汽車通過減速帶的殘余抖動評價*

陳凡， 林瀾春

(江門職業技術學院， 廣東 江門 529030)

減速帶是一種常見的道路安全裝置。汽車通過減速帶時所產生的沖擊振動在降低車速的同時，也會降低汽車的駕乘舒適性。為使汽車在通過減速帶時能達到駕駛體驗與交通安全的平衡，對汽車通過減速帶時的振動響應進行研究。汽車通過減速帶時，減速帶給車輪以瞬時沖擊，沖擊振動經過車輪和底盤衰減后傳遞到駕乘人員。不同規格的減速帶會造成不同的沖擊振動，影響汽車的過坎性能。底盤的結構設計和性能老化對振動的傳遞和衰減也有重要影響。汽車過坎性能是汽車舒適性評價的重要內容，包括客觀評價和主觀評價。客觀評價指標包括沖擊強度和殘余抖動，沖擊強度一般采用一段時間內加速度均方根值等進行評價，受車輛通過速度和懸架剛度的影響；殘余抖動可采用振動衰減時間來評價，但該評價指標的穩定性有待進一步提升。楊萬安等采用譜密度特征參數進行殘余抖動評價，并利用神經網絡建立了主、客觀評價之間的關系，但未說明客觀評價指標選取的理論依據，且頻譜特征的影響因素較多。邊姜等通過提取振動信號的包絡，通過包絡面積建立殘余抖動指標，但包絡面積會受到路面隨機振動和沖擊強度的影響。針對上述問題，該文提出采用信號能量衰減法評價汽車通過減速帶時的殘余抖動，并進行理論研究和試驗驗證。

1 算法介紹

考慮線性單自由度的振動系統的運動微分方程為：

(1)

其響應為：

(2)

式中：ξ為阻尼比；ωn為無阻尼固有頻率；A為初始幅值；t為時間；φ為初始相位。

定義信號在某時刻點t0的短時能量為該點之后一段時間內的能量之和：

φ)dt

(3)

令積分時長T=1/ωn，可得：

(4)

可見，由于阻尼的存在，信號在各時刻點的短時能量隨時間近似呈指數衰減。由于能量E(t)是一段時間內信號平方的積分，能減少因測量產生的誤差。

根據式(4)，阻尼比發生變化時，短時能量也會發生顯著變化。由于能量峰值受路面、車速等因素的影響較大，能量從峰值下降80%所需時間為：

(5)

能量的衰減時間與阻尼比成反比，可用于殘余抖動評價。

2 仿真分析

根據式(2)，產生一個沖擊響應的振動衰減信號，令其幅值A=1，無阻尼固有頻率ωn=10 Hz，阻尼比ξ=0.4，初始相位φ=0，加入10%的白噪聲，生成的信號見圖1。

圖1 沖擊響應信號仿真結果

對信號進行5～70 Hz帶通濾波，然后按式(4)計算信號各點的短時能量，積分時長為0.1 s，結果見圖2。從圖2可看出：振動沖擊變化顯著，峰值點之后的信號短時能量呈指數衰減，且衰減曲線平滑，隨機噪聲被顯著抑制，便于信號特征提取。

圖2 仿真信號能量隨時間的變化

汽車通過減速帶時的殘余抖動持續時間主要由阻尼比決定。為此設置不同的阻尼比，觀察信號能量的衰減時間，結果見圖3。從圖3可看出：隨著阻尼比的增大，能量衰減時間呈減少趨勢，與式(5)一致，表明能量衰減時間能用于殘余抖動評價。

圖3 能量衰減時間與阻尼比的關系

3 試驗評價

試驗場地為城市道路中常見的減速帶。在駕駛員座椅導軌處布置垂直加速度傳感器(見圖4)，信號采樣頻率設置為2 000 Hz。車輛以20 km/h的速度往返多次通過該減速帶，測量其振動信號，采集結果見圖5。從圖5可看出：過坎沖擊振動是一個大幅值的近似正弦信號，然后迅速衰減到較低幅值，并維持一段時間。由于車輛在路面行駛時還會產生隨機振動，部分衰減信號被淹沒，難以根據時域信號直接評價殘余抖動。

圖4 車輛通過減速帶時垂直加速度的測量

圖5 車輛通過減速帶時的振動信號

對所采集的振動信號進行5～70 Hz帶通濾波及Human Weighting權系數濾波，通過功率譜查找峰值頻率點，并以此確定積分時長。如圖6所示，按式(3)計算所得短時能量隨時間的變化曲線較平滑，且多次試驗獲得的變化曲線均較接近。根據式(5)，以測量信號能量從峰值衰減到其20%的時間作為殘余抖動評價指標。

圖6 短時能量隨時間的變化

將能量衰減法與包絡面積法的多次測量結果進行對比，在16次重復測量中，能量衰減法的測量值基本穩定，而包絡面積法的測量結果變化較大(見圖7)，這可能是由于包絡面積受沖擊強度的影響較大。

圖7 不同評價方法測量結果穩定性對比

考慮到能量衰減法的測量數值較小，為進一步比較2種方法測量結果的穩定性，對16次測量值進行統計分析。由于2種測量方法的量綱不同，比較均值和方差沒有意義，以變異系數進行比較。變異系數為標準差與平均值之比，能反映不同量綱數據的離散程度。如表1所示，能量衰減法的變異系數更小，說明該方法測量結果的穩定性更好。

表1 不同評價方法測量結果的統計分析

4 結論

汽車通過減速帶時產生的殘余抖動可視為一個自由衰減信號，衰減過程中振動能量被減振器等迅速吸收，通過觀察信號能量的變化可確定殘余抖動的持續時間。對自由衰減信號進行短時能量積分，獲得信號能量的變化曲線，能確定殘余抖動時間。振動能量衰減法減少了信號中的隨機波動，其測量結果更穩定，可用于汽車過坎殘余抖動評價。