余 烽,徐中明,屈 賢

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,重慶 402260; 2.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400030)

全地形車在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中被全球廣泛認(rèn)知.因能在各種惡劣的路面上行駛,軍用潛力巨大,很多國(guó)家的特種部隊(duì)都配備了各種類型的全地形車,用于偵探、移動(dòng)攻擊等.另外,全地形車也用于競(jìng)技、休閑、娛樂(lè)等多個(gè)領(lǐng)域.

全地形車的平順性不僅關(guān)系到軍用水平,更是市場(chǎng)推廣的核心競(jìng)爭(zhēng)因素.目前國(guó)產(chǎn)全地形車主要處于仿制的狀況,平順性狀況和國(guó)外產(chǎn)品差距較大[1-4].因此,開(kāi)發(fā)適合于全地形車平順性測(cè)試系統(tǒng)非常有實(shí)用價(jià)值.

借鑒ISO 2631,ISO 5349等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[5-7],本研究開(kāi)發(fā)了適合全地形車平順性評(píng)價(jià)硬件測(cè)試系統(tǒng),并在匹配硬件測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,借助德國(guó)IMC公司的FAMOS開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了軟件分析系統(tǒng),進(jìn)而開(kāi)發(fā)了完整的全地形車平順性測(cè)試系統(tǒng).

采用開(kāi)發(fā)的全地形車平順性測(cè)試系統(tǒng),對(duì)多款全地形車進(jìn)行了平順性測(cè)試分析,并將評(píng)價(jià)結(jié)果和專業(yè)試車員的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.結(jié)果表明:該測(cè)試系統(tǒng)能正確、快速地對(duì)全地形車平順性進(jìn)行評(píng)價(jià),為平順性的改進(jìn)提供理論依據(jù).

1 硬件測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

參照ISO 2631,ISO 5349等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),全地形車平順性的測(cè)量需要采集人體與全地形車接觸點(diǎn)的振動(dòng)加速度,包括手把處、座位處及腳踏處振動(dòng)加速度.

1.1 硬件測(cè)試系統(tǒng)要求

振動(dòng)加速度傳感器主要根據(jù)靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、可靠性及精確度幾個(gè)方面選擇[8].針對(duì)全地形車的振動(dòng)特性及多次分析對(duì)比,座位處傳感器應(yīng)能測(cè)量中心頻率為0.5～300 Hz的振動(dòng)加速度,手把處和腳踏處傳感器應(yīng)能測(cè)量中心頻率為6.3～1 000 Hz的振動(dòng)加速度.

根據(jù)以上要求,座位處傳感器選用美國(guó)PCB型三向壓電傳感器,無(wú)需單獨(dú)供電,支持ICP型傳感器的采集器均能對(duì)其供電.手把處選用PCB公司的ICP型三向加速度傳感器,腳踏處選用PCB公司的ICP型單向加速度傳感器.

采集器的選擇主要從A/D分辨率、最高采樣率、信噪比、量程、數(shù)據(jù)傳輸/存儲(chǔ)方式等方面去考慮.根據(jù)QC/T 474—1999《客車平順性評(píng)價(jià)指標(biāo)及限值》及GB/T 4970—1996《汽車平順性隨機(jī)輸人行駛試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求,頻率范圍0.1～1 000 Hz,動(dòng)態(tài)范圍100～166 dB,誤差0.5 dB,信噪比應(yīng)優(yōu)于40 dB.

考慮到全地形車本身的特性,選擇德國(guó)IMC便攜式6通道采集器.IMC采集器需要供電,使用12 V鉛酸蓄電池進(jìn)行供電.因需要測(cè)量手把處、座位處兩個(gè)接觸點(diǎn)的3個(gè)方向的振動(dòng)加速度信息以及腳踏處一個(gè)接觸點(diǎn)的單個(gè)方向振動(dòng)加速度信息,共需要7個(gè)數(shù)據(jù)采集通道,而單個(gè)便攜式IMC采集器只有6個(gè)通道,試驗(yàn)時(shí)將兩臺(tái)便攜式IMC設(shè)備并聯(lián)在一起使用.IMC采集器可將試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到采集器的CF卡上,試驗(yàn)完成后可將試驗(yàn)數(shù)據(jù)拷貝到計(jì)算機(jī)硬盤中,用軟件分析系統(tǒng)進(jìn)行后處理.

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)ISO 2631,ISO 5349等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求,座位處、手把處、腳踏處傳感器所測(cè)量的數(shù)據(jù)均是在指定的勻速條件下測(cè)量.受試驗(yàn)場(chǎng)地和采集時(shí)間的限制,需要專業(yè)試車員來(lái)控制數(shù)據(jù)開(kāi)始采集的時(shí)間,而采集器沒(méi)有這一功能.利用便攜式IMC采集器數(shù)字輸入模塊以及其內(nèi)置的恒流源,再配備一個(gè)普通開(kāi)關(guān),即可設(shè)計(jì)采集外觸發(fā)模塊.

