，因此疲勞耐久分析中主要關(guān)注50Hz以下頻段。根據(jù)采樣定理，信號采樣率一般設(shè)置需500Hz以上，保證采集信號的幅值無損失。每個(gè)工況在額定車速和載荷條件下連續(xù)采集不少于5組數(shù)據(jù)，采用損傷歸一求模的方法對每組數(shù)據(jù)控制信號通道進(jìn)行計(jì)算，選擇損傷中位樣本，經(jīng)濾波、去毛刺、去均值、去趨勢值、去除連接路處理后作為道路模擬試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)譜信號。

2 求解傳遞函數(shù)

道路模擬試驗(yàn)臺與車輛組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)輸入即臺架驅(qū)動信號X(x1,x2,x3,…)，包括各向力/力矩信號和位移/角度信號；輸出為車輛響應(yīng)信號Y（y1,y2,y3,…）。

2.1 激勵信號

采用白粉紅噪聲對車輛系統(tǒng)進(jìn)行激勵，根據(jù)目標(biāo)信號主要頻率范圍設(shè)置激勵信號的上下截止頻率，通常為50Hz和0Hz。可添加形狀曲線對激勵信號高頻部分進(jìn)行衰減，如圖1所示。對于整車試驗(yàn)，拐點(diǎn)頻率可選擇0.6Hz(圖中虛線)，力/力矩通道衰減指數(shù)取1～1.5，位移/角度通道衰減指數(shù)取1.5～2。各通道時(shí)域幅值范圍根據(jù)目標(biāo)信號關(guān)聯(lián)通道幅值分別設(shè)定。

圖1 激勵信號頻率過濾形狀曲線

2.2 獲取頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣

在播放白粉紅噪聲激勵X獲得響應(yīng)信號Y后由H估算法獲得系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣。H估算法有兩種，如式（1）和式（2）：

式中，H1、H2為系統(tǒng)FRF矩陣，Gyx為系統(tǒng)激勵和響應(yīng)的互功率譜矩陣，Gxx為系統(tǒng)激勵的自功率譜矩陣，Gyy為系統(tǒng)響應(yīng)的自功率譜矩陣，Gxy為Gyx的轉(zhuǎn)置。

對于完全線性系統(tǒng)，兩種算法等效。但臺架-車輛屬于非線性系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行過程中，H2響應(yīng)往往包含比激勵更多的噪聲成分，H2在計(jì)算時(shí)受噪聲影響高于H1。綜合考慮，本文采用H1算法計(jì)算FRF矩陣。

FRF模型對系統(tǒng)描述的準(zhǔn)確程度可由激勵、響應(yīng)之間的相干函數(shù)矩陣來評價(jià)：

式中，γ為激勵X和響應(yīng)Y之間的相干函數(shù)矩陣，一般γ2大于0.8則可認(rèn)為相干性較好。

3 數(shù)據(jù)迭代

道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)輸入、輸出與頻率響應(yīng)函數(shù)的關(guān)系式為：

式中，X(jω)、Y(jω)分別為系統(tǒng)輸入X(t)、輸出Y(t)的傅里葉變換。

由于系統(tǒng)非線性，本文采用頻域迭代的方式來獲取逐步收斂的驅(qū)動信號，使控制信號逼近對應(yīng)的目標(biāo)信號，迭代流程如圖2所示。

圖2 迭代流程

通常系統(tǒng)響應(yīng)信號的通道數(shù)與驅(qū)動信號相同，其頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣H是一個(gè)方陣。初次驅(qū)動信號的計(jì)算為：

式中，X0(jω)為初次驅(qū)動信號X0(t)的傅里葉變換，Yd(jω)為目標(biāo)信號Yd(t)的傅里葉變換。

若系統(tǒng)響應(yīng)信號與驅(qū)動信號通道數(shù)不同，一般是響應(yīng)信號通道數(shù)多于驅(qū)動信號，可用最小二乘的方法求得初始驅(qū)動信號：

由于非方陣計(jì)算存在擬合誤差，所以根據(jù)驅(qū)動信號情況選取響應(yīng)通道，采用式（5）計(jì)算更容易得到高精度的計(jì)算結(jié)果。

對于非線性系統(tǒng)，由目標(biāo)信號和系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)直接求解可能會導(dǎo)致驅(qū)動信號不準(zhǔn)確，過大的驅(qū)動信號甚至?xí)p壞試驗(yàn)設(shè)備和車輛，而且容易導(dǎo)致迭代過程發(fā)散，為了防止這類情況，一般在求解驅(qū)動信號時(shí)添加增益因子g(0

