基于四通道道路模擬的整車平順性試驗(yàn)研究

李 耀，王 斌，詹永驍，彭紅偉，韓榮鵬

(中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司 天津300399)

0 引 言

隨著人民生活水平和科學(xué)技術(shù)的不斷提高，車輛成為日常生活中不可或缺的交通工具。從20 世紀(jì)50 年代我國第一輛自主生產(chǎn)汽車下線到今天年產(chǎn)銷約2 500 萬輛，我國汽車工業(yè)經(jīng)歷了跨越式發(fā)展，汽車也從高端奢侈品漸漸進(jìn)入大眾家庭。汽車工業(yè)的飛速發(fā)展對車輛駕乘舒適性也提出了更高的要求，汽車平順性作為汽車舒適性的一個重要評價(jià)指標(biāo)在車輛開發(fā)中也越發(fā)重要。

汽車平順性是指汽車在一般行駛速度范圍內(nèi)行駛時(shí)，能保證乘員不會因車身振動而引起不舒服和疲勞的感覺，以及保持所運(yùn)貨物完整無損的性能[1]。由于平順性主要是根據(jù)駕乘人員的舒適程度來評價(jià)，又稱為舒適性。車輛行駛過程中，路面的不平度將引起車輛振動和噪音，從而影響駕乘人員的乘坐舒適性[2]。

目前平順性試驗(yàn)主要利用公共道路和試車廠專用道路進(jìn)行主觀感受和客觀數(shù)據(jù)評價(jià)，該方法受環(huán)境、路面、駕駛?cè)藛T等因素影響較大，無法保證試驗(yàn)重復(fù)性，不利于對不同車型的比較分析。本文利用四通道道路模擬試驗(yàn)臺進(jìn)行平順性試驗(yàn)，旨在降低環(huán)境、路面、司機(jī)對平順性測試評價(jià)造成的影響。

1 四通道道路模擬試驗(yàn)臺系統(tǒng)

本文所述四通道道路模擬試驗(yàn)臺能夠復(fù)現(xiàn)整車在實(shí)際道路上的運(yùn)動特性，廣泛應(yīng)用于可靠耐久性驗(yàn)證、NVH 等領(lǐng)域，四通道道路模擬試驗(yàn)臺具有復(fù)現(xiàn)性好、不受環(huán)境和人員因素影響等特點(diǎn)。該試驗(yàn)臺系統(tǒng)(圖1)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)(液壓作動器等)、油源系統(tǒng)(液壓泵站、分油器等)、控制系統(tǒng)(控制器、控制電腦)組成，測試通過在作動器上安裝的托盤承載被測車輛的4 個車輪，由作動器提供垂直激勵，復(fù)現(xiàn)被測車輛在實(shí)際路面上垂直方向的受力情況。

圖1 道路模擬試驗(yàn)臺系統(tǒng)Fig.1 Road simulation test system

2 道路模擬試驗(yàn)臺平順性測試方法

2.1 信號生成

四通道道路模擬試驗(yàn)臺主要利用在試驗(yàn)場采集車輛載荷譜，在臺架上通過RPC 遠(yuǎn)程參數(shù)控制技術(shù)生成臺架驅(qū)動信號，模擬被測車輛在不平路面上的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。該方法受車輛載荷、路面條件、車輛懸架布置形式等影響較大，因此每次試驗(yàn)前都需要進(jìn)行載荷采集，花費(fèi)周期長、費(fèi)用高、不利于橫向比較。本文利用隨機(jī)路面輸入和脈沖路面輸入，直接生成作動器位移譜目標(biāo)信號。

2.1.1 隨機(jī)路面

隨機(jī)路面包含連續(xù)的頻率成分，模擬時(shí)采用正弦掃頻信號輸入，為更加接近實(shí)際路面，采用等速掃頻輸入。本文設(shè)置如下表1 的等速掃頻試驗(yàn)條件：

表1 試驗(yàn)條件Tab.1 Test condition

本文利用HBM 公司的nCode 軟件依據(jù)表1 中設(shè)定的參數(shù)生成掃頻信號，如圖2 所示。

四通道道路模擬試驗(yàn)臺驅(qū)動是依靠作動器內(nèi)部的LVDT 位移傳感器控制的，所以需要將生成的Y軸為速度的時(shí)域歷史曲線積分計(jì)算生成Y 軸為位移的時(shí)域歷史曲線，常用的積分處理方法有時(shí)域法和頻域法，這里我們使用時(shí)域法直接進(jìn)行處理，避免因傅里葉變換而引起的誤差。

圖2 時(shí)域曲線(Y軸為速度)Fig.2 Time domain curve(Y-axis is velocity)

設(shè)速度振動信號為 v ( t) ，則位移信號：

計(jì)算生成的如圖3 所示的信號，作為臺架輸入的目標(biāo)信號。

圖3 目標(biāo)信號(單輪)Fig.3 Target signal(single tire)

本文采用左、右輪同相位，前、后輪利用時(shí)間差體現(xiàn)軸距和車速，生成臺架驅(qū)動的目標(biāo)信號，如圖4所示。

圖4 目標(biāo)信號(四輪)Fig.4 Target signal(four tires)

2.1.2 脈沖路面

脈沖路面主要考核車輛瞬態(tài)沖擊特性，本試驗(yàn)設(shè)置了實(shí)際道路中常見的、具有脈沖路面特征的——減速帶工況。本文設(shè)置的減速帶試驗(yàn)條件如表2 所示，減速帶幾何參數(shù)如圖5 所示，減速時(shí)域曲線如圖6所示。

