李亭 徐長舉

摘 要：室內道路模擬試驗在汽車可靠性研究方面起到了越來越重要的作用。本文針對某轎車的制動角加速度試驗，根據(jù)研究對象的特性和相關制動規(guī)范確定了路譜采集方案，經(jīng)過對采集的路譜信號進行篩選以及加速處理，得到具有較高置信度的制動角受載加速度信號的功率譜密度曲線，經(jīng)過差值簡化，從頻域模擬角度，確立了一種制動角室內振動試驗加載譜的生成方法。

關鍵詞：載荷譜;頻域分析;道路模擬;臺架試驗;功率譜密度;均方根

0 引言

室內道路模擬實驗由于不受天氣條件制約、試驗周期短、試驗結果精度高、重復性和可控性好等優(yōu)點，使整車開發(fā)在子系統(tǒng)和零部件的設計或強度缺陷能夠在設計的前期就能被發(fā)現(xiàn)，利于提高產(chǎn)品研發(fā)質量和效率，減少產(chǎn)品設計和開發(fā)的成本。因此，道路模擬試驗在汽車工程界越來越受重視。道路模擬試驗技術主要是通過獲取路面激勵信號，并作為臺架試驗的驅動信號，用于激勵臺架試驗機，進而開展車輛結構動強度和疲勞試驗。道路模擬試驗技術的關鍵是獲取準確可靠的路面激勵信號，即道路路面譜[1]。本文主要是基于通用某車型的制動角加速度試驗，通過確定數(shù)采采集的方案，原始信號預處理，基于疲勞損傷和雨流算法的信號壓縮最終得到可以用于臺架試驗的簡化PSD曲線，確立了一種制動角室內振動試驗加載譜生成的方法。

1 原始路譜信號采集

為了得到車輛制動角位置的PSD信號，滿足制動系統(tǒng)Knockback臺架試驗要求，需要在車輛制動角（主要是轉向節(jié)）附近區(qū)域選擇恰當?shù)奈恢貌贾煤侠淼膫鞲衅鳌?/p>

傳感器布置點的選擇原則是[3]：

（1）采集點的信號盡可能與某一試驗驅動力成線性關系而與其它試驗驅動力成正交關系，即信號與其他方向信號的耦合性要低，便于迭代盡快收斂;

（2）采集點盡可能靠近監(jiān)測采集點，以便監(jiān)測點處的道路模擬疲勞損傷接近實際道路損傷。

根據(jù)車輛制動卡鉗的工作原理，路面激勵載荷通過車輪對制動角位置處所產(chǎn)生的振動是制動卡鉗振動產(chǎn)生的主要因素，因而把它作為道路模擬試驗中的迭代再現(xiàn)控制數(shù)據(jù)是保證道路模擬試驗成功的關鍵。此次信號采集點定在卡鉗振動的輸入端，即在轉向節(jié)靠近卡鉗的平面上布置三向加速度傳感器，得到每個車輪該位置處的三向（X、Y、Z）的加速度信號。其具體的布置位置照片如圖1所示：

由于制動角的knockback試驗的輸入信號主要是車輛在粗燥路面下的加速度信號，并且信號關注的頻率點主要是在12-19 Hz之間，本次實驗選擇上汽通用廣德試驗場耐久試驗道路的上進行，選取的路面主要包括：常規(guī)比利時路，順時針路，耐久環(huán)路，操穩(wěn)路等路面等特征路面。

汽車在行駛過程中，路面的不平度會使車輪受到來自路面的沖擊載荷。載荷通過車輪傳遞到制動卡鉗位置，由于路面沖擊主要為垂向沖擊，所產(chǎn)生的垂向加速度振動信號要大于縱向和側向加速度，所以本次試驗主要以采集制動角在垂直方向的加速度振動信號作為迭代的主控制信號，縱向和側向加速度信號主要是用作參考信號，不作為住控制信號使用，盡最大可能性保持路面激勵的主要載荷，所采集的加速度信號時域圖如圖2所示。

2 時域載荷譜處理

2.1 時域載荷的預處理

由于數(shù)據(jù)采集中得到的原始信號經(jīng)A/D轉換后常包含著不利于分析的成分，如在采集數(shù)據(jù)時會混入各種噪聲，受到其他電磁設備的干擾，測試儀器的非線性失真等，這些不必要的成分可能對最終的分析結果產(chǎn)生很大的影響。因此，載荷譜采集完成后，要對異值信號進行剔除，剔除異值后對載荷譜進行對應的統(tǒng)計分析，本文采用LMS_TaceWare軟件對采集的載荷譜進行預處理，剔除異值后對載荷譜的統(tǒng)計結果見表1。

