孫 野， 于長(zhǎng)清， 王震偉， 劉志遠(yuǎn)，張子雙， 杜 書

(1.中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130013)

道路模擬試驗(yàn)可以快速、有效地對(duì)車輛進(jìn)行耐久性考核，其具有試驗(yàn)周期短、試驗(yàn)重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，目前已被眾多整車生產(chǎn)廠家所采用[1-3].

車輛在設(shè)計(jì)時(shí)，要求具有一定的平順性和操穩(wěn)性[4]，為使車輛具有更好的性能，很多高端車型配備主動(dòng)減振器，該減振器會(huì)根據(jù)車輛行駛的路況自動(dòng)進(jìn)行減振器阻尼調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)整懸架軟硬.

由于具備主動(dòng)減振器的車輛在行駛過程中采用全時(shí)主動(dòng)減振控制方式，按照傳統(tǒng)道路模擬試驗(yàn)方法，難以對(duì)具備主動(dòng)減振器的車輛進(jìn)行試驗(yàn)，需要在試驗(yàn)中增加主動(dòng)減振器控制環(huán)節(jié)，以實(shí)時(shí)控制主動(dòng)減振器的阻尼特性，使其符合車輛在試驗(yàn)臺(tái)架上振動(dòng)狀態(tài)所要求的阻尼特性，進(jìn)而完成道路模擬試驗(yàn).

1 試驗(yàn)方法

1.1 主動(dòng)減振器控制

懸架電子控制單元(ECU，Electronic Control Unit)根據(jù)車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩、車身加速度、車身高度等一系列信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)車輛行駛狀態(tài)進(jìn)行判斷，并對(duì)主動(dòng)控制閥輸出控制指令，控制閥門開度以提供適應(yīng)當(dāng)前行駛狀態(tài)的阻尼特性.

基于主動(dòng)減振器控制原理，文中通過配置dSPACE的CAN報(bào)文仿真模塊建立硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，利用Simulink建立系統(tǒng)仿真模型，設(shè)置CAN報(bào)文收發(fā)接口，經(jīng)編輯和編譯后下載仿真程序到目標(biāo)機(jī)，實(shí)現(xiàn)將車輛CAN信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸給懸架ECU，經(jīng)ECU計(jì)算后輸出相應(yīng)的控制指令給主動(dòng)減振器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)減振器阻尼的實(shí)時(shí)控制.

1.2 道路模擬試驗(yàn)

配備主動(dòng)減振器的車輛道路模擬試驗(yàn)的基本流程及控制方法如圖1所示.

圖1 主動(dòng)減振器車輛道路模擬試驗(yàn)方法

文中基于MTS 329設(shè)備，對(duì)采用主動(dòng)減振器的車輛進(jìn)行道路模擬試驗(yàn).采集汽車試驗(yàn)場(chǎng)典型工況載荷譜，同步采集車輛行駛過程中的CAN報(bào)文；應(yīng)用粉紅噪聲信號(hào)驅(qū)動(dòng)整車與臺(tái)架系統(tǒng)運(yùn)行，求解系統(tǒng)頻響函數(shù)[5-9]；對(duì)主動(dòng)減振器車輛進(jìn)行迭代，迭代過程中，為懸架ECU發(fā)送CAN報(bào)文[10]，CAN報(bào)文的發(fā)送需與載荷驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)同步，保證減振器阻尼狀態(tài)與車輛振動(dòng)狀態(tài)相一致.

2 數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 載荷測(cè)點(diǎn)選取

在整車道路模擬試驗(yàn)中，應(yīng)用非方陣迭代法能夠有效地保證迭代準(zhǔn)確度，選取懸架中部分零部件載荷、軸頭加速度、懸架位移信號(hào)等參與迭代，可使道路模擬試驗(yàn)中懸架零部件所受載荷與路試時(shí)更加接近，保證車身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)相一致[11].

綜合考慮試驗(yàn),重點(diǎn)關(guān)注零部件及懸架各部件在車輛行駛時(shí)的受力情況，選取的測(cè)點(diǎn)需盡量與車輪受到的縱向力、側(cè)向力、垂向力中的某一方向力相關(guān)性高，而受其它方向力的干擾較小，保證測(cè)點(diǎn)與單一方向力相關(guān)性高,有利于迭代的收斂，提高迭代準(zhǔn)確度.文中采集的信號(hào)及所用傳感器見表1所示.

表1 采集信號(hào)與傳感器

2.2 CAN報(bào)文采集

在載荷譜采集過程中，需通過車輛CAN總線同步采集懸架CAN報(bào)文信息，CAN報(bào)文需與載荷譜信號(hào)實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng).

2.3 典型工況

試驗(yàn)中采集的典型工況及車速如表2所示.