播放驅(qū)動信號獲得系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)信號，進(jìn)而得到各響應(yīng)信號與目標(biāo)信號的實(shí)時(shí)誤差e(t)。采用迭代時(shí)響應(yīng)信號相對目標(biāo)信號的均方根誤差RMS Error對迭代結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，計(jì)算如下：

后續(xù)驅(qū)動信號可由實(shí)時(shí)誤差計(jì)算獲得：

式中，ΔX(jω)為迭代過程中驅(qū)動信號矩陣的修正量，E(jω)為實(shí)時(shí)誤差e(t)的傅里葉變換，Xi(jω)、Xi+1(jω)分別為第i步、第i+1步驅(qū)動信號的傅里葉變換，通過對Xi+1(jω)的傅里葉逆變換可獲得下一步驅(qū)動的時(shí)域信號。其中，加權(quán)系數(shù)g可根據(jù)每一步迭代的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，通常在迭代開始時(shí)取值較小，隨著迭代次數(shù)增加逐漸增大。

一般情況下，在二十四通道道路模擬試驗(yàn)中，各通道RMS Error值均小于20%即可認(rèn)為滿足試驗(yàn)需求。RMS Error值越小，迭代結(jié)果響應(yīng)越接近目標(biāo)信號，模擬精度越高。

4 迭代參數(shù)分析

日常試驗(yàn)中，影響迭代結(jié)果的參數(shù)主要有兩大類：

（1）RPC系統(tǒng)參數(shù)，包括控制信號、迭代過程調(diào)節(jié)參數(shù)等，這些參數(shù)的選擇決定了驅(qū)動信號的計(jì)算結(jié)果。

（2）車輛狀態(tài)參數(shù)，包括車輛的載荷、懸架減振器/襯套的溫度等，這些參數(shù)直接影響車輛系統(tǒng)的響應(yīng)。

4.1 控制信號

二十四通道整車道路模擬試驗(yàn)驅(qū)動信號包括17個(gè)力/力矩和7個(gè)位移/角度信號，響應(yīng)信號根據(jù)試驗(yàn)情況選擇，通常是四個(gè)車輪的六分力信號，可根據(jù)需求增加懸架位移、車身加速度等作為監(jiān)測信號。

表1 垂向控制信號迭代結(jié)果對比

根據(jù)信號選取原則，選取相關(guān)性較強(qiáng)的車輪垂向力、軸頭垂向加速度、懸架位移作為研究對象，三種信號采集點(diǎn)如圖3。先后以三種信號之一作為垂向迭代控制信號，其余信號作為參考，迭代至相對均方根誤差RMS Error≤10%。根據(jù)線性累積損傷(Miner)法則，計(jì)算前軸垂向響應(yīng)信號與目標(biāo)信號的偽損傷比[6]如表1。

結(jié)果表明，臺架上使用垂向力作為控制信號進(jìn)行迭代時(shí)，軸頭垂向加速響應(yīng)的偽損傷要比目標(biāo)值小約30%；反之以垂向加速度作為控制信號進(jìn)行迭代，垂向力的偽損傷要比目標(biāo)值比目標(biāo)值大約30%；當(dāng)以懸架位移作為控制信號進(jìn)行迭代時(shí)，垂向力和加速度響應(yīng)都要比目標(biāo)值大。

由于力信號的頻率分布范圍更廣更均衡，頻譜曲線可看作加速度和位移的結(jié)合，在反映目標(biāo)信號時(shí)更全面；而加速度、位移信號因?yàn)橹黝l較為單一集中，遠(yuǎn)離主頻的區(qū)域幅值較小，會造成一定程度的信號丟失。所以在同樣的車輪載荷輸入下，加速度、位移信號與路面實(shí)際響應(yīng)相比會出現(xiàn)計(jì)算損傷稍微偏小，更適合作為監(jiān)測信號。

4.2 過程調(diào)節(jié)參數(shù)

迭代過程調(diào)節(jié)參數(shù)主要有控制頻段和增益因子。迭代控制頻段實(shí)質(zhì)是驅(qū)動譜求解過程中各信號通道用于計(jì)算的頻段，決定迭代結(jié)果驅(qū)動信號的頻率分布；增益因子即求解每一步驅(qū)動信號時(shí)加入的加權(quán)系數(shù)g，對迭代的收斂速度有直接影響。

