馬 立 英

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院中心實(shí)驗(yàn)室, 上海 201804)

基于道路模擬的汽車平順性臺(tái)架試驗(yàn)開(kāi)發(fā)

馬 立 英

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院中心實(shí)驗(yàn)室, 上海 201804)

從試驗(yàn)教學(xué)角度出發(fā)，面向本科生，提出了汽車平順性臺(tái)架試驗(yàn)的方法和流程。借助實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的大型儀器設(shè)備整車道路模擬試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)對(duì)其道路模擬功能的梳理，結(jié)合汽車平順性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了從道路運(yùn)行再現(xiàn)、測(cè)點(diǎn)選擇與傳感器布置到數(shù)據(jù)處理評(píng)價(jià)的一般方法設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。結(jié)果表明，借助道路模擬試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展汽車平順性試驗(yàn)教學(xué)，把室外試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)搬進(jìn)了室內(nèi)，增加了試驗(yàn)安排的靈活性和學(xué)生動(dòng)手參與的機(jī)會(huì)，在踐行教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)，讓學(xué)生有條件接觸科技前沿的技術(shù)手段和方法，是基于試驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生專業(yè)實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的初步探索和嘗試。

汽車平順性; 試驗(yàn)開(kāi)發(fā); 道路模擬

0 引 言

汽車平順性反映的是汽車在行駛過(guò)程中，由于路面不平引起的振動(dòng)和沖擊對(duì)乘員舒適性的影響，是現(xiàn)代汽車的主要性能之一，也是關(guān)系到汽車質(zhì)量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素之一[1-3]。對(duì)于車輛工程專業(yè)的本科生而言，這是一個(gè)必修的試驗(yàn)項(xiàng)目。

如何充分利用科研實(shí)驗(yàn)室優(yōu)質(zhì)儀器設(shè)備設(shè)施資源，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神的本科生在高等教育中顯得尤為重要[4-5]。傳統(tǒng)的汽車平順性試驗(yàn)是在室外進(jìn)行的，它的優(yōu)點(diǎn)是貼近實(shí)際、現(xiàn)場(chǎng)感強(qiáng)；缺點(diǎn)是受限于場(chǎng)地、氣候因素以及學(xué)生安全的考慮，試驗(yàn)安排受限，課程開(kāi)展僅僅停留在演示階段，學(xué)生在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中參與度低，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程認(rèn)識(shí)不深，達(dá)不到應(yīng)有的教學(xué)效果。

本文結(jié)合同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院中心實(shí)驗(yàn)室的四通道道路模擬試驗(yàn)臺(tái)，把原來(lái)在室外進(jìn)行的汽車平順性試驗(yàn)搬到室內(nèi)的試驗(yàn)臺(tái)架上[6]，由于不存在場(chǎng)地選擇和氣候因素的影響和限制，教學(xué)設(shè)計(jì)上，試驗(yàn)安排的靈活性和學(xué)生的參與度都大大增加，學(xué)生在掌握汽車平順性試驗(yàn)原理和方法的同時(shí)，還增加了對(duì)先進(jìn)大型儀器設(shè)備技術(shù)手段的認(rèn)識(shí)和了解，有助于學(xué)生在專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)踐創(chuàng)新和視野拓展,提升就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 道路模擬試驗(yàn)臺(tái)原理及組成

本文所述試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)為電液伺服控制四通道道路模擬試驗(yàn)臺(tái), 它可以模擬并再現(xiàn)整車或總成部件實(shí)際道路運(yùn)動(dòng)特性，廣泛用于整車和部件總成的動(dòng)力學(xué)特性研究和可靠性疲勞耐久分析與評(píng)價(jià)[7-10]。

該試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)如圖1所示，主要由作動(dòng)器、控制系統(tǒng)、主計(jì)算機(jī)和動(dòng)力供給系統(tǒng)四部分構(gòu)成。作動(dòng)器為電液伺服控制的線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸,一共有4個(gè),分別通過(guò)與油缸活塞相連的托盤(pán)承載試驗(yàn)車輛的4個(gè)車輪；控制系統(tǒng)主要由8800控制器組成，通過(guò)GPIB接口與客戶端主機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)各通道的信號(hào)控制和傳輸；主控計(jì)算機(jī)集成有RS Console和Labsite 軟件系統(tǒng),用于試驗(yàn)配置及功能操控。動(dòng)力供給系統(tǒng)由一套徑向柱塞泵驅(qū)動(dòng)的液壓泵站系統(tǒng)構(gòu)成，用于提供作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)所需的液壓能[11]。

圖1 道路模擬試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)

2 基于試驗(yàn)臺(tái)的平順性試驗(yàn)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

