道路譜在車輛耐久性臺架試驗中的應用

向華榮,謝 飛,王萬英

(1.重慶西部汽車試驗場管理有限公司, 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，它使車輛在行駛中產生行駛阻力和振動，影響車輛行駛的平順性、操縱穩定性、零部件疲勞壽命等。因此，獲取準確的道路譜信息是對車輛受激振動特性進行分析和評價的關鍵[1]。

本文試驗的目的是為了驗證道路譜作為驅動信號輸入四立柱道路模擬機臺架進行汽車耐久性試驗的可行性。分別分析了道路譜作為驅動信號和載荷譜作為驅動信號的特點[2-4]。本次試驗從兩方面進行：① 讓四立柱道路模擬機再現路面高程；② 路面載荷譜輸入四立柱道路模擬機臺架進行試驗，模擬汽車道路行駛效果。

1 道路譜的測量

1.1 道路譜的測量

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

本次試驗采用某國家課題中開發的道路譜綜合測試系統[9-12]。 該系統主要通過激光位移傳感器和加速度傳感器等配合測量得到道路路面的不平度曲線信號。該系統主要由激光斷面儀(內置激光位移傳感器、高頻和低頻加速度傳感器)，精密陀螺儀(測量車身姿態變化信息參數)，GPS測量設備(實時測量道路的經緯海拔高等信息)，高速攝像機(測量試驗路段的視頻信息)，車速及距離傳感器(測量試驗路段的距離脈沖信息)以及一些輔助的測量設備(采集控制箱、工控機、UPS電源、磁盤陣列)組成，如圖1所示。該系統采用激光傳感器和垂直加速度傳感器、GPS以及姿態儀等組合實時測量得到道路路面的不平度曲線信號，其中短波長信號用激光位移傳感器與加速度傳感器信號聯合計算獲得，大波長信號使用GPS與姿態儀進行數據融合獲得。該系統可在正常車速的條件下對路面進行長距離快速自動檢測和實時數據分析與評價。

圖1 道路譜測量系統

1.2 試驗樣車

本次試驗采用某小型普通客車作為試驗采集樣車，樣車主要技術參數見表1。

表1 某小型普通客車的主要技術參數

1.3 道路譜的采集

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

圖2 道路譜采集線路

圖3 鄉村壞路采集

本次在道路譜數據采集的同時采集載荷譜數據，為達到道路譜數據和載荷譜數據的同步性，兩套采集系統同時采集同一路信號。本文采集車輛前后輪附近軸頭的垂直加速度，為在室內臺架上進行載荷譜數據的驗證做準備。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 道路譜臺架試驗

2.1 臺架信號迭代方法

在進行道路譜和載荷譜臺架試驗時，首先對采集的原始數據進行編輯和處理，獲得期望響應信號。其次，用白噪聲信號通過電液伺服控制系統驅動機械液壓裝置，對試驗系統加載，據此計算輸入譜、輸出譜和互譜，求得試驗系統的頻率響應函數。根據頻率響應函數矩陣的逆與期望響應，計算生成出事道路模擬試驗的初始驅動信號。最后，利用初始驅動進行臺架加載。由于整個被試驗系統是非線性的，而頻率響應函數矩陣的測定是基于線性系統的，因此需要反復迭代修正初始驅動信號，從而得到模擬路面行駛所需要的最終驅動信號。道路模擬試驗臺迭代流程見圖5。

2.2 道路譜數據的濾波

在進行臺架迭代時，試驗樣車的裝載質量、輪胎氣壓等影響樣車動態特性的參數要與道路數據采集時保持一致。由于造成疲勞損傷的路面載荷一般在40 Hz以內，因此在迭代前先將道路譜迭代目標信號進行40 Hz的低通濾波，濾波前后道路譜的頻譜對比如圖6所示。

圖5 道路模擬試驗臺迭代流程

圖6 濾波前后道路譜頻譜對比

2.3 后輪道路譜期望信號的生成

道路譜驅動試驗要求試驗車車輪垂向位移按照試驗車道路行駛時左右車輪輪跡處路面的高程變化運動，即把測試的道路譜信號作為道路模擬機兩個前輪作動器的試驗期望響應信號。兩個后輪作動器試驗的期望響應信號根據測試的道路譜信號、試驗車速和試驗車軸距按式(1)生成。