4.2.1控制頻段

車輛行駛載荷譜由兩部分組成，一部分是由車輛的變速、轉(zhuǎn)向、制動等人為駕駛因素引起的，信號頻率一般在0.6Hz以下，屬于低頻信號；另一部分由道路條件引起，信號頻率一般在0.6Hz以上，屬于高頻信號[7]。低頻信號往往伴隨著該信號方向上較長時(shí)間的作動位移，臺架行程難以達(dá)到；而高頻信號50Hz以上頻率幅值幾乎為零，損傷很小，通常不作可靠性耐久分析。

本文以車輪六分力為控制信號，對道路載荷目標(biāo)信號進(jìn)行了不同控制頻段設(shè)置，分析流程如圖4：

圖4 控制頻段分析流程

以左前輪三向力Fx、Fy、Fz為例，各信號通道頻率譜如圖5：

圖5 目標(biāo)信號左前輪三向力頻譜

迭代至RMS Error≤10%，結(jié)果響應(yīng)的偽損傷統(tǒng)計(jì)如表2。其中，損傷比為響應(yīng)信號偽損傷與目標(biāo)信號偽損傷的比值。

表2 迭代結(jié)果響應(yīng)損傷

由于目標(biāo)信號Fy、Fz頻率在2Hz附近幅值較大，采用2～50Hz控制頻率迭代時(shí)，F(xiàn)z響應(yīng)的損傷降低較明顯，F(xiàn)y次之，而0～1Hz頻段的控制與否對結(jié)果影響不大。

表3 不同控制頻段收斂對比

統(tǒng)計(jì)迭代過程中左前輪三向力信號收斂情況如表3所示，不同控制頻段對迭代收斂情況幾乎無影響。

4.2.2增益因子

設(shè)置各通道控制頻段為1～50Hz，增益因子g取兩組固定值分別進(jìn)行迭代，對目標(biāo)信號左前輪三向力迭代收斂曲線（RMS Error曲線）求導(dǎo)獲得收斂速率曲線，見表4。

由表中曲線看出，取值較大的第二組增益因子使得迭代收斂速率明顯快于第一組，但也存在一些不穩(wěn)定情況，側(cè)向力Fy的收斂速率波動較大，發(fā)散風(fēng)險(xiǎn)相對較高。

表4 不同增益因子收斂對比

4.3 車輛狀態(tài)參數(shù)

車輛作為系統(tǒng)的輸出端，其狀態(tài)參數(shù)直接影響著迭代的結(jié)果響應(yīng)，在既定的目標(biāo)信號迭代過程中，車輛狀態(tài)的變化會反映到驅(qū)動信號的計(jì)算結(jié)果；相同的驅(qū)動信號也會因?yàn)檐囕v狀態(tài)的改變響應(yīng)不同，而影響后續(xù)迭代的計(jì)算。

4.3.1車輛載荷

車輛載荷作為試驗(yàn)過程中重點(diǎn)把控的因素，通常在試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范類文件中有明確規(guī)定，但在實(shí)際情況中因配置的差異、樣車本身的裝配情況，往往與目標(biāo)值存在偏差。

表5 車輛裝載質(zhì)量分布

為最大化驗(yàn)證車輛載荷對試驗(yàn)迭代結(jié)果的影響，分別選取滿載、半載、空載三種形式的車輛配載進(jìn)行迭代，各配載載荷分布情況如表5所示。以車輪六分力為控制信號，迭代至收斂速度為0（RMS Error≤10%），獲得三種載荷對應(yīng)的驅(qū)動信號，計(jì)算各通道偽損傷并以滿載驅(qū)動信號損傷為基準(zhǔn)歸一化，結(jié)果如圖6所示。

結(jié)果顯示三組驅(qū)動信號大部分通道損傷差異不大，損傷比在[0.5,2.0]區(qū)間。其中縱向通道差異較小，垂向和側(cè)向差異稍大；隨著載荷的減少，垂向和側(cè)向驅(qū)動信號逐步增大。可見配載對試驗(yàn)迭代結(jié)果有影響，但并非很大，在載荷差異不大（裝載質(zhì)量±10%）的同車型不同配置或者衍生車型道路模擬試驗(yàn)中是可以接受的。

