基于Hilbert變換的車輛過坎振動(dòng)衰減評(píng)價(jià)方法

邊 姜，段向雷，李 貝

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司 技術(shù)中心，上海 201804）

汽車乘坐平順性（舒適性）是評(píng)價(jià)車輛性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，隨著中國汽車市場競爭的不斷加劇，人們對(duì)舒適性的要求越來越高，對(duì)車輛開發(fā)提出了更高要求。一般車輛舒適性開發(fā)主要評(píng)估工況為隨機(jī)激勵(lì)和脈沖沖擊，由試驗(yàn)測得座椅、靠背的加速度響應(yīng)，根據(jù)加權(quán)濾波方法評(píng)估人體的舒適程度[1]。常用的評(píng)價(jià)方法有NAsA指數(shù)法、IsO2631評(píng)級(jí)法，計(jì)算加權(quán)加速度均方根值RMs和振動(dòng)劑量值VDV[2]，指標(biāo)越小越好。

在國內(nèi)道路環(huán)境中，經(jīng)常會(huì)遇到各種減速帶、減速坎、破損坑、井蓋等沖擊路面，一般運(yùn)動(dòng)型車輛的懸架偏硬，過坎沖擊較大；而舒適型車輛懸架偏軟，沖擊相對(duì)緩和。但是，過坎沖擊之后的衰減振動(dòng)，如果控制不好會(huì)導(dǎo)致殘余抖動(dòng)較多，主觀感知懸架比較散，極大地影響對(duì)駕駛品質(zhì)的評(píng)價(jià)。因此，對(duì)于此類脈沖沖擊工況，單純考慮車輛加速度大小并不能充分表征過坎舒適性的優(yōu)劣，本文主要討論車輛過坎之后的振動(dòng)衰減問題。

國內(nèi)外針對(duì)過坎殘余抖動(dòng)方面有一定的研究。JANKOWsKI等[3]解釋了在車輛低頻振動(dòng)中產(chǎn)生殘余抖動(dòng)的主要原因。楊萬安等[4]使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了過坎沖擊和殘余振動(dòng)的主觀評(píng)估與客觀測量之間的關(guān)聯(lián)性，其中使用頻域幅值比定義殘余抖動(dòng)。BENNUR等[5]使用多體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)過坎沖擊和殘余抖動(dòng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。李小龍等[6]介紹了一種輪胎沖擊的殘余抖動(dòng)指標(biāo)處理流程，通過響應(yīng)衰減時(shí)間、響應(yīng)包絡(luò)等表征殘余抖動(dòng)大小；陳龍等[7]則采用修正的輔助評(píng)價(jià)方法評(píng)估沖擊平順性，提取前輪過凸塊的三向軸加權(quán)加速度均方根總值的最大值來評(píng)價(jià)綜合平順性。上述研究工作定義了不同的振動(dòng)衰減計(jì)算方法，但應(yīng)用于整車的過坎平順性評(píng)估，特別是與主觀駕駛車輛過坎評(píng)價(jià)的一致性關(guān)系，則沒有涉及。李曉雨[8]以沖擊和振動(dòng)衰減的主觀評(píng)價(jià)方法為基礎(chǔ)，采用懸架調(diào)試法提高車輛過坎評(píng)價(jià)水平，但依賴于調(diào)試參數(shù)變化的手段缺乏必要的方向性客觀目標(biāo)。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)上汽某車型開發(fā)中的過減速坎振動(dòng)衰減的評(píng)估問題，研究應(yīng)用于整車過坎平順性評(píng)估的振動(dòng)衰減指標(biāo)分析方法，通過主、客觀試驗(yàn)關(guān)聯(lián)驗(yàn)證此方法，為過坎平順性的振動(dòng)衰減目標(biāo)的設(shè)定、分析優(yōu)化提供支持。

1 車輛過減速帶試驗(yàn)采集

首先進(jìn)行了實(shí)車加速度試驗(yàn)，測量不同車輛過坎加速度響應(yīng)，測點(diǎn)包括輪心、減振塔、車身縱梁、懸置、門檻、座椅導(dǎo)軌等關(guān)鍵傳遞路徑。如圖1所示，試驗(yàn)場地為城市道路中常見的減速帶，在測點(diǎn)布置三向加速度傳感器，分別進(jìn)行20 km/h、30 km/h等不同車速的過坎測試，采樣頻率為1 000 Hz。為了對(duì)比不同車輛的差異，同時(shí)進(jìn)行了包含對(duì)標(biāo)車在內(nèi)的7臺(tái)試驗(yàn)車輛的加速度測量。