表2 試驗(yàn)條件Tab.2 Test condition

圖5 減速帶幾何參數(shù)Fig.5 Geometric parameters of speed bump

圖6 減速帶時(shí)域曲線Fig.6 Time domain curve of speed bump

2.2 驅(qū)動文件開發(fā)

如圖7 所示，驅(qū)動信號經(jīng)由PID、閥驅(qū)動調(diào)節(jié)后輸出驅(qū)動響應(yīng)信號(即目標(biāo)信號)。因此，上文1.2.1生成的目標(biāo)信號需要通過設(shè)備自帶的迭代軟件進(jìn)行迭代復(fù)現(xiàn)，使驅(qū)動響應(yīng)信號與目標(biāo)信號盡可能保持接近，迭代過程如圖8 所示。

通過系統(tǒng)自帶的TWR 軟件生成白粉噪聲信號，利用白粉噪聲信號作為臺架的激勵信號并采集各響應(yīng)信號，本文采集的為作動器位移響應(yīng)信號，通過輸入的驅(qū)動信號和輸出的響應(yīng)信號，計(jì)算臺架的傳遞函數(shù)(Frequency Response Function)，計(jì)算公式如下：

圖7 系統(tǒng)概述Fig.7 Overview of system

圖8 驅(qū)動文件開發(fā)流程Fig.8 Drive file development process

其中：Gxx為輸入信號的自功率譜密度；Gyx為輸出和輸入信號的互功率譜密度。

傳遞函數(shù)反應(yīng)的是測量目標(biāo)矩陣(Y)和激勵矩陣(U)的關(guān)系：

為了計(jì)算新的驅(qū)動信號，將公式改寫為：

計(jì)算第一次驅(qū)動信號為：

計(jì)算誤差：

更新驅(qū)動信號：

反復(fù)迭代，直到RMS Errors 滿足試驗(yàn)要求，本次試驗(yàn)迭代誤差匯總見表3。現(xiàn)場模擬試驗(yàn)臺及傳感器如圖9、圖10 所示。

2.3 測點(diǎn)選擇與安裝

目前，平順性試驗(yàn)多采用1/4 車輛振動模型進(jìn)行研究，路面不平是造成平順性變差的主要原因，所以輪胎和懸架特性對平順性的影響非常明顯。本文在簧下、簧上及臺架托盤處分別安裝加速度，測量垂直方向的加速度信號。

表3 迭代誤差Tab.3 Iteration error

圖9 四通道道路模擬試驗(yàn)臺Fig.9 4-poster road simulator

圖10 傳感器安裝位置Fig.10 Sensor mounting position

2.4 結(jié)果處理

2.4.1 隨機(jī)輸入評價(jià)指標(biāo)計(jì)算

利用系統(tǒng)的傳遞函數(shù)評價(jià)系統(tǒng)響應(yīng)對系統(tǒng)隨機(jī)路面輸入的傳遞(隔振)特性，傳遞率越低說明系統(tǒng)的隔振性能越好。基于四通道道路模擬試驗(yàn)臺的整車平順性試驗(yàn)，以試驗(yàn)臺上安裝的加速度傳感器信號作為輸入信號，在輪心和輪眉處安裝的加速度信號作為簧下和簧上的響應(yīng)信號。

通過公式2，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以獲得輪胎接地點(diǎn)-輪心、輪胎接地點(diǎn)-輪眉的傳遞函數(shù)。

2.4.2 脈沖輸入評價(jià)指標(biāo)計(jì)算

脈沖路面輸入主要考核車輛減震系統(tǒng)的瞬態(tài)沖擊特性，利用最大加速度(絕對值) Z˙˙max評價(jià)，按式(8)計(jì)算：

3 試驗(yàn)結(jié)果

圖11 是接地點(diǎn)到軸頭的傳遞函數(shù)，主要反映的是輪胎的傳遞(隔振)特性。

圖12 是接地點(diǎn)到車身的傳遞函數(shù)，主要反映的是懸架的傳遞(隔振)特性。

圖12 接地點(diǎn)-車身傳遞函數(shù)Fig.12 Tray-body FRF

表4 是減速帶工況接地點(diǎn)、輪心和車身處的最大加速度(絕對值)，反映的是輪胎和懸架的抗沖擊特性。可以看出，接地點(diǎn)垂向加速度在經(jīng)過輪胎后衰減大約32%，到車身后大幅衰減，衰減大約93%。

表4 最大加速度Tab.4 Max acceleration

2 結(jié) 論

本文基于四通道道路模擬試驗(yàn)臺進(jìn)行平順性試驗(yàn)研究，利用隨機(jī)信號和脈沖信號輸入生成激勵信號，并在被試車輛簧上、簧下及臺架托盤處安裝垂向加速度傳感器采集各個響應(yīng)點(diǎn)響應(yīng)信號，通過計(jì)算車輛振動的傳遞函數(shù)和最大絕對值加速度，用以評價(jià)車輛平順性能。

基于四通道道路模擬試驗(yàn)臺平順性試驗(yàn)研究方法，為平順性測試、驗(yàn)證、評價(jià)提供了一套完整的、非道路模擬試驗(yàn)評價(jià)方法，減少了平順性試驗(yàn)對環(huán)境、路面、人員的限定要求，有效提高了平順性評價(jià)結(jié)果的一致性和重復(fù)性。■