表2 典型工況與車速

3 頻響函數(shù)求解與迭代

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)為多輸入、多輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)模型如圖2所示.其中：X(ω)為系統(tǒng)輸入信號(hào)矩陣；Y(ω)為系統(tǒng)輸出信號(hào)矩陣；H(ω)為系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣.

圖2 多輸入、多輸出試驗(yàn)系統(tǒng)

忽略試驗(yàn)系統(tǒng)中非線性因素的影響，把整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為線性時(shí)不變系統(tǒng)，則頻響函數(shù)矩陣H(ω)計(jì)算方法為

H(ω)=Gyx(ω)/Gxx(ω)，

(1)

式中：Gyx(ω)是輸出與輸入信號(hào)互功率譜密度(dB)；Gxx(ω)是輸入信號(hào)自功率譜密度(dB).

進(jìn)行系統(tǒng)頻響函數(shù)求解時(shí)，應(yīng)用粉紅噪聲信號(hào)激勵(lì)系統(tǒng)運(yùn)行，各傳感器采集響應(yīng)信號(hào)，根據(jù)式(1)計(jì)算得到系統(tǒng)頻響函數(shù)矩陣H(ω).

3.2 粉紅噪聲激勵(lì)信號(hào)

3.2.1 能量分布

粉紅噪聲的能量主要分布于中低頻段，其能量隨著頻率的增加而降低，功率譜密度與頻率成反比，應(yīng)用粉紅噪聲驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可有效求解出系統(tǒng)頻響函數(shù).文中生成粉紅噪聲能量分布在[0,50 Hz]頻率范圍,所生成的左前輪垂向激勵(lì)信號(hào)功率譜密度曲線如圖3所示.

圖3 左前輪垂向粉紅噪聲激勵(lì)功率譜密度

3.2.2 幅值分布

生成的粉紅噪聲激勵(lì)信號(hào)幅值分布服從N(0,σ2)的高斯分布，依據(jù)“3σ”原理，在高斯分布下，落在[-3σ，3σ]區(qū)間的幅值占比為99.7%，所以，在設(shè)定粉紅噪聲信號(hào)幅值時(shí)，主要給3σ進(jìn)行賦值，并且要求用給定的幅值所生成的粉紅噪聲信號(hào)激勵(lì)系統(tǒng)運(yùn)行后，得到的響應(yīng)信號(hào)最大值應(yīng)介于目標(biāo)信號(hào)最大值的20%～100%之間.文中生成的左前輪垂向粉紅噪聲激勵(lì)信號(hào)給定的3σ值為6，幅值高斯分布圖如圖4所示.

圖4 左前輪垂向粉紅噪聲激勵(lì)幅值高斯分布圖

3.3 頻響函數(shù)求解

頻響函數(shù)表征了試驗(yàn)系統(tǒng)在各頻率下的系統(tǒng)特性，主要指輸出信號(hào)、輸入信號(hào)幅值比與頻率的函數(shù)關(guān)系，和輸出信號(hào)、輸入信號(hào)相位差與頻率的函數(shù)關(guān)系，頻響函數(shù)直觀反映了試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)各頻率輸入信號(hào)的響應(yīng)特性.

在求解系統(tǒng)頻響函數(shù)時(shí)，為使控制指令所控制的主動(dòng)減振器阻尼狀態(tài)符合頻響函數(shù)求解時(shí)粉紅噪聲驅(qū)動(dòng)車輛過程中車輛的振動(dòng)狀態(tài)，依據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)為電控懸架ECU發(fā)送特定的仿真CAN報(bào)文信號(hào)，此CAN報(bào)文信號(hào)經(jīng)ECU計(jì)算后，ECU為主動(dòng)減振器發(fā)送控制指令，控制減振器阻尼達(dá)到期望狀態(tài).

3.4 迭代

由于系統(tǒng)非線性的存在，無法通過線性計(jì)算準(zhǔn)確預(yù)測(cè)輸入信號(hào)，需要通過迭代使臺(tái)架響應(yīng)信號(hào)不斷趨近期望響應(yīng)信號(hào).迭代過程中，依據(jù)前文1.1所述的方法實(shí)時(shí)控制主動(dòng)減振器阻尼狀態(tài)，使其與車輛振動(dòng)狀態(tài)相匹配.

迭代初始時(shí)，應(yīng)用系統(tǒng)頻響函數(shù)H(ω)和期望響應(yīng)Yd(ω)，計(jì)算頻域初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)X0(ω)為

X0(ω)=diag(α)[H(ω)-1Yd(ω)]，

(2)

式中：α為步長(zhǎng)系數(shù)，取值范圍[0.01,1].通過α可以控制每一步迭代的步長(zhǎng)，即控制響應(yīng)信號(hào)趨近于期望響應(yīng)速度的快慢，迭代初始階段，由于與期望響應(yīng)信號(hào)差距較大，α取值不宜過大，過大的取值可能會(huì)使迭代發(fā)散，應(yīng)隨著迭代的不斷進(jìn)行，響應(yīng)信號(hào)與期望響應(yīng)信號(hào)誤差逐漸縮小，逐步加大α的取值.