以GB/T4970《汽車平順性試驗(yàn)方法》[12]為依據(jù)確立試驗(yàn)教學(xué)方案，完成試驗(yàn)設(shè)計(jì)。為了能夠在室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行汽車平順性試驗(yàn)，需要在室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)臺(tái)上再現(xiàn)汽車道路行駛時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)安裝在試驗(yàn)車目標(biāo)座椅上的加速度傳感器，進(jìn)行汽車平順性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集，并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法完成汽車平順性評(píng)價(jià)。綜上所述，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程可分解為道路模擬、測(cè)點(diǎn)選擇及傳感器布置、汽車平順性分析與評(píng)價(jià)。

2.1 道路模擬(即目標(biāo)譜再現(xiàn))

以實(shí)際道路采集的車輪軸頭位移信號(hào)為道路模擬目標(biāo)譜,將試驗(yàn)車輛放置在試驗(yàn)臺(tái)上,4個(gè)車輪分別對(duì)應(yīng)試驗(yàn)臺(tái)的4個(gè)作動(dòng)器油缸托盤(pán),通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)基于TWR技術(shù)的道路模擬功能,實(shí)現(xiàn)道路目標(biāo)譜再現(xiàn)。該過(guò)程由系統(tǒng)識(shí)別SI和目標(biāo)模擬TS兩部分組成。

系統(tǒng)識(shí)別工作流程如圖2所示。首先，人為生成一個(gè)白粉紅噪聲信號(hào)，把它作為系統(tǒng)的激勵(lì)或輸入信號(hào)，通過(guò)采集系統(tǒng)在激勵(lì)作用下4個(gè)車輪軸頭的響應(yīng)信號(hào)，根據(jù)已知的輸入和輸出，即可求解系統(tǒng)特性，完成系統(tǒng)識(shí)別。這里用頻響函數(shù)FRF表征系統(tǒng)特性，在數(shù)學(xué)描述上它是一個(gè)4×4矩陣。特別要說(shuō)明的是這里的系統(tǒng)是指包括試驗(yàn)車輛在內(nèi)的試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)識(shí)別工作流程圖

在完成系統(tǒng)識(shí)別的基礎(chǔ)上，就可以進(jìn)行目標(biāo)模擬了，其工作流程如圖3所示。頻域里系統(tǒng)、輸入和輸出的關(guān)系可用下式描述:

(1)

式中:H(f)、X(f)和Y(f)分別為系統(tǒng)、輸入(激勵(lì))和輸出(響應(yīng))的頻域表征。由此可知，通過(guò)系統(tǒng)識(shí)別獲得了系統(tǒng)特性，即系統(tǒng)已知；把外場(chǎng)某典型道路采集的4個(gè)車輪軸頭位移信號(hào)作為已識(shí)別系統(tǒng)的目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)，即輸出已知；所以目標(biāo)模擬實(shí)際上是一個(gè)求可以再現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)響應(yīng)的輸入的過(guò)程，即驅(qū)動(dòng)文件的求解過(guò)程。首次激勵(lì)由系統(tǒng)和目標(biāo)響應(yīng)按下式求得：

(2)

式中：H-1(f)為表征系統(tǒng)的頻響函數(shù)的逆；X1(f)、YT(f)分別為首次激勵(lì)(輸入)信號(hào)及目標(biāo)響應(yīng)(輸出)信號(hào)的頻域表征。

圖3 目標(biāo)模擬工作流程圖

用獲得的首次激勵(lì)驅(qū)動(dòng)(試驗(yàn)臺(tái)+車)系統(tǒng)，采集試驗(yàn)車軸頭目標(biāo)信號(hào)位置的實(shí)際響應(yīng)輸出，并把該測(cè)量響應(yīng)與目標(biāo)響應(yīng)進(jìn)行比較，其差值用于激勵(lì)信號(hào)的修正，用修正后的激勵(lì)信號(hào)再驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)測(cè)量軸頭響應(yīng)，并與目標(biāo)響應(yīng)求偏差，再次修正激勵(lì)信號(hào)。這是一個(gè)迭代的過(guò)程，可能需要幾步、數(shù)十步或更多步，這主要取決于系統(tǒng)的線性化程度。該過(guò)程涉及計(jì)算可用下式描述：

(3)

(4)

式中：yT(t)為目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)的時(shí)域表征；xi(t)、yi(t)分別為第i步的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和相應(yīng)軸頭測(cè)量的響應(yīng)信號(hào)；xi+1(t)為第i+1步的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；ei(t)為第i步軸頭測(cè)量信號(hào)與目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)的偏差。

通過(guò)道路目標(biāo)譜再現(xiàn)環(huán)節(jié)，獲得了可以再現(xiàn)目標(biāo)道路振動(dòng)的試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)文件，至此，汽車平順性試驗(yàn)的臺(tái)架試驗(yàn)條件準(zhǔn)備完成。

2.2 測(cè)點(diǎn)選擇及傳感器布置

汽車平順性試驗(yàn)考量的是乘員或駕駛員的乘坐舒適性,因此測(cè)點(diǎn)需布置在目標(biāo)座椅上。按照GB/T4970規(guī)定,座椅上的測(cè)點(diǎn)位置有3個(gè),分別是座椅座墊上方、座椅靠背和腳支撐地板處。每個(gè)測(cè)點(diǎn)有3個(gè)信號(hào)采集通道，用于采集x、y、z3個(gè)方向的加速度振動(dòng)信號(hào)(見(jiàn)圖4，其中下標(biāo)s、b、f分別表示座椅座墊、座椅靠背、腳支撐處)[12-15]。