采集外觸發(fā)模塊的設(shè)計(jì)如圖1所示,選用一臺(tái)便攜式IMC采集器的DIN_Bit01作為觸發(fā)源,在DSUB-PLUG數(shù)字盒內(nèi)的BIT_01端和LCOM端連接一個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān).然后在采集器中設(shè)置觸發(fā)采集的條件.這里選擇高電平時(shí)開(kāi)始觸發(fā)采集,即完成采集外觸發(fā)模塊的設(shè)計(jì).采集結(jié)束則由采集器中設(shè)置的采集時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)決定.

圖1 采集外觸發(fā)電路圖Fig.1 Circuit diagram of external triggering

2 軟件分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FAMOS是德國(guó)IMC采集器配套的編程軟件,能完成數(shù)據(jù)處理分析和信號(hào)處理.為了避免數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換,采用FAMOS作為后處理軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)了與硬件測(cè)試系統(tǒng)匹配的全地形車平順性軟件分析系統(tǒng).

設(shè)計(jì)軟件分析系統(tǒng)的核心是全地形車平順性評(píng)價(jià)方法的實(shí)現(xiàn),包括時(shí)域法和頻域法.

頻域法進(jìn)行功率譜計(jì)算時(shí),可以采用經(jīng)典譜估計(jì)和現(xiàn)代譜估計(jì).這里,選擇Welch法代表經(jīng)典譜估計(jì),選擇AR模型法代表現(xiàn)代譜估計(jì)[9].

2.1 時(shí)域法實(shí)現(xiàn)

對(duì)記錄的振動(dòng)加速度時(shí)間歷程a(t),通過(guò)相應(yīng)

的頻率加權(quán)函數(shù)的濾波網(wǎng)絡(luò)得到振動(dòng)加權(quán)加速度時(shí)間歷程aw(t),計(jì)算振動(dòng)加權(quán)加速度均方根值為

(1)

式中:T為振動(dòng)的分析時(shí)間,要求不少于1 min.

計(jì)算手把處振動(dòng)加權(quán)加速度均方根值的頻率加權(quán)函數(shù)wh對(duì)應(yīng)的濾波器的頻響函數(shù)為

(2)

式中：s為拉譜拉斯變換中的復(fù)變量；f1，f2,f3,f4,Q1,Q2為加權(quán)系數(shù)，計(jì)算wh時(shí)取值分別為6.311,258.9,15.915,15.915,0.71,0.64.

計(jì)算座位處垂直振動(dòng)加權(quán)加速度均方根值的頻率加權(quán)函數(shù)wk對(duì)應(yīng)的濾波器的頻響函數(shù)為

(3)

式中：f1，f2,f3,f4,f5,f6，Q1,Q2,Q3為加權(quán)系數(shù)，計(jì)算Wk時(shí)取值分別為0.4,100,12.5,12.5,2.37,3.35,0.63,0.91,0.91.

計(jì)算座位處水平振動(dòng)加權(quán)加速度均方根值的振動(dòng)的頻率加權(quán)函數(shù)wd對(duì)應(yīng)的濾波器的頻響函數(shù)為

(4)

式中：f1，f2,f3,f4,Q1為加權(quán)系數(shù)，計(jì)算wd時(shí)取值分別為0.4,100,2.0,2.0.

2.2 頻域法實(shí)現(xiàn)

對(duì)記錄的振動(dòng)加速度時(shí)間歷程a(t)進(jìn)行頻譜分析得到功率譜密度函數(shù)Ga(f),計(jì)算1/3倍頻帶振動(dòng)加速度均方根譜值為

(5)

式中:ai為中心頻率為fci的第i個(gè)1/3倍頻帶加速度均方根值,m/s2;fui,fli分別是1/3倍頻帶的中心頻率為fci的上下限頻率,Hz;Ga(f)為加速度自功率譜密度函數(shù),m/s3.

計(jì)算單軸向振動(dòng)加權(quán)加速度均方根值為

(6)

式中:wi為第i個(gè)1/3倍頻帶的加權(quán)系數(shù);aw為單軸向加權(quán)加速度均方根值,m/s2.

考慮到數(shù)據(jù)處理的精度要求,采用頻率法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí),把試驗(yàn)數(shù)據(jù)按順序分為12個(gè)獨(dú)立樣本,并且按照50%重疊進(jìn)行,加漢寧窗.

以上時(shí)域法和頻域法計(jì)算出了單軸向加權(quán)加速度均方根值,按照ISO 2631,ISO 5349國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),各軸向加權(quán)系數(shù)均為1,因此,三軸向總加權(quán)加速度均方根值為

(7)

全地形車的平順性評(píng)價(jià)采用加權(quán)振級(jí)更利于比較,因此將加權(quán)加速度均方根值換算為加權(quán)振級(jí),即

(8)

式中:a0為參考加速度均方根值,a0=10-6m/s2.

軟件分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,遵循模塊化程序設(shè)計(jì)思想,根據(jù)系統(tǒng)的總體需求,軟件系統(tǒng)的框圖如圖2所示.