2.2 信號壓縮處理

載荷譜的壓縮處理是應用疲勞損傷等效原理，對載荷譜進行時域分析、濾波以及時間關聯(lián)等編輯后，刪除時域信號中損傷較小的部分。壓縮后的信號與原信號相比，所產(chǎn)生的疲勞損傷及損傷分布基本一致，而時間歷程卻大大縮短。在進行疲勞損傷計算之前首先需要進行相關的計數(shù)過程，由于對構件產(chǎn)生疲勞損傷的因素主要是應力幅值和應力循環(huán)次數(shù)，可以將實測的隨機載荷時間歷程簡化為一系列的全循環(huán)或半循環(huán)的過程。目前國內外在工程上最常用的相關統(tǒng)計的計數(shù)法是雨流計數(shù)法。相比于其他的計數(shù)方法，雨流算法具有以下幾個優(yōu)點[3]：①能夠將載荷的統(tǒng)計分析和材料的疲勞特性建立起一定的聯(lián)系，使人們更容易理解和接受。②雨流計數(shù)法是雙參數(shù)的計數(shù)法，這種計數(shù)法既可以統(tǒng)計信號的趨勢又不會遺失小的交變信號。③雨流計數(shù)法可以使載荷時間歷程的每一部分都參加到計數(shù)過程中，并且只是參與一次計算而不會重復。④雨流計數(shù)法便于計算機處理，易于實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的自動化。

基于雨流統(tǒng)計的載荷譜壓縮就是同步刪除各通道載荷譜中損傷小的雨流計數(shù)循環(huán)，并保持各通道相位一致，以加速試驗。對于本次實驗的加速信號的雨流計數(shù)結果如圖3所示。

2.3 功率譜密度PSD和均方根值RMS

功率譜密度是結構在隨機動態(tài)載荷激勵下響應的統(tǒng)計結果，是一條功率譜密度值—頻率值的關系曲線，功率譜密度函數(shù)表示振動能量在頻域上的分布，其定義是隨機分布在微小頻帶寬度內的均方根除以帶寬[2]，即：

式中T表示頻率周期;t為時間變量。

數(shù)學上，均方根（RMS）定義為功率譜密度曲線積分的二次根，表示振動所具有的總能量。RMS數(shù)值將為后面載荷通道的選擇提供依據(jù)。

2.4 參考通道信號選取

本次采集的數(shù)據(jù)來自左前、右前、左后、右后四個車輛制動角的加速度信號，從理論上分析，在實驗室制動臺架上對四個點的加載信號應該是一致的，以此可以作為判斷原始采集信號是否正確的一個依據(jù)，根據(jù)隨機振動的統(tǒng)計特性，本次實驗以各點加速度信號的功能譜密度（PSD）曲線作為研究對象，由功率譜密度函數(shù)的物理意義可知，PSD曲線下方的面積即為整個隨機振動信號的均方值。能量分布情況有PSD曲線來表示，能量的大小由均方根值RMS來表示。四個點的PSD曲線圖如圖4所示。

從采集的試驗場信號的PSD信號可以看出，信號一階振動頻率為13 Hz，符合相關規(guī)范中對于制動角12 Hz-19 Hz的考核要求，可以作為后期制動腳振動臺架實驗的信號。

2.5 參考通道信號壓縮

根據(jù)曲線的形狀，尤其是原始PSD曲線的拐點位置，從中選取幾個插值點進行插值簡化，插值的點盡量和原始的PSD曲線相接近，同時將原始PSD曲線的絕大部分包絡進來，本次由采集信號的簡化PSD曲線的插值點，繪得的插值曲線如圖5所示，從而得到制動角振動加速度PSD的包絡圖。

由圖5可以看出插值簡化后的PSD曲線與原始PSD曲線的能量分布具有較高的重合度，這就意味著簡化后的PSD曲線對應的信號的能量和原始信號的能量基本一致，可以用作室內道路模擬試驗用的激勵載荷，由于整個頻域只是選取了其中特定的幾個頻率點，從而大大減少了實驗的頻域的加載次數(shù)，而只是在對應的幾個頻率點進行加載，從而可以有效的縮短實驗時間，同時還保證了加載信號的能量與原始信號的能量卻相差不大，從而保證了加載信號的有效性，提升實驗的效率，起到了信號壓縮的目的。

3 結束語

本文以汽車制動角作為研究對象，根據(jù)制動角的工作特性和相關試驗規(guī)范要求，制定了有效的試驗道路振動加速度信號的采集方案，和相關數(shù)據(jù)的處理方法，最終得到可以用于室內臺架試驗的簡化的PSD包絡曲線，應用于室內臺架實驗后有效的提升了相關振動實驗的實驗效率，本論文中對加速度信號的處理方法對以后數(shù)據(jù)的處理具有借鑒意義。

參考文獻：

[1]宋勤，等.道路模擬試驗載荷譜的采集、處理與應用[J].儀表技術與傳感器，2011（03）：104-106.

[2]劉松林，等.基于頻域模擬的汽車前大燈振動激勵載荷編[J].現(xiàn)代制造工程，2014（11）.

[3]余卓平.道路模擬實驗用載荷譜樣本選擇方法[J].汽車工程，2004

（03）：220-223.

[4]徐宜，等.基于雨流法的機械疲勞分析[J].車輛與動力技術，2008

（03）：11-14.

作者簡介：李亭（1983-），女，河北樂亭人，碩士研究生，工程師，質量安全運營及技師發(fā)展經(jīng)理，研究方向：整車試驗認證。