圖1 實(shí)車過減速帶加速度測量

其中，車速為20 km/h時(shí)，2號(hào)車和6號(hào)車過減速帶的座椅加速度，如圖2所示。由圖可知，座椅縱向（x）、垂向（z）加速度在輪胎駛過減速帶的第1個(gè)最大波峰波谷之后，有比較明顯的振動(dòng)衰減過程。此外，兩臺(tái)車的加速度響應(yīng)曲線在衰減階段也有較大差異，6號(hào)車的衰減速度較快。

圖2 座椅導(dǎo)軌x、z向加速度變化曲線

對(duì)于評(píng)價(jià)瞬態(tài)沖擊的四次方振動(dòng)劑量法，如式（1）所示，需要計(jì)算時(shí)域歷程的加速度加權(quán)值的四次方振動(dòng)劑量值 （Vibration Dose Value，VDV）與均方根值（Root Mean square，RMs）類似，反映的是振動(dòng)的平均能量和強(qiáng)度。圖2中兩臺(tái)車的VDV、RMs指標(biāo)差異不大，說明基于時(shí)域均方根值的統(tǒng)計(jì)方法無法判斷振動(dòng)衰減。

式中：aw(t)為經(jīng)過權(quán)系數(shù)濾波后的加速度時(shí)域曲線；t為時(shí)間；T為采樣周期。

2 主觀評(píng)價(jià)

在獲取7臺(tái)車時(shí)域加速度響應(yīng)之后，某些近似車型的過坎響應(yīng)曲線特征很接近，如圖3所示，從曲線上無法判斷“最優(yōu)”的振動(dòng)衰減響應(yīng)，所以需要研究振動(dòng)衰減的目標(biāo)如何設(shè)定。為此，本文考慮采用主觀評(píng)價(jià)的方法得出評(píng)價(jià)結(jié)果。主觀評(píng)價(jià)需要考慮駕駛員和乘員的主觀感受，然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由于個(gè)體差異性，最終得出的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)差異可能較大，通過統(tǒng)計(jì)平均值能夠在一定程度上反映多數(shù)客戶的主觀感知程度。

圖3 某3臺(tái)車z向加速度時(shí)域曲線對(duì)比

本研究組織了上汽日常駕駛經(jīng)驗(yàn)較為豐富的12名工程師，對(duì)過坎振動(dòng)衰減進(jìn)行主觀評(píng)估。從客戶對(duì)實(shí)車過坎的主觀評(píng)價(jià)角度出發(fā)，尋找車輛過坎評(píng)價(jià)中對(duì)于振動(dòng)衰減方面較好的一般性規(guī)律。測試車輛分別以20 km/h和30 km/h的速度依次駛過減速帶，并依據(jù)圖4中的主觀評(píng)價(jià)打分方法對(duì)7臺(tái)車的過坎平順性進(jìn)行主觀評(píng)估，此方法綜合了sAE和德國的打分方法。評(píng)價(jià)項(xiàng)目是沖擊過后的振動(dòng)衰減，關(guān)注測試車輛在駛過單次激勵(lì)后，懸架是否存在持續(xù)的振顫或跳動(dòng)[8]。

圖4 主觀評(píng)價(jià)打分方法

表1為12位駕駛員對(duì)7臺(tái)車的主觀評(píng)估結(jié)果，統(tǒng)計(jì)方法為去掉每臺(tái)車不同駕駛員給出的最高分和最低分之后的平均值。所有評(píng)估車輛均為轎車，其中6號(hào)、7號(hào)車為中高級(jí)轎車，打分也相對(duì)較高，其余1～5號(hào)車均為緊湊型家用轎車。由表1可知，不同車輛的主觀評(píng)估分值有明顯差異?？蓳?jù)此研究與此打分分值對(duì)應(yīng)的客觀評(píng)價(jià)方法，從而為過坎平順性開發(fā)確定用于振動(dòng)衰減評(píng)估的目標(biāo)曲線。

表1 振動(dòng)衰減的主觀打分分值

3 過坎振動(dòng)衰減評(píng)價(jià)方法

3.1 振動(dòng)衰減評(píng)價(jià)方法

楊萬安等[4]將振動(dòng)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT），并將因此所得的衰減幅值A(chǔ)2、A3與A1組合起來以表征殘余抖動(dòng)特性，如圖5所示。由于FFT頻譜變換的影響因素較多，選擇求解包絡(luò)面積的方法，根據(jù)面積的無量綱指標(biāo)[6]，進(jìn)行不同車輛的橫向?qū)Ρ?，如圖6所示。座椅加速度原始數(shù)據(jù)x0(t)經(jīng)帶通濾波、Human Weighting權(quán)系數(shù)濾波，求解Hilbert變換和絕對(duì)包絡(luò)的面積。

x(t)為經(jīng)過Human Weighting權(quán)系數(shù)濾波后的時(shí)域信號(hào)，與h(t)=1/πt函數(shù)的卷積，得到如式（2）所示的Hilbert變換，即包絡(luò)曲線。