圖2 平順性分析軟件的框圖Fig.2 Scheme of the analyzing software for riding comfort analysis

目前,全地形車的平順性分析大多采用頻域法,而忽略時(shí)域法[10-11].本文設(shè)計(jì)的軟件分析系統(tǒng)包括時(shí)域法和頻率法,以便更好地進(jìn)行分析與評(píng)價(jià).

3 全地形車平順性測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用

本文采用搭建的全地形車平順性測(cè)試系統(tǒng),對(duì)多款全地形車進(jìn)行了平順性分析,結(jié)合多名駕駛員的主觀評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：測(cè)試系統(tǒng)方便、可靠.這里僅以某款全地形車為例進(jìn)行平順性測(cè)試分析.

平順性試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)進(jìn)行,B級(jí)路面.試驗(yàn)時(shí)天氣晴朗,溫度30 ℃左右,風(fēng)速小于3 m/s,所試驗(yàn)的全地形車運(yùn)行狀況符合試驗(yàn)要求,專職試車員體重75 kg,滿足要求.按照平順性試驗(yàn)要求,車速分別為30,40,50,60和70 km/h.

考慮到軟件分析系統(tǒng)處理精度的要求,試驗(yàn)時(shí)設(shè)置采樣頻率為2 000 Hz,采樣時(shí)間為1 min,滿足要求.

平順性試驗(yàn)之前,采用高精度GPS對(duì)車速進(jìn)行校正.試驗(yàn)過(guò)程中,專職試車員觀察校正后的車速表,當(dāng)達(dá)到指定車速后,通過(guò)設(shè)計(jì)的采集外觸發(fā)開(kāi)關(guān)控制數(shù)據(jù)采集,并保持穩(wěn)速行駛,直至通過(guò)指定的距離.

采用開(kāi)發(fā)的軟件分析系統(tǒng),對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.由于采用時(shí)域法評(píng)價(jià)人體振動(dòng)時(shí)需對(duì)峰值因子進(jìn)行判斷,提取了5個(gè)車速下時(shí)域法分析時(shí)的峰值因子,均小于6,評(píng)價(jià)方法可行.

該全地形車平順性評(píng)價(jià)最終的結(jié)果如表1所示,包含時(shí)域法和頻率法的評(píng)價(jià)結(jié)果.頻率法中有代表經(jīng)典譜估計(jì)Welch法和現(xiàn)代譜估計(jì)AR法的分析結(jié)果.

表1 手把、座位及腳踏振動(dòng)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.1 Vibration evaluation results of hands,cushions and pedals

由表1可知：評(píng)價(jià)人體振動(dòng)時(shí),時(shí)域法、Welch頻域法和AR頻域法3種方法所計(jì)算的結(jié)果相差非常小,并且評(píng)價(jià)結(jié)果與專業(yè)試車員的主觀評(píng)價(jià)一致.這表明3種方法均可用于全地形車平順性的評(píng)價(jià).

在實(shí)際數(shù)據(jù)處理時(shí),發(fā)現(xiàn)時(shí)域法計(jì)算速度遠(yuǎn)比頻率法快,推薦使用時(shí)域法計(jì)算最終評(píng)價(jià)結(jié)果.

在頻率法分析全地形車平順性時(shí),有代表經(jīng)典譜估計(jì)Welch法和現(xiàn)代譜估計(jì)AR法.這里以50 km/h時(shí)車速為例,給出手把處Z向采用Welch法和AR法所得到的功率譜密度圖,如圖3所示.

由圖3可知:Welch法和AR法的功率譜密度趨勢(shì)及幅值一致,但AR法比Welch法所得的曲線光滑,更易于分析頻譜特性,了解全地形車的振動(dòng)特性,為后期改進(jìn)提供理論指導(dǎo).

圖3 50 km/h手把處Z向功率譜密度Fig.3 Power spectral density of Z-direction at the hand for 50 km/h

4 結(jié)論

(1) 參考ISO 2631,ISO 5349等標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合全地形車自身振動(dòng)特性,開(kāi)發(fā)了適合于全地形車平順性評(píng)價(jià)測(cè)試硬件系統(tǒng).考慮到與硬件測(cè)試系統(tǒng)的匹配性,在FAMOS環(huán)境下設(shè)計(jì)了軟件分析系統(tǒng),最終搭建了完整的全地形車平順性測(cè)試系統(tǒng),該測(cè)試系統(tǒng)可靠且方便.

(2) 利用搭建的全地形車振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),以某款全地形車為例,進(jìn)行了平順性評(píng)價(jià).結(jié)果表明：時(shí)域法和頻率法的定量評(píng)價(jià)結(jié)果極度吻合,都可以用于全地形車的平順性評(píng)價(jià).

(3) 代表經(jīng)典譜估計(jì)的Welch法和現(xiàn)代譜估計(jì)的AR法所得到的功率譜曲線趨勢(shì)一致,但AR法所得到的功率譜曲線光滑,更利于分析.

(4) 時(shí)域法計(jì)算速度快,可很快了解被測(cè)全地形車的平順性狀況,但無(wú)頻域分析結(jié)果.頻率法計(jì)算速度慢,保留了功率譜圖,可用于全地形車平順性的改進(jìn)分析.