頻域初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)X0(ω)經(jīng)過傅里葉逆變換，得到初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)X0(t).用初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)X0(t)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行，得到第1次響應(yīng)信號(hào)Y1(t)，依次進(jìn)行迭代，假設(shè)第i次響應(yīng)信號(hào)為Yi(t)，則響應(yīng)信號(hào)Yi(t)與期望響應(yīng)信號(hào)Yd(t)的時(shí)域誤差ΔYi(t)為

ΔYi(t)=Yd(t)-Yi(t).

(3)

對(duì)ΔYi(t)進(jìn)行傅里葉變換,可得頻域響應(yīng)誤差ΔYi(ω).計(jì)算第i次頻域驅(qū)動(dòng)信號(hào)修正ΔXi(ω)為

ΔXi(ω)=H(ω)-1ΔYi(ω).

(4)

頻域驅(qū)動(dòng)信號(hào)修正ΔXi(ω)經(jīng)過傅里葉逆變換得到驅(qū)動(dòng)修正信號(hào)ΔXi(t)，修正后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Xi(t)為

Xi(t)=Xi-1(t)+diag(α)ΔXi(t).

(5)

當(dāng)由Xi(t)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行得到的響應(yīng)信號(hào)與期望響應(yīng)信號(hào)誤差滿足試驗(yàn)要求時(shí)，迭代結(jié)束.

3.5 迭代誤差

每一步迭代中，應(yīng)用臺(tái)架響應(yīng)信號(hào)相對(duì)期望響應(yīng)信號(hào)的均方根誤差對(duì)迭代準(zhǔn)確度進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以直觀地了解到迭代收斂情況，有助于分析響應(yīng)信號(hào)與期望響應(yīng)信號(hào)的偏差，一般，迭代誤差越小，代表迭代收斂情況越好，道路模擬試驗(yàn)準(zhǔn)確度越高.均方根誤差Err計(jì)算方法為

(6)

經(jīng)過一定迭代次數(shù)，信號(hào)逐漸收斂，迭代誤差趨于穩(wěn)定，部分典型工況迭代次數(shù)及迭代誤差見表3.由表3可知，前輪輪心載荷迭代誤差均在20%以下，收斂效果較好，符合試驗(yàn)要求.

表3 部分典型工況迭代誤差

4 一致性分析

對(duì)迭代后的臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)，分別從時(shí)域、頻域和相對(duì)損傷3個(gè)方面進(jìn)行一致性分析[11].

4.1 時(shí)域分析

圖5(a)、(b)所示分別為魚鱗坑路工況的車輛右后輪Fz臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)的時(shí)間歷程曲線，表4所示為魚鱗坑路工況的車輛右后輪Fx、Fy、Fz載荷臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)量對(duì)比.由圖5和表4可知，臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)在最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)量的數(shù)值差距較小，誤差均在5%以內(nèi)，信號(hào)時(shí)域特征表現(xiàn)基本一致.

圖5 期望響應(yīng)與臺(tái)架響應(yīng)時(shí)間歷程曲線

表4 期望響應(yīng)與臺(tái)架響應(yīng)統(tǒng)計(jì)量

結(jié)果表明，通過發(fā)送CAN報(bào)文對(duì)主動(dòng)減振器車輛進(jìn)行迭代，所得臺(tái)架響應(yīng)信號(hào)與期望響應(yīng)信號(hào)的載荷統(tǒng)計(jì)量一致性較好，道路模擬試驗(yàn)較好地再現(xiàn)了車輛在實(shí)際道路上的動(dòng)態(tài)時(shí)域響應(yīng)特性.

4.2 頻域分析

利用功率譜對(duì)臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)進(jìn)行分析，其主要表征了零部件在相應(yīng)頻率范圍內(nèi)吸收能量的大小.圖6所示為魚鱗坑路工況車輛右后輪Fz臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)在[0,50 Hz]范圍內(nèi)的功率譜密度曲線.由圖6可知，臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)功率譜密度峰值及對(duì)應(yīng)頻率基本相同，能量分布基本一致.

圖6 期望響應(yīng)與臺(tái)架響應(yīng)功率譜密度

結(jié)果表明，迭代后的臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)在頻域上的能量分布一致性較好，道路模擬試驗(yàn)較好地再現(xiàn)了車輛在實(shí)際道路上的頻域響應(yīng)特性.

