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        軸耦合道路模擬試驗關(guān)鍵控制因素研究

        2019-10-23 07:07:50陳禹周德泉劉建文王新偉
        汽車實用技術(shù) 2019年19期
        關(guān)鍵詞:減振器臺架增益

        陳禹,周德泉,劉建文,王新偉

        (廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院,廣東 廣州 511434)

        前言

        道路模擬試驗由于具有周期短、重復(fù)性好、不受天氣影響、可長時間不間斷試驗等特點,在汽車研發(fā)領(lǐng)域已得到廣泛運用。美、歐及日本等汽車工業(yè)強國在該領(lǐng)域的研究較為領(lǐng)先,國內(nèi)也先后有田力軍[1]、胡毓冬、周鋐[2][3]等人針對其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理進行了深入研究。目前,對道路模擬領(lǐng)域的研究主要側(cè)重于迭代控制策略、與試驗場或用戶關(guān)聯(lián)及其與仿真分析的結(jié)合應(yīng)用等方面,而針對其結(jié)果準(zhǔn)確性的影響因素方面則少有涉及。

        在道路模擬試驗過程中,臺架設(shè)備、控制系統(tǒng)和車輛組成復(fù)雜的非線性系統(tǒng),試驗結(jié)果受臺架狀態(tài)、軟件參數(shù)、車輛狀態(tài)及環(huán)境等方面影響。本文基于6 自由度軸耦合道路模擬試驗系統(tǒng)(二十四通道),對道路模擬試驗過程進行梳理,針對其中影響試驗結(jié)果的關(guān)鍵因素展開研究。

        1 道路模擬過程分析

        道路模擬試驗主要步驟包括:①道路載荷譜采集;②數(shù)據(jù)處理和編輯;③求解傳遞函數(shù);④驅(qū)動譜迭代,獲得驅(qū)動信號;⑤實施臺架耐久。

        1.1 道路載荷譜采集

        道路載荷譜采集的目的是獲取目標(biāo)信號,采集通道包括控制通道和監(jiān)控通道??刂仆ǖ烙糜谂_架迭代控制,一般為六分力、軸頭加速度、懸架位移等;監(jiān)控通道用于迭代結(jié)果輔助分析和判斷,通常為塔座、質(zhì)心加速度及底盤應(yīng)變等。

        1.2 數(shù)據(jù)處理

        道路載荷譜采集獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)去除異常幅值、除毛刺及去漂移等處理后,一般可得到至少5 組數(shù)據(jù)樣本。道路模擬試驗通常從中選擇一組,經(jīng)濾波、去均值、重采樣等處理后作為目標(biāo)信號。數(shù)據(jù)處理技術(shù)有系統(tǒng)理論和成熟軟件的支持,而數(shù)據(jù)樣本選取直接決定道路模擬目標(biāo)信號,顯得尤為重要。

        1.3 求解傳遞函數(shù)及驅(qū)動譜迭代

        通過白噪聲激勵進行系統(tǒng)識別,所得的頻響函數(shù)矩陣即為系統(tǒng)傳遞函數(shù)H(jω)。對于該系統(tǒng),輸入和輸出存在如下關(guān)系:

        其中,X(jω)、Y(jω)分別為系統(tǒng)輸入X(t)、輸出Y(t)的傅里葉變換。根據(jù)RPC 理論,系統(tǒng)初始驅(qū)動信號由下式求得:

        其中,X0(jω)為初始驅(qū)動信號X0(t)的傅里葉變換, Yd(jω)為目標(biāo)信號Yd(t)的傅里葉變換,H-1(jω)為傳遞函數(shù)H(jω)的逆矩陣,g 為增益系數(shù)。

        后續(xù)驅(qū)動信號求解公式為:

        式中,Xi(jω)、Xi+1(jω)分別為第i 步、第i+1 步驅(qū)動信號的傅里葉變換,ΔX(jω)為驅(qū)動信號修正量,由Xi+1(jω)的傅里葉逆變換可求得下一步驅(qū)動的時域信號。迭代的一般流程如圖1。

        圖1 迭代流程

        傳遞函數(shù)求解以成熟的自動化控制理論為背景,結(jié)合臺架設(shè)備特性,易形成固化的方法和流程;迭代過程由于非線性因素較多,對試驗結(jié)果影響較大。