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

(1)

式中：xf(t)、xr(t)分別為前后輪作動器試驗驅動期望信號；V為試驗車速；B為樣車軸距。

本次試驗路面采集的數據量較大，考慮車速的變化對道路譜采集的影響，臺架試驗選取48 s非勻速工況的鄉村壞路數據作為輸入。以所選取路段采集的軸頭加速度為期望信號，同時測試的該段路段的道路譜信號經過處理后作為期望信號。期望信號如圖7所示。

圖7 鄉村壞路非勻速工況期望信號

3 道路譜臺架試驗

以所選取路段采集的軸頭加速度為期望信號，迭代出四通道臺架的載荷譜驅動信號。同時測試的該段路段的道路譜信號經過處理后作為期望信號，迭代出四通道臺架的道路譜驅動信號。分別使用兩種驅動信號作為輸入進行道路模擬試驗，同時測量試驗車輛響應信號，并進行比較。在臺架上分別進行道路譜與載荷譜對比測試，并實時采集車輛上相同測點的加速度。臺架試驗的照片如圖8所示。

圖8 臺架試驗照片

圖9表示鄉村壞路道路譜期望信號與響應信號經7次迭代后的時域和頻域對比。

圖10表示鄉村壞路載荷譜期望信號與響應信號經11次迭代后的時域和頻域對比。

從圖9可以看出，各道路譜的期望信號與響應信號在時域及頻域中均高度擬合，說明利用臺架能復現道路譜，且復現的精度較高。同時迭代次數少，可以利用道路譜作為迭代期望信號進行道路模擬試驗。

4 試驗結果

通過迭代獲得驅動信號后開始進行道路臺架模擬試驗。圖11為鄉村壞路道路譜驅動信號和載荷譜驅動信號的頻譜圖(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(一般在6 Hz以下，不同工況有所差別)載荷譜驅動信號的能量高于道路譜，高頻時(一般在10 Hz以上)道路譜驅動信號的能量高于載荷譜。

圖9 鄉村壞路非勻速道路譜期望信號與響應信號對比(7次迭代)

圖10 鄉村壞路非勻速載荷譜期望信號與響應信號對比(11次迭代)

圖11 鄉村壞路非勻速工況臺架驅動信號頻譜

本文分別采用頻譜分析和雨流計數對道路譜與載荷譜用于臺架耐久性試驗響應進行比較。圖12、13為臺架測試與道路測試鄉村壞路各響應點的頻譜圖和雨流圖。圖12、13中：紅色表示實際道路響應信號，藍色表示用路面譜進行臺架試驗的響應信號，綠色表示用載荷譜進行臺架試驗的響應信號。

從圖12、13中可以看出：用道路譜進行臺架試驗的加速度響應信號在低頻范圍內(6 ～10 Hz)能量低于道路實測信號，而在高頻范圍內(10 Hz以上)又高于道路實測信號。用載荷譜進行臺架試驗的加速度響應信號的頻譜與道路實測信號一致，其雨流信息也一致。

圖12 鄉村壞路非勻速工況軸頭加速度頻譜圖

圖13 鄉村壞路非勻速工況軸頭加速度雨流圖

5 結束語

本次試驗研究結果表明，道路模擬試驗臺能良好地再現道路譜和載荷譜，可以用道路譜(托盤位移信號)作為迭代目標進行耐久性試驗，且其迭代次數比載荷譜少，收斂速度比載荷譜快。可以利用道路譜作為迭代期望信號進行道路模擬汽車耐久性試驗。同時也可以看出，用道路譜進行臺架試驗的加速度響應信號與道路實測型號有差異，可能的原因有：

1) 由于直接用道路譜進行臺架試驗時只保留了激光測得的高程信號，并沒有考慮路型的趨勢變化，這可能會造成低頻部分的缺失，從而導致低頻部分能量的不足。

2) 對于高頻部分來說，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，但是對于40 Hz以下的信號，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。