圖6 不同載荷迭代驅(qū)動信號損傷比

4.3.2減振器溫度

減振器溫度與懸架狀態(tài)息息相關(guān)，是道路模擬試驗(yàn)中容易忽略的一個(gè)因素。在迭代過程中，由于操作的不連貫，系統(tǒng)運(yùn)行與暫停時(shí)，都會引起減振器的溫度升高或降低，而溫度與減振器阻尼非線性負(fù)相關(guān)，從而引起懸架力響應(yīng)的變化。本文使用同樣的驅(qū)動譜，在減振器溫度為室溫(26℃)和高溫90(℃)時(shí)分別激勵系統(tǒng)，獲得四個(gè)車輪六分力響應(yīng)信號，計(jì)算偽損傷對比（室溫狀態(tài)響應(yīng)損傷/90℃狀態(tài)響應(yīng)損傷）如圖7。

圖7 不同減振器溫度系統(tǒng)響應(yīng)損傷比

可見減振器溫度升高，由于阻尼降低，在同樣的激勵下車輛系統(tǒng)的響應(yīng)會減小。所以在進(jìn)行驅(qū)動譜迭代前，先對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，讓車輛各系統(tǒng)進(jìn)入試驗(yàn)狀態(tài)，同時(shí)迭代過程中保持運(yùn)作的連貫性，減少每一步迭代數(shù)據(jù)處理用時(shí)的差距，可以使得迭代收斂更順暢，結(jié)果精度更高。

5 結(jié)論

本文從RPC系統(tǒng)和車輛系統(tǒng)兩方面對道路模擬試驗(yàn)迭代過程中實(shí)際遇到的幾大主要影響因素進(jìn)行了分析，獲得結(jié)論如下：

（1）在迭代控制信號的選取方面，力、加速度、位移信號均能達(dá)到較好的迭代結(jié)果。其中力信號由于其包含的頻率范圍更廣更均衡，更適合作為控制信號；而加速度、位移信號更適合作為試驗(yàn)過程監(jiān)測信號。

（2）控制頻段可以消除目標(biāo)信號中人為駕駛因素等的影響，但不能提升迭代收斂速率；迭代收斂速率受增益因子影響明顯，但增益因子過大會增加迭代過程不穩(wěn)定。

（3）使用同樣的目標(biāo)信號迭代求解驅(qū)動譜時(shí)，車輛載荷越小計(jì)算獲得的驅(qū)動信號越大，側(cè)向和垂向通道較為明顯，但大部分驅(qū)動通道的偏差均在可接受范圍內(nèi)。

（4）在減振器工作適用溫度范圍內(nèi)，同樣的驅(qū)動輸入，車輛懸架減振器溫度越高，其響應(yīng)越小。迭代過程中保持車輛零部件的狀態(tài)穩(wěn)定性，可以減小收斂的波動。

[1] 杜永昌.車輛道路模擬試驗(yàn)迭代算法研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2002, 33(2):5-7.

[2] 吳道俊.車輛疲勞耐久性分析,試驗(yàn)與優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué), 2012.

[3] 胡毓冬,周鋐,徐剛.整車道路模擬試驗(yàn)臺的控制算法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,40(8):1244-1248.

[4] 胡毓冬,周鋐,徐剛.整車道路模擬虛擬試驗(yàn)臺研究[J].汽車工程學(xué)報(bào),2014,4(2):137-142.

[5] 張覺慧,金鋒,余卓平.道路模擬試驗(yàn)用載荷譜樣本選擇方法[J].汽車工程,2004,26(2):220-223.

[6] 周德泉,李航,李開標(biāo),等.軸耦合整車道路模擬試驗(yàn)與道路試驗(yàn)關(guān)聯(lián)性檢定[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新,2017,4(3):78-81.

[7] Li Yung Lee. Fatigue testing and analysis[M].New York:Elsevier Butterworth Heinemann,2005:30-40.

Key parameters analysis of spindle-coupled road simulation test

Li Hang, Zhou Dequan, Li Kaibiao, Chen Yu, Liu Jianwen

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 511434 )

Based on the 6-dof spindle-coupled road simulation system, the basic principle of the road simulation test is introduced. Researching on the main parameters of the test system and the vehicle system,the results of pseudo damage calculation and spectrum analysis shows that different control signals, control band, vehicle load and shock absorber temperature have different effects on the test results.

road simulation; iteration parameter; controlled signal

A

1671-7988(2019)05-74-05

U467.5

A

1671-7988(2019)05-74-05

U467.5

李航（1987-），男，廣東陽春，漢族，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)檎?零部件道路模擬、數(shù)據(jù)采集測試。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.022