圖5 基于FFT幅值比的振動(dòng)衰減指標(biāo)提取

圖6 基于Hilbert變換的振動(dòng)衰減指標(biāo)計(jì)算流程

式中：x(t)表示原始信號(hào)x(t)的包絡(luò)；*表示卷積。

積分求取式（2）的包絡(luò)面積求解，得到無量綱的殘余抖動(dòng)指標(biāo)Yshake，如式（3）所示。

式中：A0為歸一化因子；(t)是式（2）計(jì)算所得的原始加速度曲線的包絡(luò)信號(hào)。

3.2 客觀試驗(yàn)的指標(biāo)評(píng)價(jià)

基于上述流程，以評(píng)估車速20 km/h為準(zhǔn)，選取所有車型座椅導(dǎo)軌加速度數(shù)據(jù)，計(jì)算過坎振動(dòng)衰減指標(biāo)。圖7為某車型座椅導(dǎo)軌垂向加速度的時(shí)域響應(yīng)曲線和包絡(luò)曲線。

圖7 加速度數(shù)據(jù)求解權(quán)系數(shù)包絡(luò)

根據(jù)計(jì)算得到的縱向x和垂向z的振動(dòng)衰減值，取x向和z向軸間權(quán)系數(shù)為1，得到綜合的振動(dòng)衰減客觀試驗(yàn)計(jì)算指標(biāo)?；诟鹘M試驗(yàn)曲線的時(shí)域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，無量綱化后得到7臺(tái)車的一組比例關(guān)系。

將得分最高的7號(hào)車指標(biāo)取為8.5，根據(jù)上述比例關(guān)系列出其余6臺(tái)車的客觀試驗(yàn)分值，并與表1的主觀得分進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，上述振動(dòng)衰減指標(biāo)計(jì)算方法，其得分值與主觀評(píng)估的規(guī)律基本一致。除了1號(hào)車的客觀試驗(yàn)值比4號(hào)車略高，排序有顛倒，其余從高到低的排序與主觀評(píng)估得分規(guī)律完全一致，說明了用此方法評(píng)價(jià)的振動(dòng)衰減特征能夠較好地代表客戶的實(shí)際主觀感知。

圖8 振動(dòng)衰減的客觀試驗(yàn)與主觀評(píng)價(jià)對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)上汽某車型開發(fā)中的過減速坎振動(dòng)衰減評(píng)估問題，本研究應(yīng)用于整車過坎平順性評(píng)估的振動(dòng)衰減指標(biāo)分析方法，有以下結(jié)論：

（1）實(shí)車測量直觀地獲取不同車輛的過坎加速度響應(yīng)，但不便于評(píng)價(jià)振動(dòng)衰減。由主觀評(píng)價(jià)得到真實(shí)客戶對(duì)過坎振動(dòng)衰減的評(píng)價(jià)，由統(tǒng)計(jì)指標(biāo)獲取評(píng)價(jià)分值，給出過坎評(píng)價(jià)的方向性規(guī)律。

（2）通過考慮人體頻率敏感性的權(quán)系數(shù)濾波和Hilbert變換，得到衰減振動(dòng)過程中的曲線包絡(luò)面積和統(tǒng)一的過坎振動(dòng)衰減評(píng)價(jià)指標(biāo)。分析發(fā)現(xiàn)，此方法與主觀評(píng)價(jià)得到的分值規(guī)律基本一致，說明了此振動(dòng)衰減評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效性，能夠較好地代表客戶的實(shí)際主觀感知。

本研究通過客觀測量、主觀評(píng)價(jià)，以及采用基于客觀試驗(yàn)的振動(dòng)衰減指標(biāo)分析方法，得到與主觀評(píng)價(jià)較為一致的客觀打分方法，能夠?yàn)槠巾樞蚤_發(fā)中針對(duì)過坎振動(dòng)衰減的評(píng)價(jià)分析提供有效支持，可以對(duì)不同的響應(yīng)曲線進(jìn)行客觀打分對(duì)比，并針對(duì)當(dāng)前的過坎響應(yīng)，通過客觀指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。