        1.4 臺架耐久

        臺架耐久是通過驅(qū)動信號重復(fù)以播放實現(xiàn)車輛耐久考核,過程中需要對減振器及底盤襯套進行充分冷卻,并按時對車輛和設(shè)備進行點檢。

        基于上述分析,總結(jié)如下:

        (1)目標(biāo)信號作為道路模擬試驗的輸入條件和復(fù)現(xiàn)目標(biāo),選擇合理與否非常重要;

        (2)迭代結(jié)果直接決定道路模擬準(zhǔn)確性,該過程中影響因素較多,主要包含車輛、臺架系統(tǒng)以及環(huán)境(減振器、襯套冷卻)等方面。

        2 要素分析

        綜上,影響道路模擬試驗的關(guān)鍵因素在于:①目標(biāo)信號確定(樣本選?。虎诘刂茀?shù),包括帶寬、增益及迭代結(jié)果評價等;③車輛狀態(tài),如配重、減振器/襯套溫度等。

        2.1 目標(biāo)信號確定

        確定目標(biāo)信號即選取存活率為50%的數(shù)據(jù)樣本,按經(jīng)驗若有5 個樣本,則有95%的概率使50%存活率的樣本誤差限度在5%以內(nèi),通常采用Rossow 方法[4]。

        2.1.1 Rossow 方法原理

        當(dāng)子樣較小時,無論抽樣母體為何種分布,均可用以下方法來確定個體所對應(yīng)的母體存活率估計量。

        首先將所有樣本進行排序,即:

        則對應(yīng)第i 個觀測值Xi 的母體存活率P 為:

        其中i 為樣本排序號,n 為樣本總數(shù)。

        2.1.2 樣本選取

        載荷譜數(shù)據(jù)包含多個通道,因此不可能用式(4)和式(5)直接求算,需對各樣本進行損傷向量模計算并歸一化。以某車型載荷譜數(shù)據(jù)為例,首先對控制通道進行相對損傷計算,5個樣本的計算結(jié)果見表1。

        表1 樣本損傷向量

        以任一樣本(如樣本3)為基準(zhǔn)將表1 結(jié)果歸一化,結(jié)果見表2。

        表2 歸一化結(jié)果

        根據(jù)式(4)和式(5)可得,樣本4 即存活率為50%的樣本。

        2.2 迭代過程控制

        2.2.1 控制帶寬

        根據(jù)頻率分析結(jié)果,道路模擬迭代控制頻率通常為0.6~50Hz,如圖2 所示。

        圖2 道路載荷譜頻率分析

        為研究控制帶寬對迭代的影響,針對某路面分別以0.6~50Hz、1~50Hz、2~50Hz、1~30Hz 等4 個頻段進行迭代,直至所有控制通道RMS Error≤10%。迭代結(jié)果對比見圖3。

        圖3 控制帶寬對迭代的影響

        上圖說明:

        ①以0.6~50Hz 和1~50Hz 迭代,均能獲得理想效果,但前者存在響應(yīng)超出目標(biāo)的風(fēng)險;

        ②以1~30Hz 迭代,高頻成分損失較多,導(dǎo)致與軸頭關(guān)聯(lián)的載荷減小,但對車身響應(yīng)無影響;

        ③以2~50Hz 迭代,車身姿態(tài)變化受較大影響,底盤響應(yīng)無顯著影響。

        2.2.2 增益系數(shù)

        針對某路面以1~50Hz 為帶寬,取大、小兩組增益進行迭代,直至所有控制通道RMS Error≤10%,對比Fx、Fy 及Fz 收斂曲線,結(jié)果見表3。

        不難看出,較大的增益使收斂加快,提高迭代效率,但收斂曲線穩(wěn)定性變差。尤其對于Fy,大增益使其發(fā)散風(fēng)險更高。

        圖4 二十四通道臺架結(jié)構(gòu)

        表3 不同增益系數(shù)收斂曲線

        結(jié)合二十四通道臺架結(jié)構(gòu)特征,其縱向相對獨立,而側(cè)向和垂向互相干擾,如圖4?,F(xiàn)針對Fy 和Fz 進行大小增益控制下的收斂曲線對比,結(jié)果見表4。

        表4 不同增益系數(shù)下Fy、Fz 收斂曲線

        可見Fz 增益變化對Fy 影響明顯,其增益設(shè)置過大,易導(dǎo)致Fy 發(fā)散失控,應(yīng)在開始時設(shè)置較小增益值,待Fy 趨于收斂后視情況調(diào)整各通道增益以提高迭代速度。