圖4 測(cè)點(diǎn)位置及采集通道示意圖

本教學(xué)試驗(yàn)的目的是讓學(xué)生熟悉汽車平順性的試驗(yàn)流程，因此不必采集所有測(cè)點(diǎn)通道?？筛鶕?jù)學(xué)時(shí)安排，選擇有代表性的測(cè)點(diǎn)和通道?？紤]實(shí)際學(xué)時(shí)有限，本試驗(yàn)項(xiàng)目選擇座椅、座墊為目標(biāo)測(cè)點(diǎn)位置，完成數(shù)據(jù)采集和基于該目標(biāo)位置的汽車平順性評(píng)價(jià)。用道路模擬獲得的驅(qū)動(dòng)信號(hào)激勵(lì)(試驗(yàn)臺(tái)+試驗(yàn)車)系統(tǒng)振動(dòng)，選用YD-232專用加墊三向加速度傳感器測(cè)量目標(biāo)座椅坐墊加速度振動(dòng)信號(hào)，選用INV306U智能信號(hào)采集處理分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,試驗(yàn)要求數(shù)據(jù)采集截止頻率fc≤90 Hz。

2.3 汽車平順性分析與評(píng)價(jià)

根據(jù)上述信號(hào)數(shù)據(jù)采集結(jié)果，分以下3個(gè)步驟完成汽車平順性分析與評(píng)價(jià)：

(1) 計(jì)算各通道方向加速度加權(quán)均方根值。對(duì)采集的座椅加速度信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，再按1/3倍頻帶劃分23個(gè)頻帶(按最高截止頻率為90 Hz劃分)，按下式依次進(jìn)行各頻帶加速度均方根值計(jì)算和各頻段加權(quán)：

(5)

(6)

各通道根據(jù)實(shí)際采集信號(hào)的方向選取不同的加權(quán)系數(shù)，具體各頻段加權(quán)系數(shù)在GB/T4970中已給出，表1給出部分?jǐn)?shù)據(jù)[12]。

表1 座椅座墊上方加速度1/3倍頻帶加權(quán)系數(shù)表

(2) 計(jì)算目標(biāo)位置總加權(quán)加速度均方根值。對(duì)按步驟(1)計(jì)算得到的各通道方向加速度加權(quán)均方根值按下式完成總加權(quán)加速度均方根值計(jì)算：

(7)

(3) 根據(jù)步驟(2)計(jì)算得到的總加權(quán)加速度均方根值，按表2[12-15]完成目標(biāo)車輛目標(biāo)座椅、座墊舒適性評(píng)價(jià)，即座椅目標(biāo)位置的汽車平順性評(píng)價(jià)。

表2 總加權(quán)加速度均方根值與人的主觀感覺(jué)之間的關(guān)系

3 結(jié) 語(yǔ)

在車輛工程專業(yè)本科生試驗(yàn)課程教學(xué)中，引入大型先進(jìn)儀器設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)教學(xué)是一種教學(xué)嘗試，也是科技進(jìn)步對(duì)試驗(yàn)教改的必然推動(dòng)。借助室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行汽車平順性試驗(yàn)教學(xué)，一改演示為主的教學(xué)模式，學(xué)生在教師指導(dǎo)下分批次進(jìn)行試驗(yàn)，參與動(dòng)手，完成目標(biāo)測(cè)點(diǎn)傳感器布置、道路目標(biāo)譜播放、數(shù)據(jù)采集全過(guò)程，課后需根據(jù)提供的Matlab程序獨(dú)立完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理并給出結(jié)果評(píng)價(jià)，提交試驗(yàn)報(bào)告。課程試運(yùn)行效果很好，在踐行教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)，讓學(xué)生接觸科技前沿技術(shù)手段和方法，是基于試驗(yàn)教學(xué)的學(xué)生專業(yè)實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的初步探索和嘗試。

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Experimental Development of Automotive Ride Comfort Based on Road Simulator

MALiying

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)

In this paper, an experimental teaching approach of automotive ride comfort is developed by means of road load simulator in laboratory. The car is moved from proving ground to the test rig in room, it is more flexible for course arrangement and design of practical program. The result shows that it is significantly efficient to inspire students' learning interest and foster their practical skill. This is a primary exploration to raise students professional ability and hands-on skill.

automotive ride comfort； experimental development； road simulation

2016-05-05

馬立英(1972-)，女，山東萊蕪人，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事汽車零部件及整車可靠性疲勞耐久相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)研究和教學(xué)。

Tel.:021-69589251×1021; E-mail:maliying@#edu.cn

U 467.1

A

1006-7167(2017)02-0080-03