4.3 疲勞損傷分析

依據(jù)帕姆格倫-邁因納(Palmgren-Miner)線性疲勞損傷累計(jì)理論，計(jì)算臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)完成相同工況耐久試驗(yàn)循環(huán)數(shù)時(shí)的偽損傷.表5為車輛右后輪部分測(cè)試通道期望響應(yīng)與臺(tái)架響應(yīng)的偽損傷，圖7為車輛右后輪部分測(cè)試通道臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)偽損傷對(duì)比.由表5可知，各測(cè)試通道臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)偽損傷數(shù)值處于相同數(shù)量級(jí)，數(shù)值差距較??；由圖7可知，各測(cè)試通道臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)偽損傷比值均在[0.8,1.6]區(qū)間范圍內(nèi)，滿足疲勞耐久試驗(yàn)要求.

表5 期望響應(yīng)與臺(tái)架響應(yīng)偽損傷

圖7 臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)偽損傷對(duì)比

結(jié)果表明，迭代后的臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)偽損傷一致性較好，道路模擬試驗(yàn)有效地復(fù)現(xiàn)了車輛在實(shí)際道路上的疲勞耐久特性.

5 主動(dòng)減振器控制與非控制狀態(tài)迭代響應(yīng)信號(hào)對(duì)比

為進(jìn)一步說明主動(dòng)減振器在控制與非控制狀態(tài)下，迭代響應(yīng)信號(hào)之間的區(qū)別，文中對(duì)車輛處于兩種狀態(tài)時(shí)分別進(jìn)行迭代，對(duì)比兩者迭代響應(yīng)信號(hào)與期望響應(yīng)信號(hào)的時(shí)域重合度和迭代誤差，分析車輛處于兩種條件下時(shí)的迭代收斂情況.

5.1 時(shí)域?qū)Ρ?/h3>

迭代后的臺(tái)架響應(yīng)與期望響應(yīng)在時(shí)域的重合情況，直接反映了迭代準(zhǔn)確度.主動(dòng)減振器控制與否，主要影響懸架垂向運(yùn)動(dòng)，在采集的響應(yīng)信號(hào)中，減振器位移信號(hào)表征了懸架垂向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，間接反映出減振器是否處于正確的阻尼狀態(tài).如圖8所示，為鐵路工況下主動(dòng)減振器控制與非控制時(shí)減振器位移信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ惹闆r.

圖8 位移信號(hào)時(shí)域?qū)Ρ?/p>

從圖8中可以清楚看到，主動(dòng)減振器在控制狀態(tài)下，位移信號(hào)與期望響應(yīng)基本重合，證明減振器阻尼特性與路試時(shí)一致；而在非控制狀態(tài)下，即ECU不為減振器發(fā)送控制指令時(shí)，減振器阻尼為偏硬的阻尼特性，所以圖中非控制狀態(tài)位移信號(hào)比期望響應(yīng)幅值偏小，誤差較大.

5.2 迭代誤差對(duì)比

從迭代誤差收斂趨勢(shì)上，亦可看出主動(dòng)減振器在控制與非控制條件下收斂情況的差別，同樣以鐵路工況為例，對(duì)車輛處于兩種狀態(tài)下迭代時(shí)，應(yīng)用相同的頻響函數(shù)，且迭代的步長(zhǎng)系數(shù)相同，如圖9所示，為主動(dòng)減振器在控制與非控制條件下后輪減振器位移的迭代誤差對(duì)比圖.從圖中可知，主動(dòng)減振器非控制狀態(tài)時(shí)，位移誤差較大，該信號(hào)通道完全不收斂；而在主動(dòng)減振器給予正確控制時(shí)，位移誤差較小，收斂效果好.

圖9 位移迭代誤差對(duì)比

6 結(jié) 論

文中通過將CAN報(bào)文發(fā)送給懸架ECU，由ECU計(jì)算并為主動(dòng)減振器發(fā)送控制指令，控制主動(dòng)減振器阻尼狀態(tài)，同時(shí)，保證CAN報(bào)文的發(fā)送與載荷譜信號(hào)實(shí)時(shí)同步，使主動(dòng)減振器阻尼狀態(tài)與車輛振動(dòng)狀態(tài)相符，求解系統(tǒng)頻響函數(shù)，對(duì)配備主動(dòng)減振器的車輛進(jìn)行迭代，并對(duì)迭代后的臺(tái)架響應(yīng)信號(hào)與期望響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域和偽損傷的一致性分析，通過對(duì)比主動(dòng)減振器控制與非控制狀態(tài)下迭代后的臺(tái)架響應(yīng)信號(hào)，分析時(shí)域信號(hào)重合度與迭代誤差，證明CAN報(bào)文仿真控制主動(dòng)減振器的方法能夠有效對(duì)配備主動(dòng)減振器的車輛進(jìn)行道路模擬試驗(yàn).