        2.2.3 迭代結(jié)果評價

        圖5 試驗場特征路面分類

        如圖5,試驗場特征路面一般包含寬頻隨機型、特定頻率型和瞬態(tài)沖擊型3 種。對于前兩種,結(jié)合RMS Error(均方根誤差)、Response Max(最大值誤差)和Response Min(最小值誤差)三個指標(biāo),一般都易于實現(xiàn)較高的迭代精度。

        考慮沖擊型路面的迭代相對復(fù)雜,現(xiàn)以石塊路和坑洼路兩種類型路面的迭代結(jié)果進行對比,結(jié)果見表5。

        表5 不同路面迭代結(jié)果對比

        坑洼路RMS Error 降至20%后趨于平緩,最大值、最小值吻合度均已接近100%。因此,對于沖擊路面迭代結(jié)果的評價應(yīng)側(cè)重于最大值、最小值的復(fù)現(xiàn)度。

        2.3 車輛配載

        車輛配載對迭代響應(yīng)有著直接影響,為實現(xiàn)最大化驗證效果,選取滿載、半載、空載三種狀態(tài)進行研究,對比3 種載荷下的響應(yīng),結(jié)果見圖6。

        圖6 不同載荷的雨流結(jié)果

        圖6 說明配載變化對六分力響應(yīng)基本無影響,但車身運動(起伏、俯仰、側(cè)傾等)隨配載減小而變大。對比三種載荷狀態(tài)下響應(yīng)與目標(biāo)的損傷比,六分力信號均可實現(xiàn)對目標(biāo)的良好復(fù)現(xiàn),但懸架位移損傷隨配載減小而增大,空載狀態(tài)下?lián)p傷比最大達(dá)1.7 倍,如圖7 所示。因此,隨著載荷減小,車身會產(chǎn)生額外運動,導(dǎo)致車身姿態(tài)偏差,并進一步導(dǎo)致車身相關(guān)零件的受力情況差異。

        圖7 不同載荷損傷分析結(jié)果

        2.4 減振器溫度

        為研究減振器溫度對車輛載荷的影響,以同樣的驅(qū)動信號,分別在減振器為室溫(26℃)和高溫(90℃)時播放,對響應(yīng)信號進行雨流分析,如下圖。

        圖8 不同溫度的雨流結(jié)果

        可見減震器溫度升高后,阻尼力減小,懸架位移量增加,車身姿態(tài)變化更明顯。同時,六分力損傷隨減振器溫度升高而減小,如圖9 所示。響應(yīng)與目標(biāo)出現(xiàn)偏差,迭代控制受到影響。

        圖9 不同減振器溫度的損傷分析

        此外,減振器溫度升高導(dǎo)致懸架位移損傷增大,車身運動更明顯,姿態(tài)控制更加困難。綜上,減震器溫度變化導(dǎo)致底盤和車身響應(yīng)改變,迭代時為保證迭代效果和效率,應(yīng)控制減震器溫度處于合理范圍,不發(fā)生明顯變化。在耐久過程中也應(yīng)注重減震器溫度控制,以避免持續(xù)運動過程中溫度上升,車輛受力與實際道路差異,導(dǎo)致道路模擬試驗結(jié)果出現(xiàn)偏差。

        3 總結(jié)

        本文基于6 自由度軸耦合道路模擬試驗系統(tǒng),對道路模擬試驗過程進行梳理,并針對試驗過程中關(guān)鍵的影響因素展開研究,獲得以下結(jié)論:

        (1)控制帶寬方面,與軸頭響應(yīng)強關(guān)聯(lián)的零部件對上限頻率較為敏感,而車身姿態(tài)相關(guān)零部件對于下限頻率較敏感,迭代時應(yīng)根據(jù)不同路面視情況選擇合適的區(qū)間。

        (2)側(cè)向?qū)τ诖瓜虻脑鲆嬷底兓浅C舾?,迭代開始時應(yīng)設(shè)置較小的垂向增益值,避免側(cè)向發(fā)散。

        (3)迭代結(jié)果應(yīng)結(jié)合RMS 誤差、最大值和最小值三大指標(biāo)進行綜合評價;對于沖擊型特征路面,側(cè)重于評估最大值和最小值的復(fù)現(xiàn)度。

        (4)配重主要影響車身受力及姿態(tài)變化,而減震器溫度變化則對底盤結(jié)構(gòu)和車身運動均有影響,在道路模擬過程中應(yīng)注重對其進行合理的溫度控制。

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